城市軌道交通大跨度斜拉橋無砟軌道及無縫線路設(shè)計方案研究

左一舟

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司廣東分公司，深圳 518052)

城市軌道交通中，大跨度公鐵兩用斜拉無砟軌道結(jié)構(gòu)橋梁較為少見，在這種類型的橋上設(shè)計無砟軌道存在較大困難。大跨橋梁柔性大，變形大，軌道幾何形位不易控制，極大地影響著列車的安全運行[1]。我國的大跨橋梁多鋪設(shè)有砟軌道，由于有砟軌道養(yǎng)護維修工作量較大，因此也有部分橋梁鋪設(shè)無砟軌道[2-3]。

溫度和列車荷載是影響大跨橋上無砟軌道狀態(tài)的關(guān)鍵因素，馮青松等基于有限元法研究了溫度荷載對連續(xù)梁橋上無砟軌道無縫線路縱向力和幾何形位的影響[4]；梁金寶等基于橋上無砟軌道實測溫度數(shù)據(jù)，探討無砟軌道溫度作用的合理取值[5]；閆斌等通過仿真模型研究極端溫度作用下高速鐵路簡支梁橋與CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道相互作用[6]；周凌宇等制作無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁1/4縮尺試驗?zāi)Ｐ?，通過開展快速升降溫試驗，分析CRTSⅡ型無砟軌道二維溫度場分布規(guī)律[7]；張鵬飛等通過大跨橋上無砟軌道空間精細化有限元模型，研究了橫向和豎向溫度梯度對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學(xué)特性的影響[8]；方文珊結(jié)合某運營高鐵大跨度橋上CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)的長期光纖傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律[9]；張悍東以昌贛客運專線混合梁斜拉橋為例，建立大跨度斜拉橋上無砟軌道精細化模型計算分析不同荷載作用下大跨度橋上無砟軌道縱向力[10]。但是上述研究基本針對剛度較大的鐵路橋梁展開，對于公鐵兩用橋梁，特別是同層布置的大跨度橋上無砟軌道的研究尚未涉及。

橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)選型對橋梁Ⅱ期恒載以及動力響應(yīng)等有較大影響，軌道結(jié)構(gòu)必須輕盈且有一定的隔振性能；此外，梁端變形受溫度及荷載的影響較大，需對此進行適應(yīng)性設(shè)計[11-12]。

以佛山市南海區(qū)新型公共交通系統(tǒng)試驗段工程跨東平水道特大橋為例，闡述城市軌道交通大跨度公鐵兩用斜拉橋橋上無砟軌道及無縫線路設(shè)計方案。

1 工程概況

跨東平水道特大橋是佛山市南海區(qū)新型公共交通系統(tǒng)試驗段工程為跨越東平水道而修建的橋梁，主橋采用(35+260+58+64+58)m鋼箱-混凝土混合主梁獨塔斜拉橋，公路與軌道交通同層布置。該橋以主塔為界，小里程端為鋼梁，大里程端為混凝土梁。主橋縱斷面為人字坡，坡度4%。橋跨立面及鋼橋橫斷面分別見圖1、圖2。

圖1 跨東平水道特大橋立面(單位：m)

圖2 跨東平水道特大橋鋼橋橫斷面(單位：m)

本線為有軌電車線路，其線下結(jié)構(gòu)具有一般地鐵的特點，目前業(yè)內(nèi)沒有成熟的有軌電車規(guī)范，軌道設(shè)計主要參考GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》、TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》及GB/T 50299—2018《地下鐵道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準》，但需酌情降低相應(yīng)標(biāo)準。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)問題

跨東平水道特大橋主橋為鋼混結(jié)合的獨塔斜拉體系，具有跨度大、結(jié)構(gòu)新、坡度大等特點，橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌枕、護軌、伸縮調(diào)節(jié)器、梁端伸縮裝置(抬軌器)、鋼筋混凝土道床、減振墊及纖維混凝土層等部分組成。采用50 kg/m鋼軌，設(shè)置1∶40的軌底坡。

本橋與一般大跨連續(xù)梁橋最大的區(qū)別是存在較大的人字坡，從而引起了梁縫兩端產(chǎn)生較大的錯臺，相較于一般平坡橋，其軌道結(jié)構(gòu)具有不同的受力特點，需要從以下幾個關(guān)鍵方面著手分析。

(1)本橋最大溫度跨度為330 m，需要進行橋上無縫線路檢算，以確定是否需要設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，以及如何設(shè)置小阻力扣件。

(2)根據(jù)雜散電流防護的要求，鋼橋范圍軌道結(jié)構(gòu)需采取隔離措施，并避免與橋梁產(chǎn)生共振效應(yīng)，此外還需分析無砟道床結(jié)構(gòu)自身的受力。

