钢桁梁桥套轨线路板式无砟轨道结构技术应用

郭郦, 王会永

（中国铁路设计集团有限公司 线路站场枢纽设计研究院, 天津 300308）

1 概述

大跨度钢桁梁是现代铁路桥梁较常采用的结构型式, 具有结构简单、施工方便、承载能力强等突出优点, 广泛应用于铁路建设中。国内外铁路钢桁梁桥上常用的轨道结构有木枕明桥面、有砟、合成树脂枕及板式等轨道结构[1］, 以往我国主要采用钢桁梁顶面直接放置木桥枕的明桥面技术, 自20世纪90年代以来, 随着铁路几次大提速, 逐步开始在大跨度钢桁梁区段采用有砟轨道结构, 即道砟铺设在钢梁顶面设置的道砟槽板上。但由此加大了轨道上建高度和桥梁二期恒载, 引起主桥工程造价大幅增加, 同时采用有砟轨道结构也增加了运营期的工务养护维修工作。

研究对象是位于中俄两国交界处的首座跨越黑龙江的同江黑龙江铁路特大桥, 该桥在哈鱼岛处跨越黑龙江, 是中俄两国首座横跨黑龙江的过境桥梁, 大桥全长7 193.71 m, 在中方境内布置了16×109.5 m简支钢桁梁和1×145.5 m简支钢桁梁。线路设计为单线, 由于两国轨距不同[2-3］, 轨道采用套轨型式。同江黑龙江铁路特大桥是钢桁梁桥, 桥上铺设套轨线路板式无砟轨道（见图1）在国内外均属首次。

图1 钢桁梁桥套轨线路板式无砟轨道

2 轨道结构设计

钢桁梁桥上轨道采用四线套轨结构型式, 其中1 520 mm宽轨距线路在西侧, 1 435 mm标准轨距线路在东侧, 宽轨距线路与标准轨距线路中心距离为0.8 m。钢桁梁桥板式无砟轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、板下调整层和联接螺栓组成。无砟轨道采用60 kg/m钢轨、弹性不分开式扣件、厂制单向先张预应力轨道板, 板下调整层采用高聚物自充填混凝土, 轨道板与主纵梁通过高强螺栓连接[4-5］。钢桁梁桥板式无砟轨道结构横断面布置见图2。

图2 钢桁梁桥板式无砟轨道结构横断面布置图

2.1 主要结构尺寸

2.1.1 轨道板

（1）宽度。109.5 m钢梁两主纵梁中心横向宽度为3 m, 主纵梁翼缘板宽度为550 mm, 根据联接螺栓距离板侧面横向安全距离及宽轨、准轨轨距和两者中心距离, 轨道板宽度确定为4 m。

（2）长度。根据梁面布板和节段匹配的需求、施工运输便捷、轨道板质量、扣件间距配合等多方面因素确定轨道板长度。为方便运输、吊装、铺设及维修, 轨道板质量一般控制在7 t左右, 同时为提高轨道板与钢梁垂向变形的适应性, 轨道板沿线路纵向不宜过长, 长度宜控制在1.5~2.0 m。结合简支梁实际长度, 经布板设计, 确定轨道板长度为1 960 mm及1 570 mm两种。

（3）厚度。根据承载需求、桥面系匹配、结构构造等多方面因素确定轨道板厚度, 其中主要考虑承载需求。采用有限元仿真计算软件, 建立套轨线路轨道板力学有限元模型, 计算可知, 随着轨道板厚增大, 轨道板及板下调整层拉应力及位移呈递减趋势, 但应力水平总体较低, 不对轨道板厚起决定性影响。

由钢桁梁桥无砟轨道板自身受力特点决定, 轨道板需配置较大的横向预应力, 以抵抗弯矩, 预应力钢筋布置较多。在轨道板横向扣件预埋套管区域、联接螺栓预留孔区域均无法布置预应力钢筋；同时轨道板为部分预应力设计, 采用混合配筋, 板内钢筋层数较多, 如轨道板厚度过小, 将导致预应力钢筋净距较小。考虑轨道结构的受力情况, 兼顾严寒地区轨道结构的适应性及经济性, 结合轨道板内预应力及普通钢筋的构造要求, 轨道板厚度取值为300 mm。

