大跨度钢桥轨道设计方案的研究

高增增

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

大跨度钢桥轨道设计方案的研究

高增增

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

大跨度钢桥与混凝土桥相比对轨道结构要求较高，轨道结构形式可采用碎石道床、板式无砟轨道、木枕等，这几种轨道结构形式各有优缺点。合成板式轨道是一种新型轨道结构，具有结构强度高、弹性好，能减轻振动和噪声，生产、施工容易等特点，在大跨度钢桥上应用优势明显。本文对既有钢桥的几种轨道结构与合成板式轨道的优缺点作了阐述，提出了合成轨道板的设计方案。

钢桥；无砟轨道；合成板式轨道；构造方案；应力计算

1　钢桥桥面系对轨道结构的要求

大跨度钢桥的轨道结构形式可采用碎石道床、板式无砟轨道等，钢桥的桥面形式对轨道结构形式的选取至关重要。钢桥桥面形式主要有3种：钢混结合桥面（混凝土桥面），即在钢桥顶面铺设一层混凝土板作为轨道基础，这种桥面对轨道的技术要求及采用的轨道形式基本与普通混凝土桥一致；明桥面，即桥面采用纵横梁体系，通常钢轨通过扣件与木枕联结，木枕再与钢梁联结；钢桥面，即在梁体构架体系顶面铺设一层钢板，其上再铺设轨道结构，轨道结构可采用碎石道床轨道、板式轨道、梯形轨枕轨道、减振垫浮置板轨道等。

与混凝土桥不同，对大跨度钢桥而言，轨道结构除要求具有基本的安全性、可靠性、平稳性之外，还应满足以下5方面的特殊技术要求：

1）要求轨道结构高度尽量低、自重尽量轻，以尽量降低桥梁恒载，减少缆索及桥梁构件综合造价。

2）要求桥面与轨道之间的联结有效可靠，以确保线路的安全和稳定。

3）要求轨道具有良好的减振性能，一方面减少列车运行产生振动对桥梁结构的损害并避免引起轨旁附属设施如电缆托架等的松动，另一方面降低钢桥的二次结构噪声对车内乘客及沿线环境产生的不利影响。

4）要求轨道具有良好的变形适应能力及调整能力，以适应大跨度钢桥较大的垂向及横向动态变形、梁端伸缩量、转角以及运营期间的各种变形。

5）要求轨道结构自身方便维修更换，同时也不影响桥梁结构的检查、维修作业。

2　大跨度钢桥既有轨道结构形式

2.1碎石道床

碎石道床是钢桥面上较常用的一种轨道结构，即在桥面铺设一层钢筋混凝土层，其上铺设碎石道床（图1）。武汉天兴洲长江大桥、重庆至利川铁路涪陵韩家沱长江大桥、南京大胜关长江大桥及沪汉蓉高铁等桥，都采用碎石道床。

图1　钢桥上的碎石道床

碎石道床具有一定的减振降噪效果，工程造价较低，施工、养护维修等方面经验成熟，轨道几何状态调整方便，但碎石道床自重较大（约50.4kN/m·线），轨道结构高度较大，桥面被道砟覆盖，桥面系检查和维修困难。

2.2混凝土板式无砟轨道

混凝土板式轨道即在钢桥面（或明桥面）铺设，采用螺栓将预制轨道板与桥梁联结，为保证铺设精度，在轨道板下设可调整的垫层（图2）。板式轨道在铁路钢桥上应用也有较多的工程实例，如香港青马大桥、德国克尔莱茵桥（131.12m+107.28m连续钢桁桥）、俄罗斯圣彼得堡桥、中俄铁路同江特大桥主桥（钢桁架）等均采用了板式轨道。

轨道板为预制混凝土板，施工、养护维修、轨道几何状态调整方便，但自重较大（约33.4kN/m·线），混凝土结构板容易产生裂缝而影响结构耐久性。

2.3明桥面木枕（合成轨枕）轨道结构

我国在钢桁梁明桥面上主要使用木枕（图3），少部分城市轨道交通钢桁梁明桥面上采用合成轨枕。合成轨枕是以一种高分子材料为主要成分，通过成型板压缩粘接制造而成的轨枕。

图2　同江特大混凝土桥板式轨道（单位：mm）

图3　明桥面木枕轨道结构

明桥面木枕（或合成轨枕）轨道结构简单，造价较低，轨道自重小（约4.5kN/m·线），轨道几何状态主要通过扣件调整。木枕（合成轨枕）为单枕式结构，轨枕与钢桥纵横梁通过螺栓联结，结构整体性较差，施工、养护维修工作量大。经考察发现，我国下承式钢梁桥上铺设木枕破损严重，更换周期短，养护维修代价高。合成轨枕在防腐蚀性和耐久性方面优于木枕。

