无砟轨道梁端钢轨超限支承间距处理措施

客运专线桥梁比例通常较高，长联、大跨等特殊结构桥梁使用较为广泛。特殊结构桥梁由于梁体的温度伸缩、混凝土收缩、徐变等原因引起桥梁梁缝变化量过大，造成梁端处钢轨支承间距超限。列车通过较大的钢轨支承间距处时，在相邻钢轨支承点中部引起较大的垂向、横向位移，形成短波不平顺，加剧列车动力冲击，导致旅客舒适度降低，以及轨道结构和部件使用寿命缩短，甚至危及行车安全。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

1 造成梁端钢轨支承间距增大的原因

梁端钢轨支承间距增大的原因一般有以下几种:

1) 简支梁在直线、曲线上均为直线梁，曲线上内侧为标准梁缝，外侧梁缝增大。简支梁与简支梁间或简支梁与临近连续梁的梁缝都存在曲线外侧梁缝增大。如半径7 000 m 曲线上32 m 简支梁，曲线内侧梁缝最小为标准值100 mm，曲线外侧线路外轨处梁缝为143 mm，扣件节点间距由标准的621 mm ～ 664 mm，增加43 mm。2) 混凝土连续梁收缩、徐变引起梁缝增大。3) 温度变化引起的桥梁缩短。4) 列车制动或加速引起的梁缝变化。5) 桥梁施工误差，导致实际梁缝大于设计梁缝。梁缝最大值为设计梁缝与温度变化、收缩、徐变、制动或加速等可能引起的梁缝增加量之和。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

2 超限钢轨支承间距处理措施

为解决钢轨超限支承间距问题，工程设计人员主要提出采用梁端道床板悬出、设置抬枕装置和跨梁缝短梁等措施。其中梁端道床板悬出适用于梁缝较小的情况，其余两种则是针对梁缝较大的情况设计的，梁缝越大对梁端钢轨的支撑越不利。本节对梁端道床板设计方案进行简要介绍，主要对两种适用于大梁缝的设计方案进行研究。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

1) 梁端道床板悬出。一般情况下，梁缝处道床板需设置伸缩缝，道床板边缘与梁端对齐设置。当梁缝处道床板( 轨道板) 钢轨支承间距超出限值时，可将道床板悬出梁端一定长度，以减小跨越梁缝处的钢轨支承间距( 见图1) 。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

道床板( 轨道板) 悬出梁端，需要根据无砟轨道施工时机，确定桥梁结构剩余的收缩、徐变量，进而确定悬出量，必须保证温度升高时，伸缩缝不顶严。因此，道床板( 轨道板) 悬出梁端的距离不能过大，适用于支承间距超限较小的情况。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

图1 道床板（轨道板）悬出示意图

长大连续梁一侧道床悬出梁端的最大值一般不大于60 mm;简支梁一侧道床悬出梁端一般宜为20 mm ～ 30 mm。哈大客运专线大跨度连续梁梁缝采用轨道板悬出梁端设计措施，钢轨支承间距满足设计要求，施工便捷、简单，应用情况良好。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

2) 抬枕装置。梁端抬枕装置的设计思路为在梁端钢轨支承间距超限处，加入额外的轨枕( 增加钢轨支点) ，使额外轨枕两侧的钢轨支承间距都能小于限值要求; 同时，加入轨枕持中装置，使两侧钢轨支承间距对称，轨枕居中，刚度均匀( 见图2) 。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

钢轨外侧增设两根钢纵梁，沿线路纵向，梁缝一侧采用固定式扣压块与轨枕连接，梁缝另一侧采用滑动式扣压块与轨枕连接。其工作原理为桥梁伸缩时纵梁在固定扣压块一侧与道床板没有相对位移，滑动式扣压块一侧两者之间发生纵向滑移。连杆设备两端与埋在混凝土道床内的轨枕连接，中心与钢枕连接，可使钢枕在桥梁伸缩时始终处于梁缝中间，保证钢枕前后支承间距相等。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

抬枕装置由于在钢轨支承间距超限处增加了钢轨支点，同时通过连杆设备保证轨枕间距均匀，适用于钢轨支承间距超限较大的情况。一般梁端单枕支承抬枕装置适用范围为梁缝两侧钢轨支承间距750 mm ～ 1 300 mm。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

为分析梁缝处设置抬枕装置方案的可靠性，本文针对钢轨支撑间距达到1 300 mm 的情况，基于有限元分析方法建立了抬枕装置有限元模型，对轮载作用下钢纵梁、钢轨及扣件的受力及变形特性进行了模拟分析。具体如下:󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

1) 计算模型。

本文建立的梁缝处抬枕装置有限元模型如图3 所示。其中道床板采用实体单元模拟; 钢轨、钢纵梁及轨枕采用等截面梁单元模拟; 扣件和纵梁扣压件采用线性弹簧单元模拟。板上扣件间距为625 mm; 伸缩缝处扣件间距为650 mm; 伸缩缝宽度1 300 mm。抬枕装置扣件位置编号见图4。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

图3 抬枕装置有限元分析模型图

图4 抬枕装置扣件位置编号

2) 检算指标。

检算指标包括钢轨、钢枕、钢纵梁的强度及变形以及扣件上拔力、扣件垫板的压缩变形量。a． 钢枕、钢纵梁强度检算。在列车荷载作用下，钢枕、钢纵梁的最大拉、压应力要小于所用钢材的容许强度235 MPa。b． 扣件上拔力检算。钢轨对扣件上拔力应小于扣件扣压力12 kN。c． 扣件垫板压缩变形检算。由于胶垫压缩变形过大将影响胶垫的疲劳寿命，所以限定胶垫变形不能超过自身厚度的20%，WJ-7B 型扣件弹性垫板厚度10 mm，胶垫变形应小于2 mm。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

