鋼桁梁橋套軌線路板式無砟軌道結構技術應用

郭酈, 王會永

（中國鐵路設計集團有限公司 線路站場樞紐設計研究院, 天津 300308）

1 概述

大跨度鋼桁梁是現代鐵路橋梁較常采用的結構型式, 具有結構簡單、施工方便、承載能力強等突出優點, 廣泛應用于鐵路建設中。國內外鐵路鋼桁梁橋上常用的軌道結構有木枕明橋面、有砟、合成樹脂枕及板式等軌道結構[1］, 以往我國主要采用鋼桁梁頂面直接放置木橋枕的明橋面技術, 自20世紀90年代以來, 隨著鐵路幾次大提速, 逐步開始在大跨度鋼桁梁區段采用有砟軌道結構, 即道砟鋪設在鋼梁頂面設置的道砟槽板上。但由此加大了軌道上建高度和橋梁二期恒載, 引起主橋工程造價大幅增加, 同時采用有砟軌道結構也增加了運營期的工務養護維修工作。

研究對象是位于中俄兩國交界處的首座跨越黑龍江的同江黑龍江鐵路特大橋, 該橋在哈魚島處跨越黑龍江, 是中俄兩國首座橫跨黑龍江的過境橋梁, 大橋全長7 193.71 m, 在中方境內布置了16×109.5 m簡支鋼桁梁和1×145.5 m簡支鋼桁梁。線路設計為單線, 由于兩國軌距不同[2-3］, 軌道采用套軌型式。同江黑龍江鐵路特大橋是鋼桁梁橋, 橋上鋪設套軌線路板式無砟軌道（見圖1）在國內外均屬首次。

圖1 鋼桁梁橋套軌線路板式無砟軌道

2 軌道結構設計

鋼桁梁橋上軌道采用四線套軌結構型式, 其中1 520 mm寬軌距線路在西側, 1 435 mm標準軌距線路在東側, 寬軌距線路與標準軌距線路中心距離為0.8 m。鋼桁梁橋板式無砟軌道結構由鋼軌、扣件、軌道板、板下調整層和聯接螺栓組成。無砟軌道采用60 kg/m鋼軌、彈性不分開式扣件、廠制單向先張預應力軌道板, 板下調整層采用高聚物自充填混凝土, 軌道板與主縱梁通過高強螺栓連接[4-5］。鋼桁梁橋板式無砟軌道結構橫斷面布置見圖2。

圖2 鋼桁梁橋板式無砟軌道結構橫斷面布置圖

2.1 主要結構尺寸

2.1.1 軌道板

（1）寬度。109.5 m鋼梁兩主縱梁中心橫向寬度為3 m, 主縱梁翼緣板寬度為550 mm, 根據聯接螺栓距離板側面橫向安全距離及寬軌、準軌軌距和兩者中心距離, 軌道板寬度確定為4 m。

（2）長度。根據梁面布板和節段匹配的需求、施工運輸便捷、軌道板質量、扣件間距配合等多方面因素確定軌道板長度。為方便運輸、吊裝、鋪設及維修, 軌道板質量一般控制在7 t左右, 同時為提高軌道板與鋼梁垂向變形的適應性, 軌道板沿線路縱向不宜過長, 長度宜控制在1.5~2.0 m。結合簡支梁實際長度, 經布板設計, 確定軌道板長度為1 960 mm及1 570 mm兩種。

（3）厚度。根據承載需求、橋面系匹配、結構構造等多方面因素確定軌道板厚度, 其中主要考慮承載需求。采用有限元仿真計算軟件, 建立套軌線路軌道板力學有限元模型, 計算可知, 隨著軌道板厚增大, 軌道板及板下調整層拉應力及位移呈遞減趨勢, 但應力水平總體較低, 不對軌道板厚起決定性影響。

由鋼桁梁橋無砟軌道板自身受力特點決定, 軌道板需配置較大的橫向預應力, 以抵抗彎矩, 預應力鋼筋布置較多。在軌道板橫向扣件預埋套管區域、聯接螺栓預留孔區域均無法布置預應力鋼筋；同時軌道板為部分預應力設計, 采用混合配筋, 板內鋼筋層數較多, 如軌道板厚度過小, 將導致預應力鋼筋凈距較小?？紤]軌道結構的受力情況, 兼顧嚴寒地區軌道結構的適應性及經濟性, 結合軌道板內預應力及普通鋼筋的構造要求, 軌道板厚度取值為300 mm。

