芜湖长江大桥无缝线路设计研究

黄 行 上海铁路局工务处

芜湖长江大桥2000年9月28日开通建成，为双线公铁两用桥，大桥全长 10.527 km，里程标 K210＋500～K221＋824.54。桥上轨道最小曲线半径1 001 m、限制坡度上行6‰、下行4‰，桥跨结构较为复杂，没计活载为“中－活载”，桥跨组成为：240孔混凝土简支梁、一联混凝土连续梁、一联混凝土连续钢构梁、六联大跨度连续钢桁梁。

目前，混凝土梁桥上轨道为：有碴轨道、Ⅱ型桥枕，间距1 760根/km、Ⅰ型弹条扣件；钢桁梁上轨道为木枕明桥面，K型扣件，桥上钢轨为50 kg/m短钢轨，并设有护轨。为满足既有线提速的需要，我们开展了对该大桥铺设无缝线路的研究。

1 主要设计参数及轨道试验

1.1 主要设计参数

（1）轨温。根据历年监测，该桥最高轨温Tmax＝61℃，最低轨温Tmin＝-13.1℃。

（2）钢轨钢种采用U75V不淬火钢轨。

（3）断缝允许值：[λ]=10 cm。

（4）道床阻力设计参数采用：2 mm单枕横向阻力为3.8 kN，2mm单枕纵向阻力为10.2 kN(采用小阻力扣件)。

（5）列车荷载。挠曲力计算采用“中－活载”，荷载形式如图1所示，轨道强度计算采用SS8电力机车（速度200 km/h），如图 2 所示。

图1 荷载形式图

图2 SS8电力机车轮重荷载图式

1.2 道床阻力测试

⑴测试地点。测试地点选在芜湖长江大桥芜湖岸引桥上，该地段采用Ⅱ型混凝土枕（枕间距1760根/km）、Ⅱ型弹条扣件，设置了护轨及挡碴板，枕底道碴厚度不足25 cm。

⑵测试设备及测试方法。测试设备采用道床纵横向阻力测试仪，测试方法采用轨枕顶推方法。

⑶测试数据及整理结果。本次测试了18根轨枕的横向力，以及20根轨枕的纵向阻力。1.2.1横向阻力

道床横向阻力测试数据分布如图3所示。实测2 mm单枕横向阻力为9.7 kN。经拟合计算，得到道床横向阻力表达式为：

式中，Q：道床横向阻力，单位：N/cm；Y：轨枕横向位移，单位：mm。

拟合计算得到相关系数R2＝0.8456，可见数据的相关性较好。当Y＝2mm时，由上式可得，横向阻力Q＝169.7 N/cm。按枕间距56.8 cm换算得到，2 mm单枕横向阻力R2＝9.6 kN。

图3 道床横向阻力测试数据及拟合曲线

1.2.2 纵向阻力

道床纵向阻力测试数据分布如图4所示。实测2 mm单枕纵向阻力为17.2 kN。经拟合计算，得到道床横向阻力表达式为：

式中，Q：道床纵向阻力，单位：kN/m；Y：轨枕纵向位移，单位：cm。

拟合计算得到相关系数R2＝0.501，可见数据的相关性一般，具有一定的离散性。当Y＝2 mm时，由上式可得，纵向阻力Q＝29.6 kN/m。按枕间距56.8 cm换算得到，2 mm单枕纵向阻力R2＝16.8 kN。

图4 道床纵向阻力测试数据及拟合曲线

2 桥上无缝线路设计方案

2.1 轨条布置

轨条布置由以下2部分组成：

⑴全桥每线在大跨度连续钢桁梁梁端处设置单向钢轨伸缩调节器，其它范围均采用长钢轨连接。设置调节器的钢桁梁有：120 m+2×144 m连续钢桁梁、3×144 m连续钢桁梁、3×144 m 连续钢桁梁、180 m＋312 m＋180 m 连续钢桁梁、2×120 m连续钢桁梁。

⑵桥上长钢轨在小里程方延伸至合肥端桥台外，并与路基无缝线路焊联。桥上长钢轨在大里程方延伸至芜湖端桥台外，并与路基上相距的道岔前缓冲轨联结。

2.2 扣件及轨枕布置

（1）钢桁梁轨道采用木枕及K型扣件。K型扣件的布置分以下2种情况：

①2×80 m连续钢桁梁桥（即裕溪河钢桁梁桥）在固定支座左右两侧各40 m的范围采用“1－1－1”布置，其它范围采用“1－5－1”。

②在120 m＋2×144 m连续钢桁梁、3×144 m连续钢桁梁、180 m＋312 m＋180 m 连续钢桁梁、2×120 m连续钢桁梁每一全联梁范围内，在每个伸缩纵梁断开的所在节间范围内“1－5－1”布置，其它范围采用“1－1－1”布置。