3) 计算参数。

钢轨采用60 kg /m 钢轨; 道床板采用C40 混凝土; 道床板上选取WJ-7 型扣件，钢枕上选取超小阻力扣件; 钢枕和钢纵梁采用Q235 钢。计算参数如表1，表2 所示。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

表1 材料参数表

取设计轴重20t，动荷系数取3.0，采用单轴加载，将两个车轮的作用力简化为两个竖向集中力，作用在梁缝中部截面钢轨上。

4) 计算结果。

由表3，表4 可以看出: 钢轨的最大位移为1.56 mm，钢枕的最大位移为0.76 mm，钢纵梁的最大位移为0.16 mm，扣件最大上拔力为3.5 kN，最大下压力为56.67 kN。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

表3 位移及弯矩计算结果汇总表

表4 扣件反力计算结果汇总表

表2 结构尺寸表

根据WJ-7B 扣件节点静刚度为35 kN/mm，并考虑静动刚度比为1.3，扣件节点动刚度取50 kN/mm，可计算得出对应扣件最大扣压力的胶垫最大压缩变形量为1.13 mm。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

$$钢枕的最大弯矩:M_{max1}=31.263 kN\cdot m\\\sigma _{max1}=\frac{M_{max1}}{W_x}=58.87MPa\\钢纵梁最大弯矩:M_{max2}=21.287 kN\cdot m\\\sigma _{max2}=\frac{M_{max2}}{W_2}=48.05MPa$$󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

钢枕、钢纵梁应力均小于材料强度; 钢轨竖向位移、扣件反力及扣件垫板最大压缩量均满足要求，且具有一定的安全储备。

根据以上分析可知，抬枕装置可以有效解决大梁缝处超限钢轨支承间距问题。

跨梁缝短梁:

跨梁缝短梁是利用道床板跨越梁缝，下部设置混凝土底座。短梁一端设置固定端传力键，另一端设置活动端纵肋结构，将荷载传递给底座，同时实现道床板的限位。滑动端一侧设置不锈钢摩擦副或不锈钢板与高密度聚乙烯板滑动副，以保证垫梁与底座之间能够相对滑动( 见图5，图6) 。其优点是垫梁与底座完全接触，道床板满支承，基本不承受弯矩，结构稳定、可靠。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

图5 跨梁缝短梁示意图

图6 跨梁缝短梁结构图

为研究跨梁缝短梁的可行性，本文基于有限元方法，建立了“梁—板—板”实体有限元分析模型，对跨梁缝短梁在列车荷载、温度荷载、梁端转角等作用下的受力变形特性进行了研究分析。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

1) 计算模型。

本文所建立的有限元模型如图7 所示。

图7 跨梁缝短梁有限元分析模型

钢轨以梁单元模拟，扣件以弹簧单元模拟，短梁、底座采用壳单元模拟，桥梁以实体单元模拟。

2) 计算参数。

设计动轮载取300 kN，考虑垂向温度的影响，温度梯度取45 ℃ /m。

当梁体结构发生梁端竖向转角时，对垫梁的受力状态是不利的。依据桥梁与桥梁间的相对转角限值为2‰ rad 进行计算。梁端转角示意图见图8。

图8 梁端转角示意图

梁缝伸长时，垫梁悬空的长度更大，对垫梁受力不利。按梁缝最大伸长量为0. 6 m，即梁缝宽度0.9 m 进行计算。相关计算参数如表5 所示。

表5 计算参数表

3) 计算结果。

计算结果汇总表见表6。

表6 计算结果汇总表

矩值见表7。根据表7 可以看出: 垫梁的最大等效应力4.52 MPa，小于混凝土轴心抗压强度标准值fck = 26.8 MPa，满足设计要求。

表7 最不利荷载组合情况下短梁弯矩值

研究表明: 跨梁缝短梁设计方案能够满足现场需求。

3 结语

综合上述研究结果，本文得出的主要结论及建议如下:

1) 针对大跨连续梁梁缝处超限支承间距推荐采用梁端道床板悬出、梁端抬枕装置和跨梁缝短梁处理措施。

2) 梁端道床板悬出，处理措施简单，结构稳定，强度高，但仅限于支承间距超出限值较小时采用。

3) 梁端抬枕装置，通过连杆机构可使钢轨支承点均匀分布，整体结构刚度较好，平顺度高，可以有效消除梁端转角等位移对上部结构的影响，可以用于支承间距超出限值较大的情况。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

4) 跨梁缝短梁采用混凝土结构，结构与区间轨道结构基本一致，整体性好。但跨梁缝短梁处桥梁结构伸缩频繁，对短梁与下部结构间的滑动性能要求高，同时对现场施工要求较高，如现场环境恶劣，不建议采用该设计方案。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹

文章来源：

【作者】 于鹏；

【作者】 于鹏； 中铁一勘测设计院集团有限公司；

【机构】 中铁第一勘察设计院集团有限公司；

【原文名称】客运专线无砟轨道梁端钢轨超限支承间距处理措施

【文献出处】 山西建筑 ，2014年18期