基于以上计算分析, 确定钢桁梁桥上套轨线路轨道板结构尺寸（见表1、图3）。

图3 轨道板结构尺寸图

表1 钢桁梁桥套轨线路轨道板结构尺寸 mm

2.1.2 板下调整层

经计算可知, 板下调整层宽度及厚度的变化对轨道结构各部位应力变化影响不大。兼顾构造要求及工程经济因素, 板下调整层宽度与连接的主纵梁相同, 即109 m钢桁梁上板下调整层宽度取值为0.55 m, 145 m钢桁梁上板下调整层宽度取值为0.65 m；板下调整层厚度取值为120 mm。

2.2 限位结构

在轨道板内相邻扣件节点间外侧设置灌浆孔, 同时在灌浆孔内设置高强螺栓将轨道板与钢梁主纵梁翼板锚固连接, 通过对高强螺栓施加预紧力, 对轨道板进行限位约束（见图4）。

图4 轨道板与钢梁连接构造图

2.3 轨道板结构受力分析

轨道板宽度为4 m, 长度约为2 m, 置于钢桁梁主纵梁上, 横向为2点支承, 受力类似于梁结构, 沿线路方向较短[6］。轨道板设计为单向先张预应力结构, 横向设置预应力钢筋, 采用直径10 mm螺旋肋钢丝。

采用有限元仿真计算软件, 建立套轨线路轨道板的垂向受力分析模型。为消除边界条件影响, 模型建立5块轨道板进行计算, 并以中间板为主要研究对象。钢轨采用梁单元、轨道板采用壳单元建模, 扣件和板下调整层采用三向弹簧进行模拟, 钢轨两端采用对称约束, 对P1960及P1570两种板型分别分析。考虑列车、温度及轨道板自质量等荷载组合工况, 轴质量取值为23 t、动力系数取值为2.0, 轨道板温度梯度取值为45℃/m, 轨道板容重取值为25 kN/m3。计算得到轨道板设计弯矩, 经配筋设计, 并进行轨道板强度及裂纹宽度检算, 确定结构配筋。

以1 960 mm轨道板横向预应力钢筋为例, 轨道板横向设置8组直径10 mm螺旋肋预应力钢丝, 每组9根。

2.4 轨道板接口

（1）轨道板顶面设置与扣件匹配的承轨槽, 顶面横向设置1%“人”字形排水坡, 并设置标示。

（2）轨道板与钢梁之间设置调整垫层, 并通过抗滑移高强螺栓与钢桁梁的主纵梁连接；轨道板两侧设置螺栓预留长圆孔, 其纵向位于相邻两承轨台中间位置, 长圆孔同时作为板下调整层的灌浆孔。

（3）轨道板横向设置预埋起吊套管。

（4）考虑列车运行安全, 在轨道板横向中心位置设置护轨角钢, 轨道对应设置高度为80 mm的承台, 预埋连接螺栓套管。

3 板下调整层材料

目前我国板式无砟轨道采用的板下调整层材料主要有2类, 一是用于CRTSⅠ、Ⅱ型板式无砟轨道体系的水泥乳化沥青砂浆[7］, 二是用于CRTSⅢ型板式无砟轨道体系的自密实混凝土[8］。

同江黑龙江铁路特大桥地处严寒地区（该地区最冷月平均气温为-20.4℃）, 板下调整层宜采用混凝土类的无机材料, 不宜采用沥青砂浆为主的有机材料。同时考虑到调整层位于轨道板和钢桥顶面之间, 应适当提高混凝土与界面的黏结性能和降低混凝土的抗裂性能, 宜在自密实混凝土中添加适量聚合物, 以提高其黏结性能、抗冻性能以及抗氯离子渗透性能。

针对板下调整层隐蔽结构、高黏结和高耐久性的技术要求, 借鉴常规混凝土性能评价方法, 综合工作性能、力学性能、耐久性能, 研究确定板下调整层材料的各项性能指标要求。