（2）混凝土梁桥扣件布置：

①下行线从合肥端桥台～芜湖端桥台前第11孔24 m简支梁范围，采用Ⅱ型预应力混凝土桥枕及“石龙桥小阻力扣件”。轨枕间距：1760根/km，“石龙桥小阻力扣件”配置不锈钢复合垫板及小扣压力弹条，扣件螺母扭矩为60～80 N·m。

②下行线芜湖端桥台前10孔24 m简支梁范围，采用Ⅱ型预应力混凝土桥枕及弹条Ⅱ型扣件。轨枕间距：1760根/km，扣件螺母扭矩保持 80～120 N·m。

⑶芜湖端桥台前为大桥C线，其桥跨：17×24 m＋3×32 m＋13×24 m＋芜湖台，上行线第10#墩上存在一组50轨9#道岔。钢轨及扣件布置如下：

①在50轨道岔前后设缓冲区，采用3根12.5m短轨作缓冲轨，左右与道岔相邻的缓冲轨采用60－50异形轨。缓冲区扣件为Ⅱ型扣件，扣件螺母扭矩保持80～120 N·m，轨枕间距：1840根/km，轨缝8 mm，采用普通冻结接头。

②上行线从合肥端桥台～芜湖端桥台前大桥C线50轨道岔无为方缓冲区轨缝范围，采用Ⅱ型预应力混凝土桥枕及“石龙桥小阻力扣件”。轨枕间距：1840根/km，“石龙桥小阻力扣件”配置不锈钢复合垫板及小扣压力弹条，扣件螺母扭矩保持 60～80 N·m。

③上行线大桥C线50轨道岔芜湖方缓冲区轨缝至路基缓冲区范围，采用Ⅱ型预应力混凝土桥枕及Ⅱ型扣件。轨枕间距：1840根/km，桥内扣件螺母扭矩保持80～120 N·m。

⑷要求所采用的Ⅱ型预应力混凝土桥枕及木枕不能存在伤损或裂纹。

⑸桥台两端路基长钢轨加强锁定，Ⅱ型弹条扣件扭矩保持 120～150 N·m。

2.3 道床

道床脏污且石碴厚度普遍只有17～20 cm，故设计根据道床情况重新进行纵断面设计，设计后道床厚度普遍在25 cm以上，并要求进行大机起道整修，确保道碴饱满、密实，枕底道碴厚度在25 cm以上。道床两侧增设挡碴板，并要求碴肩道碴密实，且堆高15 cm。