(3)對于梁縫兩側(cè)較大的錯臺值，橋梁伸縮引起的軌枕間距變化及扣件上拔力，以及梁端轉(zhuǎn)角超限等問題，都需要進行梁端軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析。

3 理論計算及分析過程

3.1 橋上無縫線路計算及設(shè)計

(1)梁軌相互作用模型

基于通用有限元軟件，在滿足工程應(yīng)用的前提下，通過一定的簡化處理[13]，建立的計算分析模型(見圖3)。

圖3 梁軌相互作用分析有限元模型

考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，模型僅分析單線；模型中梁體和主塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桿單元模擬，鋼軌采用梁單元模擬，剛體和梁體的連接采用非線性彈簧單元模擬。兩股鋼軌通過彈簧模擬扣件，與軌下基礎(chǔ)聯(lián)系，不考慮道床與梁面的水平相互作用[14-15]。

(2)橋上無縫線路計算分析

基于趙衛(wèi)華研究結(jié)論[16]，主塔及斜拉索對撓曲工況梁軌相互作用影響很小，在進行橋上無縫線路計算時，可不考慮主塔和斜拉索對梁軌相互作用的影響。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)及無縫線路設(shè)計特點，本工點分為5種工況進行計算，檢算項目包括鋼軌拉壓應(yīng)力、斷縫值及穩(wěn)定性。計算方案及結(jié)果見表1。

表1 橋上無縫線路計算方案及計算結(jié)果

(3)檢算結(jié)果與設(shè)計建議

根據(jù)上述檢算方案及結(jié)果，建議采取以下設(shè)計方案。

①小阻力扣件布設(shè)范圍盡可能小，采用方案五，即設(shè)置10 m小阻力扣件，對大坡道上抑制軌條縱向竄動和防止斷軌時斷縫值變大起到最佳效果。

②布置伸縮調(diào)節(jié)器時，伸縮調(diào)節(jié)器基本軌端的焊頭應(yīng)跨過主橋縫(見圖4)，以避免當(dāng)鋼軌縱向位移過大導(dǎo)致焊頭縱向移動量較大時，焊頭與扣件系統(tǒng)發(fā)生沖突。

圖4 伸縮調(diào)節(jié)器焊頭示意

3.2 橋上無砟軌道的結(jié)構(gòu)分析

既有的大跨度斜拉橋上一般以鋪設(shè)有砟軌道為主，無砟軌道應(yīng)用較少；為減輕主橋上的Ⅱ期恒載并考慮施工的便利性，主橋上的軌道結(jié)構(gòu)高度應(yīng)與引橋一致，對軌道結(jié)構(gòu)選型造成限制。為滿足上述要求，利用橋上纖維混凝土形成了向上凸起的“反向限位凸臺”結(jié)構(gòu)。道床采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將凸臺覆蓋，道床寬2 500 mm，標(biāo)準道床板長4 900 mm，道床每5 m設(shè)置1道約100 mm寬伸縮縫。道床底部設(shè)置25mm厚道床減振墊。

根據(jù)橋上無砟軌道的工作特性，重點考慮常用輪載、溫度梯度荷載的作用，計算不同工況作用下軌道結(jié)構(gòu)各部件的位移與受力，包括鋼軌與道床板的垂向位移及道床板的配筋情況檢算。主要計算工況見表2。

表2 橋上無砟軌道計算工況

常用輪載取62.5 kN，正溫度梯度荷載取80 ℃/m，負溫度梯度荷載取-40 ℃/m。工況一的計算結(jié)果見表3及圖5，工況二的計算結(jié)果小于工況一，以下不再示出。

表3 列車荷載+正溫度梯度荷載計算結(jié)果

圖5 橋上無砟軌道彎矩及變形

(2)道床減振墊隔振性能分析

既有的軌道交通橋上無砟軌道與橋梁之間一般設(shè)置CA砂漿或土工布隔離層；聚氨酯減振墊作為近年來新型的減振型材料，不僅能夠起到良好的減振效果，還能有效防護雜散電流，從而達到保護鋼橋的效果。

通過模擬落軸試驗的方式來計算整個減振軌道結(jié)構(gòu)在列車沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)，提取鋼軌、道床板、底座板與橋梁的振動加速度時程曲線，見圖6。

圖6 軌道交通橋上結(jié)構(gòu)加速度時程曲線

對隔離層分別為聚氨酯減振墊層及普通CA砂漿層進行對比分析，得到的結(jié)果表明：相較于CA砂漿層，聚氨酯墊層能夠較大程度地阻隔振動的傳播，即聚氨酯墊層的減振效果遠大于CA砂漿層。

