鋼桁梁橋套軌線路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

郭酈, 王會永

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路站場樞紐設(shè)計(jì)研究院, 天津 300308）

1 概述

大跨度鋼桁梁是現(xiàn)代鐵路橋梁較常采用的結(jié)構(gòu)型式, 具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、承載能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)中。國內(nèi)外鐵路鋼桁梁橋上常用的軌道結(jié)構(gòu)有木枕明橋面、有砟、合成樹脂枕及板式等軌道結(jié)構(gòu)[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(shù), 自20世紀(jì)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(qū)段采用有砟軌道結(jié)構(gòu), 即道砟鋪設(shè)在鋼梁頂面設(shè)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(jié)構(gòu)也增加了運(yùn)營期的工務(wù)養(yǎng)護(hù)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(nèi)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(shè)計(jì)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(shè)套軌線路板式無砟軌道（見圖1）在國內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼桁梁橋上軌道采用四線套軌結(jié)構(gòu)型式, 其中1 520 mm寬軌距線路在西側(cè), 1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距線路在東側(cè), 寬軌距線路與標(biāo)準(zhǔn)軌距線路中心距離為0.8 m。鋼桁梁橋板式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌道板、板下調(diào)整層和聯(lián)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(yù)應(yīng)力軌道板, 板下調(diào)整層采用高聚物自充填混凝土, 軌道板與主縱梁通過高強(qiáng)螺栓連接[4-5］。鋼桁梁橋板式無砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面布置見圖2。

圖2 鋼桁梁橋板式無砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面布置圖

2.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

2.1.1 軌道板

（1）寬度。109.5 m鋼梁兩主縱梁中心橫向?qū)挾葹? m, 主縱梁翼緣板寬度為550 mm, 根據(jù)聯(lián)接螺栓距離板側(cè)面橫向安全距離及寬軌、準(zhǔn)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(jù)梁面布板和節(jié)段匹配的需求、施工運(yùn)輸便捷、軌道板質(zhì)量、扣件間距配合等多方面因素確定軌道板長度。為方便運(yùn)輸、吊裝、鋪設(shè)及維修, 軌道板質(zhì)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(yīng)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(jié)合簡支梁實(shí)際長度, 經(jīng)布板設(shè)計(jì), 確定軌道板長度為1 960 mm及1 570 mm兩種。

（3）厚度。根據(jù)承載需求、橋面系匹配、結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jì)算軟件, 建立套軌線路軌道板力學(xué)有限元模型, 計(jì)算可知, 隨著軌道板厚增大, 軌道板及板下調(diào)整層拉應(yīng)力及位移呈遞減趨勢, 但應(yīng)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(diǎn)決定, 軌道板需配置較大的橫向預(yù)應(yīng)力, 以抵抗彎矩, 預(yù)應(yīng)力鋼筋布置較多。在軌道板橫向扣件預(yù)埋套管區(qū)域、聯(lián)接螺栓預(yù)留孔區(qū)域均無法布置預(yù)應(yīng)力鋼筋；同時軌道板為部分預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì), 采用混合配筋, 板內(nèi)鋼筋層數(shù)較多, 如軌道板厚度過小, 將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋凈距較小?？紤]軌道結(jié)構(gòu)的受力情況, 兼顧嚴(yán)寒地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性, 結(jié)合軌道板內(nèi)預(yù)應(yīng)力及普通鋼筋的構(gòu)造要求, 軌道板厚度取值為300 mm。

基于以上計(jì)算分析, 確定鋼桁梁橋上套軌線路軌道板結(jié)構(gòu)尺寸（見表1、圖3）。

圖3 軌道板結(jié)構(gòu)尺寸圖

表1 鋼桁梁橋套軌線路軌道板結(jié)構(gòu)尺寸 mm

2.1.2 板下調(diào)整層

經(jīng)計(jì)算可知, 板下調(diào)整層寬度及厚度的變化對軌道結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力變化影響不大。兼顧構(gòu)造要求及工程經(jīng)濟(jì)因素, 板下調(diào)整層寬度與連接的主縱梁相同, 即109 m鋼桁梁上板下調(diào)整層寬度取值為0.55 m, 145 m鋼桁梁上板下調(diào)整層寬度取值為0.65 m；板下調(diào)整層厚度取值為120 mm。

2.2 限位結(jié)構(gòu)

在軌道板內(nèi)相鄰扣件節(jié)點(diǎn)間外側(cè)設(shè)置灌漿孔, 同時在灌漿孔內(nèi)設(shè)置高強(qiáng)螺栓將軌道板與鋼梁主縱梁翼板錨固連接, 通過對高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力, 對軌道板進(jìn)行限位約束（見圖4）。

圖4 軌道板與鋼梁連接構(gòu)造圖

2.3 軌道板結(jié)構(gòu)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?yàn)?點(diǎn)支承, 受力類似于梁結(jié)構(gòu), 沿線路方向較短[6］。軌道板設(shè)計(jì)為單向先張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu), 橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋, 采用直徑10 mm螺旋肋鋼絲。