2.4 钢轨伸缩调节器

双线共需12组单向钢轨调节器，编号为EJ1～EJ12，上下行调节器的布置位置不同。所采用钢轨伸缩调节器型号为DMM60型，图号为研线0618。

2.5 缓冲区

在芜湖端桥台至路基上道岔前接头的56m范围设置缓冲区。缓冲区的设置参数为：

⑴采用2根60 kg/m、25 m长的标准短钢轨；

⑵共设3个轨缝，设置预留轨缝宽度8 mm；

⑶采用冻结接头，参数：6孔夹板、M27高强螺栓及螺母、扭矩≥900 N·m；

⑷除与道岔相邻的9 m范围采用木枕外，其它范围采用Ⅱ轨枕、间距1840根/km，Ⅱ型弹条扣件，扣件扭矩保持120～150 N·m；

⑸道床饱满、密实，两侧碴肩堆高15 cm。

3 锁定轨温设计

3.1 允许温降

3.1.1 计算参数

荷载类型：SS8电力机车，速度：200 km/h钢轨类型：60 kg/m

轨枕布置：1760根/km，曲线半径R=1000 m

3.1.2 计算结果

采用TDS计算得到轨底动弯应力分布如图5所示。钢轨允许温降ΔTd=69.0℃，由强度允许温降决定。

图5 轨底动弯应力分布如图

3.2 允许温升

3.2.1 计算参数

曲线半径：1000 m

轨枕布置：1760根/km

钢轨附加纵向压力：0 kN/轨

钢轨类型：60 kg/m

轨道横向阻力型式：Ⅱ型枕（B1760）、曲线半径R＞800 m(详见图 6)。

图6 道床横向阻力曲线

3.2.2 计算结果

采用不等变形波长理论，其计算模型及计算公式如图1-10所示。

图7 不等变形波长理论及计算公式

式中，P：钢轨温度力；E：钢轨材料弹性模量；J：钢轨截面对竖轴的惯性矩；f：弹性变形矢度；L：弹性变形波长；D：弹性初始弯曲率；i0：初始弯曲矢长比；l0：初始弯曲波长；Ψ、G、η: 积分系数；Q0、B、C、K、Z、N: 道床横向阻力系数；S、θ、μ:扣件阻矩系数；R：曲线半径。用不同的变形矢度f值进行叠代，TDS3.2计算可得到：

1股钢轨允许压力：P=916.9 kN/轨;允许温升ΔTu=47.8℃;临界温升:Pk=82.8℃;安全系数K=1.7。

3.3 设计锁定轨温范围

3.3.1 计算参数

地区：芜湖长江大桥，最高轨温Tmax=61℃，最低轨温Tmin=-13℃，允许温升ΔTu=47.8℃，允许温降ΔTd=69.0℃，锁定轨温上下限幅度ΔTs=±5℃。

3.3.2 计算结果

中和温度Te按下式计算：

计算得，中和温度Te=32℃，设计锁定轨温范围Ts=（32±5）℃（即：27～37 ℃）。最大温升幅度ΔTumax=34.0℃≤ΔTu，最大温降幅度ΔTdmax=50.0℃≤ΔTd。

校验结果：合格。

3.4 断缝检算

3.4.1计算参数

钢轨类型：60 kg/m，钢轨温降△Td=-50℃，断缝允许值[λ]=10 cm。

3.4.2 计算结果

断缝λ=8.3 cm≤[λ]合格。

本桥范围内无缝线路设计锁定轨温范围Ts＝(32±5)℃，最大温升幅度ΔTumax=34.0℃≤ΔTu，最大温降幅度ΔTdmax＝50.0℃≤ΔTd。

4 铺设及养护注意事项

本桥无缝线路处于R1001 m曲线、混凝土简支梁、混凝土连续梁及多联大跨度公铁两用钢桁梁桥，因此，防止曲线地段无缝线路胀轨跑道，和钢桁梁桥长轨条及伸缩调节器是本桥无缝线路养护维修的重点。为此，施工部门及线路养护部门应注意以下几点：

⑴首先在桥上无缝线路铺设施工中，应遵照本设计参数进行施工，以及工程验收。

⑵施工锁定轨温必须在设计锁定轨温范围之内。

⑶扣件扭矩应采用扭矩扳手校核。

⑷道床肩宽、道床阻力等参数达到验收标准。

⑸裕溪河钢桁梁桥上及左右相邻1孔简支梁的范围内不得设置工地焊接接头。

⑹连续钢桁梁桥上伸缩纵梁所在的节间及相邻的1个节间范围内不得设置工地焊接接头。

⑺钢轨伸缩调节器、小阻力扣件都应严格按相关技术条件或设计要求验收，并严格按照轨条布置图进行布设。

⑻钢轨伸缩调节器的基本轨和尖轨应采用焊接接头与长钢轨相联。

⑼小阻力扣件的调高垫板应放置于复合胶垫与轨枕之间，不得放置于复合胶垫与轨底之间。

⑽梁两端设置钢轨伸缩调节器的钢桁梁桥，夏季和冬季，长钢轨在钢桁梁中部存在较大的温度力（详见本报告之六）。因此，养护维修中与无缝线路固定区相同，应注意防止胀轨和断轨。

⑾养护维修工作应严格按照有关无缝线路的作业允许轨温进行作业。

⑿养护维修作业方法的制定应使无缝线路在作业后能迅速恢复到验收状态为前提。

⒀桥台外线路应加强锁定，加大扣件扭矩，防止桥台外线路爬行造成桥上无缝线路锁定轨温改变。

⒁在桥上无缝线路铺设验收合格后，在冬、夏季节应加强无缝线路的位移观测。

5 铺设效果

⑴铺设无缝线路后，通过一年多的运营观测，轨道结构稳定，伸缩区位移在正常范围，无异常爬行。

⑵铺设无缝线路后，大大减少了芜湖长江大桥桥上轨道养护工作量。

⑶钢轨伸缩调节器伸缩在正常范围内。