(3)計算結(jié)果及設(shè)計建議

①在列車荷載及正、負溫度梯度荷載作用下，根據(jù)擬定的軌道設(shè)計方案，道床板按構(gòu)造配筋即可滿足承載要求。②最不利條件下，道床板凸臺邊角受力滿足強度要求。③根據(jù)提供的聚氨酯墊層性能，對比分析了CA砂漿層的隔振能力，前者能更有效地阻隔振動的傳播，隔振性能良好，達到了預(yù)期設(shè)計效果。

1)結(jié)合現(xiàn)有仿人機械臂設(shè)計方法，參考中國成年男子手臂尺寸參數(shù)，基于彈簧連桿機構(gòu)設(shè)計了一套用于工業(yè)裝配外骨骼的具有支撐工具功能的彈簧連桿機械臂，并證明了該機械臂能夠很好地應(yīng)用于工業(yè)裝配外骨骼。

3.3 梁端軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析及優(yōu)化

對于軌道結(jié)構(gòu)，大跨連續(xù)梁斜拉橋在梁端處存在許多不利因素[15]，本橋也具有類似的特點：①連續(xù)梁兩端梁縫較大且動態(tài)變化，最大梁縫值可達396 mm，最大變化值為196 mm。根據(jù)軌枕寬度及必要的軌枕邊緣厚度，最大軌枕間距可達826 mm左右，遠遠超過設(shè)計可接受的數(shù)值。②為保證扣件的使用安全及梁端軌道板的穩(wěn)定性，扣件的彈性墊板不允許出現(xiàn)失壓現(xiàn)象，梁端兩側(cè)扣件所受上拔力之和不能超過其初始扣壓力。③由于坡度較大，當(dāng)橋梁伸縮時，橋梁支座沿水平方向移動，這將引起梁縫兩端的動態(tài)錯臺，最大值達7.84 mm。④根據(jù)本文3.1節(jié)，需在主梁梁縫處設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，而為了滿足上述3個不利因素，一般需設(shè)置梁端伸縮裝置(也稱“抬軌器”)，因此2個設(shè)備需協(xié)同設(shè)計，避免沖突。

以下對不設(shè)置梁端伸縮裝置(優(yōu)化前)以及設(shè)置伸縮裝置時(優(yōu)化后)受力情況進行檢算，過程如下。

(1)檢算的項目及限值

①檢算扣件上拔力限值，常阻力扣件為22 kN，小阻力扣件為16.8 kN；檢算扣件下壓力限值，下沉量限值為2.4 mm。②檢算鋼軌應(yīng)力限值，根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》，取352 MPa。③檢算梁端軌道不平順矢度限值，10 m弦的平順矢度不宜超過驗收標(biāo)準規(guī)定的4 mm。

(2)未設(shè)置梁端伸縮裝置時的檢算結(jié)果

當(dāng)梁端未設(shè)置伸縮裝置時，由于合龍溫度并不在溫度平均值處，所以當(dāng)氣溫最高時與當(dāng)氣溫最低時計算結(jié)果有所差異，取最不利狀態(tài)即最低溫時的計算結(jié)果(見表4)。

表4 橋上軌道構(gòu)件優(yōu)化前各檢算項目計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，在梁縫兩端存在較大錯臺值且未設(shè)置梁端伸縮裝置時，扣件的上拔力、扣壓力，鋼軌的應(yīng)力及不平順矢度都不能通過檢算。

(3)設(shè)置梁端伸縮裝置后的檢算結(jié)果

當(dāng)梁端設(shè)置伸縮裝置以后，最低溫時的計算結(jié)果見表5。

表5 橋上軌道構(gòu)件優(yōu)化后各檢算項目計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，在梁縫兩端設(shè)置梁端伸縮裝置后，扣件的上拔力、扣壓力，鋼軌的應(yīng)力及不平順矢度都通過了檢算。

(4)計算結(jié)果及設(shè)計建議

未優(yōu)化設(shè)計時，考慮最低溫度作用、最高溫度作用等附加荷載情況下的梁端軌道結(jié)構(gòu)扣件上拔力、扣件下壓力、鋼軌應(yīng)力及不平順矢度均有多項不滿足要求。采用伸縮裝置優(yōu)化后，以上各項檢算均滿足要求。

4 結(jié)語

(1)推薦采用左右兩端都設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器布設(shè)方案，小阻力扣件布設(shè)范圍較短(即設(shè)置10m小阻力扣件)，此舉對抑制大坡道上軌條縱向竄動和防止斷軌時斷縫值變大效果較好。

(2)在列車荷載及正、負溫度梯度荷載作用下，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計方案，道床板及凸臺強度滿足承載要求。

(3)相較于CA砂漿層，聚氨酯墊層更能有效地阻隔振動的傳播，隔振性能良好，達到了預(yù)期設(shè)計效果。

(4)采用伸縮裝置能夠?qū)σ龢?主橋梁端受力起到優(yōu)化作用。