采用有限元仿真計(jì)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(jìn)行計(jì)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(diào)整層采用三向彈簧進(jìn)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。考慮列車、溫度及軌道板自質(zhì)量等荷載組合工況, 軸質(zhì)量取值為23 t、動力系數(shù)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(jì)算得到軌道板設(shè)計(jì)彎矩, 經(jīng)配筋設(shè)計(jì), 并進(jìn)行軌道板強(qiáng)度及裂紋寬度檢算, 確定結(jié)構(gòu)配筋。

以1 960 mm軌道板橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋為例, 軌道板橫向設(shè)置8組直徑10 mm螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲, 每組9根。

2.4 軌道板接口

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

（2）軌道板與鋼梁之間設(shè)置調(diào)整墊層, 并通過抗滑移高強(qiáng)螺栓與鋼桁梁的主縱梁連接；軌道板兩側(cè)設(shè)置螺栓預(yù)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(diào)整層的灌漿孔。

（3）軌道板橫向設(shè)置預(yù)埋起吊套管。

（4）考慮列車運(yùn)行安全, 在軌道板橫向中心位置設(shè)置護(hù)軌角鋼, 軌道對應(yīng)設(shè)置高度為80 mm的承臺, 預(yù)埋連接螺栓套管。

3 板下調(diào)整層材料

目前我國板式無砟軌道采用的板下調(diào)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(shí)混凝土[8］。

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

針對板下調(diào)整層隱蔽結(jié)構(gòu)、高黏結(jié)和高耐久性的技術(shù)要求, 借鑒常規(guī)混凝土性能評價方法, 綜合工作性能、力學(xué)性能、耐久性能, 研究確定板下調(diào)整層材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

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

（2）采用有機(jī)硅滲透型防護(hù)材料, 對板下調(diào)整層表面進(jìn)行防護(hù), 提高混凝土抗?jié)B性、抗凍性及耐久性。

4 軌道結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)

為評價鋼桁梁上套軌線路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體性能, 結(jié)合軌道板試制, 進(jìn)行室內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)整體組裝工藝性試驗(yàn), 系統(tǒng)開展軌道板靜載抗裂、軌道結(jié)構(gòu)組裝疲勞、軌道板限位結(jié)構(gòu)性能及室內(nèi)模態(tài)特性試驗(yàn)研究, 得到以下結(jié)論：

（1）軌道板靜載抗裂試驗(yàn)。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(yīng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.04 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明, 軌道板靜載抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）軌道結(jié)構(gòu)組裝疲勞試驗(yàn)。疲勞荷載幅值為69~345 kN, 加載波形為正弦波, 頻率為4 Hz。經(jīng)2×106次疲勞循環(huán)后, 軌道板和板下調(diào)整層未發(fā)現(xiàn)裂縫, 疲勞試驗(yàn)前后軌距未發(fā)生改變, 連接螺栓無松弛、松脫現(xiàn)象, 軌道結(jié)構(gòu)在整個疲勞試驗(yàn)過程中表現(xiàn)平穩(wěn)。各部件在靜載、動載下的應(yīng)力值均未超過各自的設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yàn)見圖5, 試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性和耐久性得到驗(yàn)證。

圖5 軌道板組裝疲勞試驗(yàn)

（3）軌道板限位結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。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(diào)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(yàn)結(jié)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(fā)生突變, 軌道板限位結(jié)構(gòu)的安全、可靠性得到驗(yàn)證。

（4）經(jīng)室內(nèi)模態(tài)特性試驗(yàn)測試, 組裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)共振。

5 軌道板制造工藝

在總結(jié)分析CRTSⅡ型軌道板“長線臺座法”和CRTSⅢ型軌道板“臺座法”的基礎(chǔ)上, 結(jié)合套軌線路軌道板單向先張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 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(diǎn), 對套軌線路軌道板制造過程中初張拉的均勻性控制技術(shù)及效率、張拉方式、快速封錨技術(shù)等開展系列研究, 并對套軌線路軌道板生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入研究。

通過開展軌道板關(guān)鍵尺寸、保護(hù)層厚度、預(yù)埋套管抗拔性能、軌道板靜載抗裂性能等試驗(yàn)研究, 表明套軌線路先張法預(yù)應(yīng)力板式無砟軌道板綜合性能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論及建議

通過系統(tǒng)開展鋼桁梁橋套軌線路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、板下調(diào)整層研發(fā)、室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證和軌道板制造工藝設(shè)計(jì)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(shè)。

主要結(jié)論及建議如下：

（1）根據(jù)鋼梁縱梁橫向間距及構(gòu)造要求、軌道板受力情況和軌道結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性等, 軌道板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)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(gòu)造要求及工程經(jīng)濟(jì)因素, 板下調(diào)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(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)整體組裝工藝試驗(yàn), 得知軌道板靜載抗裂性能、抗疲勞性能、限位結(jié)構(gòu)性能等均滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）建議采用1×5“長線臺座法”生產(chǎn)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(jié)構(gòu)各部位狀態(tài)良好, 后期將對運(yùn)營期無砟軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)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(nèi)為首次應(yīng)用, 為我國鋼桁梁橋軌道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)已在其他工程項(xiàng)目中應(yīng)用。