（1）采用高聚物自充填混凝土, 并经大量试验, 系统研究聚合物种类、掺量及混凝土养护方式对材料性能的影响。

（2）采用有机硅渗透型防护材料, 对板下调整层表面进行防护, 提高混凝土抗渗性、抗冻性及耐久性。

4 轨道结构室内试验

为评价钢桁梁上套轨线路板式无砟轨道结构整体性能, 结合轨道板试制, 进行室内轨道结构整体组装工艺性试验, 系统开展轨道板静载抗裂、轨道结构组装疲劳、轨道板限位结构性能及室内模态特性试验研究, 得到以下结论：

（1）轨道板静载抗裂试验。以P1960型轨道板为例, 在横向加载150 kN、纵向加载35 kN条件下, 最大应力值分别为1.05 MPa和1.36 MPa, 均未超过C60混凝土的轴心抗拉强度设计值2.04 MPa。试验结果表明, 轨道板静载抗裂性能满足设计要求。

（2）轨道结构组装疲劳试验。疲劳荷载幅值为69~345 kN, 加载波形为正弦波, 频率为4 Hz。经2×106次疲劳循环后, 轨道板和板下调整层未发现裂缝, 疲劳试验前后轨距未发生改变, 连接螺栓无松弛、松脱现象, 轨道结构在整个疲劳试验过程中表现平稳。各部件在静载、动载下的应力值均未超过各自的设计强度；各部件位移、各层间相对位移均较小。

轨道板组装疲劳试验见图5, 试验结果表明, 轨道板抗疲劳性能良好, 轨道板在疲劳荷载下安全性、稳定性和耐久性得到验证。

图5 轨道板组装疲劳试验

（3）轨道板限位结构性能试验。加载-卸载过程中, 轨道板最大横向和纵向位移分别为0.178 mm和0.106 mm, 板下调整层最大横向和纵向位移分别为0.140 mm和0.084 mm, 钢梁最大横向和纵向位移分别为0.148 mm和0.094 mm。试验结果表明, 在纵、横向加载-卸载过程中, 层间相对位移均较小, 未发生突变, 轨道板限位结构的安全、可靠性得到验证。

（4）经室内模态特性试验测试, 组装结构的一阶自振频率约为60 Hz, 避开了桥梁和列车的固有频率, 不会引起结构共振。

5 轨道板制造工艺

在总结分析CRTSⅡ型轨道板“长线台座法”和CRTSⅢ型轨道板“台座法”的基础上, 结合套轨线路轨道板单向先张预应力结构特点, 确定采用1×5“长线台座法”制造工艺, 长线张拉台座见图6。

借鉴双向先张CRTSⅢ型轨道板工艺特点, 对套轨线路轨道板制造过程中初张拉的均匀性控制技术及效率、张拉方式、快速封锚技术等开展系列研究, 并对套轨线路轨道板生产工艺进行深入研究。

通过开展轨道板关键尺寸、保护层厚度、预埋套管抗拔性能、轨道板静载抗裂性能等试验研究, 表明套轨线路先张法预应力板式无砟轨道板综合性能满足结构设计要求。

6 结论及建议

通过系统开展钢桁梁桥套轨线路板式无砟轨道结构设计、板下调整层研发、室内试验验证和轨道板制造工艺设计等研究工作, 板式无砟轨道在同江黑龙江铁路特大桥成功铺设。

主要结论及建议如下：

（1）根据钢梁纵梁横向间距及构造要求、轨道板受力情况和轨道结构经济性等, 轨道板设置横向预应力, 推荐轨道板宽度为4.0 m, 厚度为0.3 m, 长度为1.96 m和1.57 m两种。

（2）考虑构造要求及工程经济因素, 板下调整层宽度与连接的主纵梁相同, 推荐厚度值为120 mm。

（3）通过室内无砟轨道结构整体组装工艺试验, 得知轨道板静载抗裂性能、抗疲劳性能、限位结构性能等均满足设计要求。

（4）建议采用1×5“长线台座法”生产制造轨道板。

（5）目前同江黑龙江铁路特大桥钢桁梁上套轨线路板式无砟轨道施工已完成3年多, 轨道结构各部位状态良好, 后期将对运营期无砟轨道结构的服役状态进行持续跟踪。

同江黑龙江铁路特大桥钢桁梁上套轨线路板式无砟轨道在国内为首次应用, 为我国钢桁梁桥轨道结构的采用形式提供了一种全新解决方案。目前, 钢桁梁桥板式无砟轨道结构已在其他工程项目中应用。