3　合成板式轨道结构

合成板式轨道主要材料和制造工艺与合成轨枕类似，是利用硬质聚氨酯树脂、玻璃增强纤维等高分子材料加工制作而成的替代混凝土的一种新型无砟轨道结构。它结合了弹性材料和混凝土的优点，拓宽了轨道材料的选用范围。合成板式轨道有众多优点：如结构强度高、弹性柔韧及抗裂性能好，能减轻振动和噪声；防腐蚀性和耐久性好，能保持50年以上的长期稳定性；自重轻（合成道床自重约5.6kN/m·线），约为同类型混凝土板式结构重量的1/3，减少桥梁的二期恒载；轨道结构高度明显降低（可降到500mm左右）；合成板式轨道应用范围广，耐高温和严寒，可在环境温度为-45～70℃的环境下应用；合成板式轨道为预制结构，可工厂化生产，制作工期短，现场安装施工容易；合成轨道板结构加强了轨道结构的整体性，养护维修方便。

合成轨道板与混凝土板相比，材料强度限值有了很大的提高，沿纤维方向的抗拉强度能达到100MPa，其它方向的抗拉强度也能达到15MPa。

合成板式轨道（图4）主要由钢轨、弹性扣件、合成轨道板、树脂砂浆调整层和连接装置等部分组成。

图4　合成板式轨道结构

轨道板与桥面系间设置树脂砂浆调整层，作为施工误差调整层，同时结构填充层起到支持轨道结构的作用。根据下部支承方式不同，可分为全支承、条状支承等。轨道板设置连接螺栓与桥面相联结，限制轨道的纵横向位移。

4　合成板式轨道计算分析

4.1计算参数及模型

合成板式轨道计算参数见表1。

表1　轨道结构参数

合成板式轨道的支承方式按全支承考虑，支承刚度为1000MPa/m，列车荷载按单个轮载170kN，单轴双轮加载。

计算模型采用实体模型，即钢轨看做梁单元，扣件采用离散弹簧模拟，轨道板采用实体单元模拟，轨道板与桥梁之间的支承作用通过弹簧单元模拟实现。为消除边界的影响，模型选取3块轨道板长度，以中间位置轨道板为研究对象。

为评价合成轨道板的结构受力特点，保持其他参数不变，对比混凝土轨道板（C60混凝土预制板），对两种计算结果对比分析。

4.2计算结果

列车荷载作用下的轨道板结构的受力如表2所示。

根据表2可知，合成轨道板在列车荷载作用下板底纵向拉应力约为混凝土轨道板的66%，板底横向拉应力约为混凝土轨道板的82%，板底拉应力降低较为明显；板顶纵向压应力和板顶横向压应力分别约为混凝土轨道板的91%和94%，板顶应力变化不大。合成轨道板受到的纵横向应力明显小于混凝土轨道板。

5　结论

合成板式轨道是一种新型轨道结构形式，具有结构强度高、柔韧好，能减轻振动和噪声等优点，在大跨度钢桥上应用优势明显，有一定的发展前景。

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AbstractCompared with concrete bridge，long span steel bridge has higher requirement for track structure.T rack structure may adopt ballast bed，slab ballastless track or wood sleeper.T hese track structures have their own advantage and disadvantages.As a new type of track structure，composite slab track outweighs other types when being applied to long span bridge，due to its high structural strength and elasticity.Also，it may reduce vibration and noise，and is easier for produce and construction.In this paper，advantages and disadvantages of existed track structures were introduced.T he design of composite track slab was proposed.

Research on Track Design Plan for Long Span Steel Bridge

GAO Zengzeng
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Tianjin 300142，China）

Steel bridge；Ballastless track；Composite slab track；Structure plan；Stress calculation

U443.31+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.28

1003-1995（2016）04-0111-03

（责任审编孟庆伶）

2015-12-21；

2016-02-16

高增增（1981—），男，工程师，硕士。