武廣高速鐵路大跨度無軌道設(shè)計

武廣高速鐵路大跨度無軌道設(shè)計

吳光高速鐵路全長350公里，全長1068.6公里。除武漢站和廣州南站的兩條軌道外，其他道路都沒有軌道結(jié)構(gòu)。全線大中橋679座,橋梁比例占全線44%,其橋梁的主要特點是橋梁比例大、高架橋、大跨度橋梁多,主跨超過60m的特大橋梁有25座,主跨超過100m的特大橋梁有15座。武廣高速鐵路實現(xiàn)了在最大跨度為168m的連續(xù)剛構(gòu)橋、主跨為140m的鋼箱系桿拱橋、高速道岔區(qū)特別是50號道岔區(qū)、橋上道岔區(qū)、無縫線路溫度跨度超過200m的衡陽和株洲湘江特大橋上的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)等均鋪設(shè)了無砟軌道結(jié)構(gòu),解決了無砟軌道跨越大梁縫、梁端扣件和道床板穩(wěn)定性、橋上道岔區(qū)和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)鋪設(shè)無砟軌道等關(guān)鍵技術(shù)難題。對武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道的若干關(guān)鍵問題進行探討。1梁縫處溫度膨脹變形無砟軌道的扣件間距一般為600～650mm,但由于橋梁處于線路平面小半徑曲線地段,或大跨度橋梁的溫度伸縮變形量比較大,或大跨度橋梁考慮人進梁體內(nèi)檢查等因素,導(dǎo)致梁縫處兩相鄰扣件間距按照一般設(shè)計超過650mm。武廣高速鐵路采用放大梁縫處單個扣件間距和設(shè)置梁端過渡板的方式,解決無砟軌道跨越大梁縫的難題,1.1出梁端部防范武廣高速鐵路對于扣件間距超過650mm,但不是很大的情況下,無砟軌道跨越大梁縫采用放大梁縫處單個扣件間距至725mm。當(dāng)梁縫大于250mm時,采用底座懸出梁端適當(dāng)長度,但應(yīng)滿足梁端位置距其第一組扣件的距離至少在225mm以上,從而確保道床板端部結(jié)構(gòu)的受力和耐久性滿足要求。梁縫處單個扣件最大間距應(yīng)通過對所在地區(qū)的溫度和列車等荷載作用下鋼軌強度、鋼軌豎向變形、鋼軌斷縫時的彈性擠開量、梁端轉(zhuǎn)角引起扣件上拔力等進行計算和研究確定。1.2梁端過渡板結(jié)構(gòu)武廣高速鐵路最大梁縫達到近400mm,同時還有很多復(fù)雜梁縫的情況,為了使梁縫處無砟軌道結(jié)構(gòu)滿足要求,當(dāng)采用放大梁縫處單個扣件間距至725mm還不能滿足要求時,武廣高速鐵路采用梁端設(shè)置過渡板的方式。梁端過渡板的設(shè)計如圖1所示。武廣高速鐵路在東湖特大橋、汀泗河特大橋、胡家灣特大橋、梁家灣特大橋等設(shè)置了梁端過渡板結(jié)構(gòu),確保了列車通過大梁縫地段的安全性、穩(wěn)定性和平順性(圖2)。梁端過渡板結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、過渡板、限位板、過渡板支座、橫向限位器等部分組成,其中過渡板和限位板為其核心組成部分。過渡板底面設(shè)板式支座,端部設(shè)限位結(jié)構(gòu),梁端過渡板和限位板采用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑而成。限位板與橋梁采用鋼筋連接,并在限位板上設(shè)置限位裝置,從而確保橫向穩(wěn)定性。2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車運行的安全性,大跨度橋梁上無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要應(yīng)考慮梁端扣件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和道床板(軌道板)的穩(wěn)定性。2.1扣件上拔力影響因素橋上鋼軌扣件由于橋梁變形和梁端轉(zhuǎn)角等因素的影響,梁端的幾組扣件受到上拔力,當(dāng)上拔力大于扣件彈條扣壓力時,扣件將失去穩(wěn)定性,嚴(yán)重情況下扣件將被彈出,危及列車運行的安全。