钢桁梁明桥面板式无砟轨道用扣件研究

李秋义方杭玮李子睿

1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，武汉 430063；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

广州南沙港铁路主要承担西南、中南地区进出口外贸集装箱疏运任务，对于建设以南沙港为核心的陆海联运大通道具有重大意义。该铁路跨洪奇沥水道特大桥的主桥为跨径（138+360+360+138）m钢桁梁桥（图1），采用明桥面结构，铺设板式无砟轨道［1］。与传统的明桥面木枕、复合材料轨枕相比，该轨道可以延长使用寿命，减少养护维修量，符合低碳环保要求。无砟轨道的弹性几乎完全来自扣件，几何精度也全靠扣件来保持和调整［2-4］。在大跨度钢桁梁桥明桥面铺设无砟轨道的关键技术是解决扣件的弹性、调整能力和小阻力问题。

图1 跨洪奇沥水道钢桁梁桥

常用的木枕K型分开式扣件和复合材料轨枕MQ-1型扣件的弹性、调整能力均较差，无法提供小阻力，道钉容易松动变形，安装维修不便，故不适用于板式无砟轨道［5］。本文研究了钢桁梁明桥面板式无砟轨道结构用扣件，并通过各种性能试验和现场铺设，验证其适用性和可靠性。

1 扣件设计

1.1 设计要求

与钢桁梁明桥面板式无砟轨道结构配套的扣件须满足：①扣件适用于客货共线铁路明桥面上曲线半径不小于600 m地段、铺设板式无砟轨道地段；②适用50、60 kg/m钢轨；③扣件采用无挡肩、弹性分开式结构；④明桥面无砟轨道刚度较大，扣件系统应具有足够弹性；⑤明桥面无砟轨道几何形位调整困难，扣件应具有较大的钢轨几何形位调整能力；⑥为减少大跨度钢桥梁轨相互作用，扣件应具有小阻力功能。根据该六项要求设计了MQ-2型扣件。

1.2 扣件组成及特点

MQ-2型扣件（图2）由弹条、T形螺栓、螺母、平垫圈、轨距块、铁垫板、轨下垫板、缓冲垫板、螺旋道钉、重型弹簧垫圈、预埋套管等部件组成。

图2 MQ-2型扣件结构

MQ-2型扣件的特点：①扣件与轨道板采用螺旋道钉和预埋套管连接。为防止螺旋道钉在使用过程中松动，在螺旋道钉与铁垫板间加装重型弹簧垫圈。②由轨下垫板提供弹性，并实现钢轨高低调整。③通过更换不同类型的弹条、轨距块和轨下垫板，可实现常阻力、小阻力和超小阻力三种纵向阻力，满足不同工况无缝线路设计需求。④由不同厚度的轨下调高垫板和绝缘缓冲垫板来调整钢轨高低。

1.3 扣件设计参数

①常阻力、小阻力、超小阻力三种扣件的钢轨纵向阻力设计值分别大于等于9.0、4.0、2.5 kN；②参考轨道刚度及扣件垫板刚度的相关研究成果［6-11］，结合MQ-2型扣件运营条件，确定轨下垫板静刚度为（100±10）kN/mm；③预埋套管抗拔力不小于60 kN；④两股钢轨间绝缘电阻不小于5 kΩ；⑤轨距调整量为-8~+8 mm，钢轨高低调整量为-4~+20 mm。

1.4 轨距调整

采用不同号码的轨距块调整钢轨左右位置，可实现轨距调整。轨距块分为7、9、11、13和15五种号码。轨距块配置见表1。

表1 轨距块配置

1.5 钢轨高低调整

为满足钢轨高低调整，需采用不同厚度的轨下调高垫板和铁垫板下缓冲垫板。轨下调高垫板厚度分别为1、2、5、8、10 mm。具体配置见表2。

表2 轨下调高垫板和铁垫板下缓冲垫板配置mm

2 轨下垫板性能试验

轨下垫板性能试验包括静刚度试验、动刚度试验和疲劳试验。轨下垫板动静刚度比根据动、静刚度试验结果计算。轨下垫板静刚度疲劳试验前测试一次，经300万次荷载循环后再次测试，计算出轨下垫板静刚度变化率。