基于以上計算分析, 確定鋼桁梁橋上套軌線路軌道板結構尺寸（見表1、圖3）。

圖3 軌道板結構尺寸圖

表1 鋼桁梁橋套軌線路軌道板結構尺寸 mm

2.1.2 板下調整層

經計算可知, 板下調整層寬度及厚度的變化對軌道結構各部位應力變化影響不大。兼顧構造要求及工程經濟因素, 板下調整層寬度與連接的主縱梁相同, 即109 m鋼桁梁上板下調整層寬度取值為0.55 m, 145 m鋼桁梁上板下調整層寬度取值為0.65 m；板下調整層厚度取值為120 mm。

2.2 限位結構

在軌道板內相鄰扣件節點間外側設置灌漿孔, 同時在灌漿孔內設置高強螺栓將軌道板與鋼梁主縱梁翼板錨固連接, 通過對高強螺栓施加預緊力, 對軌道板進行限位約束（見圖4）。

圖4 軌道板與鋼梁連接構造圖

2.3 軌道板結構受力分析

軌道板寬度為4 m, 長度約為2 m, 置于鋼桁梁主縱梁上, 橫向為2點支承, 受力類似于梁結構, 沿線路方向較短[6］。軌道板設計為單向先張預應力結構, 橫向設置預應力鋼筋, 采用直徑10 mm螺旋肋鋼絲。

采用有限元仿真計算軟件, 建立套軌線路軌道板的垂向受力分析模型。為消除邊界條件影響, 模型建立5塊軌道板進行計算, 并以中間板為主要研究對象。鋼軌采用梁單元、軌道板采用殼單元建模, 扣件和板下調整層采用三向彈簧進行模擬, 鋼軌兩端采用對稱約束, 對P1960及P1570兩種板型分別分析?？紤]列車、溫度及軌道板自質量等荷載組合工況, 軸質量取值為23 t、動力系數取值為2.0, 軌道板溫度梯度取值為45℃/m, 軌道板容重取值為25 kN/m3。計算得到軌道板設計彎矩, 經配筋設計, 并進行軌道板強度及裂紋寬度檢算, 確定結構配筋。

以1 960 mm軌道板橫向預應力鋼筋為例, 軌道板橫向設置8組直徑10 mm螺旋肋預應力鋼絲, 每組9根。

2.4 軌道板接口

（1）軌道板頂面設置與扣件匹配的承軌槽, 頂面橫向設置1%“人”字形排水坡, 并設置標示。

（2）軌道板與鋼梁之間設置調整墊層, 并通過抗滑移高強螺栓與鋼桁梁的主縱梁連接；軌道板兩側設置螺栓預留長圓孔, 其縱向位于相鄰兩承軌臺中間位置, 長圓孔同時作為板下調整層的灌漿孔。

（3）軌道板橫向設置預埋起吊套管。

（4）考慮列車運行安全, 在軌道板橫向中心位置設置護軌角鋼, 軌道對應設置高度為80 mm的承臺, 預埋連接螺栓套管。

3 板下調整層材料

目前我國板式無砟軌道采用的板下調整層材料主要有2類, 一是用于CRTSⅠ、Ⅱ型板式無砟軌道體系的水泥乳化瀝青砂漿[7］, 二是用于CRTSⅢ型板式無砟軌道體系的自密實混凝土[8］。

同江黑龍江鐵路特大橋地處嚴寒地區（該地區最冷月平均氣溫為-20.4℃）, 板下調整層宜采用混凝土類的無機材料, 不宜采用瀝青砂漿為主的有機材料。同時考慮到調整層位于軌道板和鋼橋頂面之間, 應適當提高混凝土與界面的黏結性能和降低混凝土的抗裂性能, 宜在自密實混凝土中添加適量聚合物, 以提高其黏結性能、抗凍性能以及抗氯離子滲透性能。

針對板下調整層隱蔽結構、高黏結和高耐久性的技術要求, 借鑒常規混凝土性能評價方法, 綜合工作性能、力學性能、耐久性能, 研究確定板下調整層材料的各項性能指標要求。