見圖3?？奂习瘟Φ挠绊懸蛩厝绫?所示,其主要影響因素為梁端轉(zhuǎn)角、同一橋墩上兩支座的沉降變形差和列車輪載作用等。圖4、圖5分別為不同梁端轉(zhuǎn)角和同一橋墩支座的沉降差對扣件系統(tǒng)受力的影響。從圖中的計算結(jié)果可以看出,梁端轉(zhuǎn)角和錯臺對梁端第1組和第2組扣件的上拔力影響最大。武廣高速鐵路通過計算分析,在連續(xù)梁或大跨度橋梁與相鄰簡支梁的梁端第1組扣件的上拔力可能會超過扣件系統(tǒng)的抗拔力,因此均更換為具有更大抗拔力扣件。2.2道床板與眼底剝離武廣高速鐵路無砟軌道道床板與底座為分離式層狀結(jié)構(gòu),當(dāng)梁端扣件上拔力較大時,會引起道床板上抬,嚴(yán)重情況下可使道床板與底座脫離,影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以大跨度橋梁上鋪設(shè)無砟軌道應(yīng)對道床板的穩(wěn)定性進行分析。武廣高速鐵路對道床板的穩(wěn)定性計算分析,采用剛性基礎(chǔ)上的半無限長梁法,如圖6所示,設(shè)梁在扣件上拔力P作用下的變形在彈性范圍內(nèi)發(fā)生純彎曲,則剛性基礎(chǔ)上長梁上抬長度和抬起量可近似微分方程采用初參數(shù)法求得。3無軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大跨度橋梁在溫度荷載作用下,“梁-軌”伸縮位移較大,為避免“梁-軌”之間相對位移過大而破壞軌道和橋梁結(jié)構(gòu),橋上無縫線路需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,從而改善橋梁和軌道的運營狀態(tài)。武廣高速鐵路橋上鋪設(shè)無縫線路的溫度跨度通過計算分析,在滿足鋼軌強度和穩(wěn)定性時突破了200m,全線無砟軌道結(jié)構(gòu)地段僅在衡陽湘江特大橋和株洲西湘江特大橋上鋪設(shè)了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(圖7)。武廣高速鐵路橋上伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)采用軌枕埋入式結(jié)構(gòu)設(shè)計,其該區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與道岔區(qū)尖軌處相似,其無砟軌道結(jié)構(gòu)從上至下為:鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、扣件、長枕、道床板、道床板限位結(jié)構(gòu)、橋面保護層等組成。無砟軌道道床板采用分塊式設(shè)計,道床板與下部結(jié)構(gòu)間設(shè)置中間隔離層并采用凹凸槽方式限位。4橋上道岔區(qū)無軌道結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新在武廣高速鐵路建設(shè)過程中,我國研發(fā)了時速350km的高速道岔,并在道岔區(qū)均采用了無砟軌道結(jié)構(gòu),突破了在橋上道岔區(qū)鋪設(shè)無砟軌道的技術(shù)難題。武廣高速鐵路橋上道岔區(qū)采用了2種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式,即道岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道和道岔區(qū)板式無砟軌道。其道岔直線通過最高速度為350km/h,側(cè)向通過最高速度為80km/h。4.1道岔連接布置道岔與橋梁伸縮縫之間的最小距離直接影響道岔和橋梁的受力和變形,是橋上道岔區(qū)鋪設(shè)無砟軌道的一個關(guān)鍵控制指標(biāo)。武廣高速鐵路橋上道岔布置在一聯(lián)梁上,正線道岔全長范圍內(nèi)梁體采用連續(xù)結(jié)構(gòu),道岔始端和終端距離梁端不小于18m,如圖8所示。站線道岔在困難條件下,道岔連接部分可跨越梁縫,但應(yīng)滿足尖軌尖端、尖軌跟端、心軌尖端、心軌跟端距離梁縫不小于18m的要求。