2.1 轨下垫板静刚度、动刚度试验

根据TB/T 3395.1—2015《高速铁路扣件 第1部分：通用技术条件》附录A和附录B，最大加载100 kN，起始、终止荷载分别为20、80 kN。试验结果见表3。设计要求轨下垫板静刚度在（100±10）kN/mm，动静刚度比不大于1.5。可见，轨下垫板静刚度和动静刚度比均满足设计要求。

表3 轨下垫板静刚度试验结果

2.2 轨下垫板疲劳试验

根据TB/T 3395.1—2015附录C，循环荷载为20~130 kN。轨下垫板疲劳试验结果见表4。可知：300万次疲劳试验前后轨下垫板静刚度变化率最大值为3.2%，满足不超过20%的规范要求。

表4 轨下垫板疲劳试验结果

3 扣件组装疲劳性能试验

按照TB/T 3396.4—2015《高速铁路扣件系统试验方法第4部分：组装疲劳性能试验》，垂向荷载为75 kN、横向荷载为40 kN，试验用60 kg/m钢轨高度由176 mm截至130 mm。三种阻力扣件分别在标准安装状态下经300万次荷载循环，试验结果见表5。扣件各零部件均无伤损。轨距变化量最大值为2.5 mm，小于规范限值6.0 mm；组装静刚度变化率最大值为7%，满足不大于25%的规范要求。

表5 扣件组装疲劳性能试验结果

4 扣件其他性能试验

4.1 钢轨纵向阻力试验

按照TB/T 3396.1—2015《高速铁路扣件系统试验方法第1部分：钢轨纵向阻力的测定》进行试验，常阻力、小阻力、超小阻力扣件的钢轨纵向阻力试验结果见表6。可知，三种类型扣件的钢轨纵向阻力均满足设计要求。

表6 钢轨纵向阻力试验结果 kN

4.2 预埋套管抗拔力试验

按照TB/T 3396.7—2015《高速铁路扣件系统试验方法第7部分：预埋件抗拔力试验》进行试验。加载速率50 kN/min，上拔力加至60 kN，保载3 min后卸载。预埋套管未被拔出，且在套管周围未见裂纹或砂浆剥离，满足设计要求。

4.3 绝缘性能试验

按TB/T 3396.5—2015《高速铁路扣件系统试验方法第5部分：绝缘电阻的测定》进行试验。测得两轨间绝缘电阻为16.7 kΩ，满足不小于5 kΩ的设计要求。

5 应用效果

南沙港铁路跨洪奇沥水道特大桥采用板式无砟轨道和MQ-2型扣件（图3），这是国内在大跨度钢桁梁桥上首次尝试。2021年12月南沙港铁路开通运营，已完成2.1万个标准集装箱运输，列车通过跨洪奇沥水道特大桥时安全、平稳，轨道几何形位良好，扣件结构稳定可靠。

图3 板式无砟轨道和MQ-2型扣件

6 结论

本文开展了钢桁梁明桥面板式无砟轨道用MQ-2型扣件室内试验。主要结论如下：

1）轨下垫板静刚度测试值在101.3~103.9 kN/mm，动静刚度比最大值为1.4，300万次疲劳试验前后轨下垫板静刚度变化率最大值为3.2%，均满足设计和规范要求。

2）经300万次扣件组装疲劳性能试验，各零部件均无伤损，轨距变化量最大值为2.5 mm，扣件组装静刚度变化率最大值为7%，满足规范要求。

3）通过更换不同类型的弹条、轨距块和轨下垫板，可实现常阻力、小阻力和超小阻力三种纵向阻力，满足不同工况无缝线路设计需求。

4）常阻力、小阻力、超小阻力扣件的钢轨纵向阻力平均值分别为12.5、3.4、2.3 kN，预埋套管抗拔力为60 kN，绝缘电阻值为16.7 kΩ，均满足设计要求。

MQ-2型扣件已在广州南沙港铁路跨洪奇沥水道特大桥上应用，该铁路自开通以来运营效果良好。