（1）采用高聚物自充填混凝土, 并經大量試驗, 系統研究聚合物種類、摻量及混凝土養護方式對材料性能的影響。

（2）采用有機硅滲透型防護材料, 對板下調整層表面進行防護, 提高混凝土抗滲性、抗凍性及耐久性。

4 軌道結構室內試驗

為評價鋼桁梁上套軌線路板式無砟軌道結構整體性能, 結合軌道板試制, 進行室內軌道結構整體組裝工藝性試驗, 系統開展軌道板靜載抗裂、軌道結構組裝疲勞、軌道板限位結構性能及室內模態特性試驗研究, 得到以下結論：

（1）軌道板靜載抗裂試驗。以P1960型軌道板為例, 在橫向加載150 kN、縱向加載35 kN條件下, 最大應力值分別為1.05 MPa和1.36 MPa, 均未超過C60混凝土的軸心抗拉強度設計值2.04 MPa。試驗結果表明, 軌道板靜載抗裂性能滿足設計要求。

（2）軌道結構組裝疲勞試驗。疲勞荷載幅值為69~345 kN, 加載波形為正弦波, 頻率為4 Hz。經2×106次疲勞循環后, 軌道板和板下調整層未發現裂縫, 疲勞試驗前后軌距未發生改變, 連接螺栓無松弛、松脫現象, 軌道結構在整個疲勞試驗過程中表現平穩。各部件在靜載、動載下的應力值均未超過各自的設計強度；各部件位移、各層間相對位移均較小。

軌道板組裝疲勞試驗見圖5, 試驗結果表明, 軌道板抗疲勞性能良好, 軌道板在疲勞荷載下安全性、穩定性和耐久性得到驗證。

圖5 軌道板組裝疲勞試驗

（3）軌道板限位結構性能試驗。加載-卸載過程中, 軌道板最大橫向和縱向位移分別為0.178 mm和0.106 mm, 板下調整層最大橫向和縱向位移分別為0.140 mm和0.084 mm, 鋼梁最大橫向和縱向位移分別為0.148 mm和0.094 mm。試驗結果表明, 在縱、橫向加載-卸載過程中, 層間相對位移均較小, 未發生突變, 軌道板限位結構的安全、可靠性得到驗證。

（4）經室內模態特性試驗測試, 組裝結構的一階自振頻率約為60 Hz, 避開了橋梁和列車的固有頻率, 不會引起結構共振。

5 軌道板制造工藝

在總結分析CRTSⅡ型軌道板“長線臺座法”和CRTSⅢ型軌道板“臺座法”的基礎上, 結合套軌線路軌道板單向先張預應力結構特點, 確定采用1×5“長線臺座法”制造工藝, 長線張拉臺座見圖6。

借鑒雙向先張CRTSⅢ型軌道板工藝特點, 對套軌線路軌道板制造過程中初張拉的均勻性控制技術及效率、張拉方式、快速封錨技術等開展系列研究, 并對套軌線路軌道板生產工藝進行深入研究。

通過開展軌道板關鍵尺寸、保護層厚度、預埋套管抗拔性能、軌道板靜載抗裂性能等試驗研究, 表明套軌線路先張法預應力板式無砟軌道板綜合性能滿足結構設計要求。

6 結論及建議

通過系統開展鋼桁梁橋套軌線路板式無砟軌道結構設計、板下調整層研發、室內試驗驗證和軌道板制造工藝設計等研究工作, 板式無砟軌道在同江黑龍江鐵路特大橋成功鋪設。

主要結論及建議如下：

（1）根據鋼梁縱梁橫向間距及構造要求、軌道板受力情況和軌道結構經濟性等, 軌道板設置橫向預應力, 推薦軌道板寬度為4.0 m, 厚度為0.3 m, 長度為1.96 m和1.57 m兩種。

（2）考慮構造要求及工程經濟因素, 板下調整層寬度與連接的主縱梁相同, 推薦厚度值為120 mm。

（3）通過室內無砟軌道結構整體組裝工藝試驗, 得知軌道板靜載抗裂性能、抗疲勞性能、限位結構性能等均滿足設計要求。

（4）建議采用1×5“長線臺座法”生產制造軌道板。

（5）目前同江黑龍江鐵路特大橋鋼桁梁上套軌線路板式無砟軌道施工已完成3年多, 軌道結構各部位狀態良好, 后期將對運營期無砟軌道結構的服役狀態進行持續跟蹤。

同江黑龍江鐵路特大橋鋼桁梁上套軌線路板式無砟軌道在國內為首次應用, 為我國鋼桁梁橋軌道結構的采用形式提供了一種全新解決方案。目前, 鋼桁梁橋板式無砟軌道結構已在其他工程項目中應用。