地铁桥上无缝线路设计检算及养护

地铁桥上无缝线路设计检算及养护

张虎虎

重庆轨道四号线建设运营有限公司  重庆市  400026

摘要 根据目前出现的桥上无缝线路缓冲区接头螺栓断裂、轨缝拉开的情况，通过对设计参数的核实，对预留轨缝、螺栓剪力及断缝安全性的检算，计算出极端天气下接头螺栓及钢轨应力情况，得到桥上无缝线路设计参数、安全性满足要求，但需做好轨缝、锁定轨温卡控、接头螺栓扭矩维护及应力放散工作的结论。

关键词 桥上无缝线路；小阻力扣件；接头轨缝；螺栓断裂；

无缝线路是由标准钢轨焊接而成的长钢轨线路，目前按照主要分为温度应力式和放散温度应力式。在地铁线路中，主要运用为温度应力式无缝线路。无缝线路由于消灭了大量钢轨接头，大大提升了线路设备质量、寿命，行车速度、舒适性及平稳性也得到增强，但是同样带来了维修方式及维修难度的变化，桥上无缝线路更是其关键所在。

1无缝线路概述

1.1无缝线路发展情况

二十世纪五十年代，由于焊接技术的发展，无缝线路开始大量出现。我国无缝线路1957年在京沪开始铺设，1961年开始在桥梁、隧道、大坡道等特殊地段试点，并取得成功。八十年代对无缝道岔和跨区间无缝线路进行试验研究，逐步完善设计理论。2001年在京沪线成功铺设249km跨区间无缝线路，后续其得到大面积应用推广，目前运营的地铁、铁路线路已基本全部实现无缝化。

1.2桥上无缝线路

无缝线路设计方法分为容许应力法和极限状态法，对于一般普通桥上无缝线路设计，二者检算结果基本一致。地铁桥上无缝线路设计时多采用容许应力法进行计算，以部件最大应力或变形不大于材料的容许应力或变形为准则。[1]

地铁桥梁多为中、小跨度桥梁，为减少桥梁与轮轨间的相互作用力，通常通过降低扣件纵向阻力的方法实现。但扣件阻力过低时，钢轨发生断裂后，容易形成较大断缝造成脱轨隐患，故对扣件阻力设计需进行严格检算。

小阻力扣件结构形式与普通扣件并无差别，主要是通过降低钢轨与胶垫间的摩擦力来实现，目前应用已较广泛。[3]相比与大阻力扣件，存在较多优势。一是降低了轮轨对桥梁的作用力，使桥梁在温差变化较大的情况下的安全性能得到提升。二是在动力荷载的作用下，扣件阻力呈现线性增长趋势，大阻力扣件动荷载作用下纵向阻力增加量远远大于小阻力扣件，不利于轮轨作用力的改善。三是减少了钢轨伸缩调节器的设置，地铁高架线路，在检算合格的情况下，可不设置钢轨伸缩调节器，降低了设备维护难度。

图1 扣件阻力与荷载作用关系

2养护维修存在的问题

桥上无缝线路因结构特点，在养护维修过程中出现了一些不同于普通无缝线路的问题。一是轨缝受轨温变化影响较大，在冬季和夏季钢轨位移量差别较大。二是冬季时轨缝拉开，接头螺栓受剪情况较多，容易发生剪切型断裂。三是一旦桥上钢轨发生断轨故障后，因扣件阻力较小，将导致断缝拉开较大，存在安全隐患。

针对这些问题，目前采取了相应的检修及加强措施。日常做好无缝线路位移、轨缝情况观测工作，在轨温变化较大的情况下，加强观测。夏季、冬季前，对联接零件、螺栓进行复紧，及时调整较大或过小轨缝。做好钢轨、焊缝探伤工作，做好前期施工应力放散工作，将断轨隐患消灭在萌芽状态。但对于不同的工况下具体轨缝、接头螺栓扭矩的保养维护标准是否满足设计要求；温差较大情况下，钢轨断缝是否满足安全要求；长大区间里程是否设置伸缩调节器等仍需进行检算。

图2 桥上轨缝及螺栓折断情况

3主要设计参数及检算

本次以某地铁某线高架60kg/m钢轨无缝线路为例，检算极端天气下钢轨轨缝、螺栓及断缝安全性。主要参数为桥上小阻力扣件纵向阻力p=7.2kN/组/轨=115.2N/cm，轨枕间距0.625m，接头螺栓型号M24，扭矩700-900kN.m,接头纵向阻力PH=340-460N，历史最高轨温Tmax=60.0℃，最低轨温Tmin=-10℃，设计锁定轨温Ts=25℃±5℃，缓冲区钢轨L=25m，钢轨断面面积F=77.45cm2。

3.1缓冲区预留轨缝计算

钢轨收缩时，钢轨最大拉应力为：

伸缩区钢轨缩短量为：

标准轨一端缩短量为：

当接头螺栓扭矩为700kN.m时，最大预留轨缝为：

钢轨膨胀时，钢轨最大压应力：

与拉应力相同，故最小预留轨缝为：

同理当接头螺栓扭矩为900kN.m时，最大预留轨缝为：

最小预留轨缝为：

故当接头螺栓扭矩为700kN.m时，轨缝需保持在10.2mm以下，才能满足螺栓极端情况下不受钢轨剪切力的要求，维修养护难度较大。

3.2螺栓受剪情况检算

最不利工况下，当接头螺栓完全松动情况时，伸缩区钢轨缩短量：

标准轨一端缩短量：

最大轨缝16+5.4=21.4mm＞18mm构造轨缝，接头螺栓受到剪切力。

计算此时单根螺栓可承受剪切力：

普通夹板极限状态下单侧为2根螺栓同时受力，，故螺栓同时折断2根。

3.3钢轨断缝安全性检算

断缝检算：

小于设计最大断缝70mm限值，满足安全性要求。

4建议改进措施

1.无缝线路接头螺栓扭矩目前实行标准为700-900kN.m，并应保持在700kN.m以上。但经检算发现，地铁桥上无缝线路因采取小阻力扣件，在极端天气下，700kN.m的扭矩并不能保证预留轨缝在18mm标准以内。在900kN.m时，10.9级螺栓检算合格，故建议桥上无缝线路缓冲轨接头螺栓扭矩维修标准提高为900-1100kN.m，并应保持在900kN.m以上。

2.全线采用跨区间无缝线路，减少钢轨接头，或在道岔与线路过渡位置采取冻结接头形式，也能避免该类问题。

5结论

1.地铁桥上小阻力扣件线路，接头螺栓扭矩应保持在900kN.m以上，气温变化较大时，及时检查复紧。

2.既有扭矩标准下，极寒天气时，接头轨缝应保持轨缝在10.2mm范围内；极热天气时，应保持轨缝在7.8mm以上。增加扣件纵向阻力有利于无缝线路稳定，但会增加轮轨与桥梁间相互作用力。

3.新线验收时做好锁定轨温卡控，当不满足设计要求时，及时进行应力放散、轨缝调整。

4.考虑日间温度均高于夜间温度，运营期间车辆荷载作用加大扣件纵向阻力，故螺栓折断更易于发生在夜间停运以后。

参考文献

[1] 尹银艳.铁路无缝线路极限状态法和容许应力法设计对比研究[J].铁道标准设计，2021，65（5）：1-6

[2] 蒋金州.我国客运专线桥上采用小阻力扣件的建议[J].铁道建筑，2007，11：90-93

[3] 莫宏愿.基于极限状态法的桥上无缝线路设计研究[J].山西建筑，2021，47（1）：146-148