2聯(lián)鋪設(shè)無縫道岔的連續(xù)梁之間設(shè)置1孔以上簡支梁。4.2道床板軌道結(jié)構(gòu)武廣高速鐵路橋上共鋪設(shè)了6組道岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu),橋上道岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)如圖9所示。道岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu),在道岔鋼軌和軌枕進行精調(diào)和固定后,對道床板進行現(xiàn)場澆筑,其具有施工方便快捷、施工機具設(shè)備要求相對低等優(yōu)點。其軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件系統(tǒng)、岔枕、鋼筋混凝土道床板、橋面保護層、限位凹槽等部分組成。并在道床板頂面設(shè)置橫向排水坡,道床板內(nèi)的縱橫向鋼筋及縱向鋼筋間根據(jù)綜合接地和軌道電路絕緣要求設(shè)置焊接接頭或絕緣卡。橋上道床板下設(shè)置鋼筋混凝土保護層,每塊道床板設(shè)置4～6個限位凸臺,如圖10所示。道岔區(qū)道床板與保護層之間設(shè)置中間隔離層。4.3軌道結(jié)構(gòu)組成武廣高速鐵路在雷大橋特大橋上鋪設(shè)了2組道岔區(qū)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。橋上道岔區(qū)鋪設(shè)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)如圖11所示。道岔區(qū)板式無砟軌道結(jié)構(gòu),采用預(yù)制軌道板現(xiàn)場鋪設(shè),直接對軌道板進行精調(diào)和固定后,完成岔區(qū)無砟道床的施工,最后進行道岔鋼軌的鋪設(shè)和精調(diào)。其具有施工快、不受道岔鋼軌配送的制約等優(yōu)點,但對軌道板制造要求和鋪設(shè)精度要求比較高。其軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌及扣件系統(tǒng)、軌道板、砂漿墊層、底座板、滑動層、側(cè)向擋塊等部分組成。軌道板采用預(yù)制結(jié)構(gòu),鋪設(shè)軌道板時不需拼裝道岔,可解決道岔供貨不足與施工工期的矛盾。5大跨度橋上無軌道耦合動力學(xué)建模大跨度橋梁與中小跨度橋梁最顯著的區(qū)別是靜活載撓度大、梁端伸縮量大、梁端轉(zhuǎn)角也可能比較大,可能造成軌道的不平順,對行車產(chǎn)生影響。所以需對大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道進行軌道平順性分析。武廣高速鐵路對大跨度橋上無砟軌道,建立了“列車-無砟軌道-橋梁系統(tǒng)”耦合動力學(xué)仿真分析,其耦合動力學(xué)模型如圖12所示。采用計算機仿真分析,對列車在無砟軌道結(jié)構(gòu)上運行的安全性和舒適性進行評估,對橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進行分析。6跨梁端道岔區(qū)、下部結(jié)構(gòu)控制設(shè)計通過對武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用,已初步形成了我國高速鐵路大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論體系和設(shè)計方法,其主要成果如下。(1)梁縫處單個扣件間距可由600～650mm放寬至725mm進行控制設(shè)計。(2)當(dāng)采用放大梁縫處單個扣件間距還不能滿足要求時,可采用梁端設(shè)置過渡板的方式進行跨越大梁縫設(shè)計。(3)梁端轉(zhuǎn)角和同一橋墩上兩支座的沉降變形差是引起梁端扣件上拔力的主要原因,當(dāng)梁端扣件上拔力超限時,應(yīng)更換為具有更大抗拔力的扣件。(4)梁端道床板應(yīng)考慮扣件上拔力的影響,具有足夠長度和厚度