第四章 轨道与桥梁伸缩缝设计.doc

第4章 轨道与桥梁伸缩缝方案初步探讨
4.1 桥梁伸缩缝
桥梁伸缩缝指的是为了满足前面变形的要求，通常在两梁与桥台之间或桥梁的铰接位置上设置伸缩缝。要求伸缩缝在平行、垂直于桥梁轴线的两个方向，均能自由伸缩，牢固可靠，车辆行驶时应平顺、无突跳与噪声；要能防止雨水和垃圾泥土渗入阻塞；安装、检查、养护、消除污物都要简易方便。在设置伸缩缝处，栏杆与桥面铺装都要断开。据翻阅资料，了解到重庆朝天门大桥设置有SSFB系列的伸缩缝。

SSFB系列伸缩缝

重庆朝天门大桥公路桥上的伸缩缝型号分别是SSFB160、SSFB240、SSFB640、SSFB960。有厂家制作伸缩缝的资料可以了解到
型号

伸缩量
u

缝数
n

间距
f
预留槽断面尺寸
行车道
钢筋位置
h
b
r
SSFB160
160
2
130
400
350
60
SSFB240
240
3
240
420
440
90
SSFB320
320
4
350
450
525
95
SSFB400
400
5
460
470
690
100
SSFB480
480
6
570
470
780
105
SSFB560
560
7
680
500
870
110
SSFB640
640
8
790
500
960
115
SSFB720
720
9
900
520
1050
120
SSFB800
800
10
1010
520
1140
125
通过上表可以查得，重庆朝天门大桥上的伸缩缝为较大尺寸的伸缩缝。SSBF达到1.6米左右的伸缩缝，最小处的伸缩也有130mm。通常这些较大的伸缩缝通过厂家制作一些伸缩缝通常是可以实现桥梁的平稳伸缩的。能够满足桥梁自由伸缩的变形要求。
4.1.1 桥梁伸缩缝的计算
影响伸缩装置伸缩量的基本因素
1.温度变化
温度变化是影响桥梁伸缩量的主要因素，它分为线性温度变化和非线性温度变化，其中线性温度变化对桥梁伸缩量影响占据主导地位。桥梁结构在外界特定温度环境，梁体内部温度分布不均匀，梁体端部在材料热性能的变化下产生角变位。对跨径小的桥梁（L≤8m），线膨胀系数很小，可不予考虑；对大跨径桥梁，设计时必须引起足够重视。一般设计时线膨胀系数可按下表数据参考选用：
温度变化范围及线膨胀系数
桥梁种类 温度变化范围 线膨胀系数
一般地区 寒冷地区
钢筋混凝土桥 5℃~+35℃ -15℃~+35℃ 10×10-6
钢桥 -10℃~+40℃ -20℃~+40℃ 12×10-6
组合钢桥 -10℃~+50℃ -20℃~+40℃ 12×10-6
2.混凝土的收缩和徐变
混凝土的收缩、徐变是混凝土构件本身所固有的属性，也是一种随机现象。混凝土的配合比、水灰比、塌落度、水泥品种、温度、相对湿度、混凝土的加载龄期、持荷时间和强度等对混凝土收缩、徐变影响很大。钢筋混凝土桥和预应力混凝土桥均需考虑其收缩和徐变。徐变量按梁在预应力作用下弹性变形乘以徐变系数ф=2求得；收缩量以温度下降20℃来换算。在安装伸缩逢时，收缩和徐变已经发展到一定程度，计算时应以安装时刻为基准，对混凝土收缩和徐变量加以折减。其折减系数β可参考下表选取：
收缩、徐变折减系数
龄期（月） 0.25 0.5 1 3 6 12 24
收缩、徐变折减系数β 0.8 0.7 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1
3.桥梁纵向坡度
纵坡桥梁中活动支座通常作成水平的，当支座位移时，伸缩缝不仅发生水平变位，而且发生垂直错位（Δd），其值等于水平位移值乘以纵坡tgθ。
4.斜桥、弯桥的变位
斜桥、弯桥在发生支承位移方向的变位（ΔL）时，沿桥端线和垂直于桥端线方向也发生变位，即：
Δd=ΔL·SINα ΔS=ΔL·COSα
式中，α ----倾斜角，ΔL ----伸缩量
5.各种荷载引起的桥梁饶度
桥梁在活载、恒载的作用下，端部发生角变位，使伸缩装置产生垂直、水平及角变位，如果梁体比较高，还会发生震动。
6.地震
地震对伸缩装置变位的影响较为复杂，目前还难以把握，设计时一般不予考虑，但有可靠的资料，能计算出地震对桥梁墩台的下沉、回转、水平移动及倾斜量时，设计时应给予考虑。
桥梁伸缩量的计算
1.温度变化引起的伸缩量
计算公式：ΔLt=（Tmax-Tmin）·α·L
ΔLt+=(Tmax-Tset)·α·L
ΔLt-=(Tset-Tmin)·α·L
式中：ΔLt-----温度变化的伸缩量；
ΔLt+ -----温度变化的伸长量；
ΔLt- -----温度变化的缩短量；
Tmax ------设计最高温度；
Tmin ------设计最低温度；
Tset ------安装温度；
α --------线膨胀系数；
L --------伸缩梁长度。
2.混凝土徐变及收缩引起的伸缩量
徐变引起的伸缩量公式：ΔLc=(бp/Ec) ·Ф·β·L
收缩引起的伸缩量公式：ΔLs=20×10-5 ·L·β
式中：ΔLc -----混凝土徐变的伸缩量；
ΔLs -----混凝土收缩引起的伸缩量；
σp -----预应力混凝土的平均轴应力；
Ec -----混凝土的弹性模量；
φ -----混凝土的徐变系数；
β -----混凝土收缩、徐变折减系数。
通过以上计算出桥梁的伸缩变形以确立最终伸缩缝进而进行最后的选型和制作。
4.2 轨道伸缩缝
类似桥梁伸缩缝。为了满足铁路钢轨的伸缩，保持保持其轨缝变化不致过大,以维持线路通顺，通常设置钢轨温度伸缩调节器。它通常用于无缝线路和某些铁路桥上，重庆朝天门大桥上的轨道交通上就设有轨道伸缩调节器，当铁路桥上部结构因连续长度较大，而使其活动端和相邻结构（邻跨或桥台）间的相对变位较大时，为使铺设在桥面的钢轨不妨碍上部结构在温度变化、活载（含双线桥的偏载作用）等作用下所发生的相对变位，同时也不使上部结构变位影响桥面线路的通顺，应在该处设置钢轨伸缩调节器。在桥梁计算相对变位中的纵向位移时，所采取的上部结构长度称温度跨度。其值的计算方法为：①简支梁，取其计算跨度；②连续梁，取相邻两联两个固定支座的水平距离，或一固定支座至桥台的距离。当温度跨度大于100米时,一般应设置钢轨伸缩调节器。
钢轨伸缩调节器按接缝处平面上的形式划分，现有双尖式、斜线型、折线型、曲线型等四种。双尖式一般仅适用于伸缩量很小处。斜线型和折线型是基本轨不动,尖轨伸缩,其缺点是伸缩时轨距有变化,对行车及养护不利。60年代，在中国这两种定型设计的伸缩量有300、600毫米两种。曲线型伸缩调节器的尖轨成圆弧(或复合曲线)状，基本轨不预先顶成曲线，而是在组装时由尖轨圆弧和按圆弧布置的基本轨轨撑，把基本轨顶弯成相应的曲线；当基本轨伸缩时，尖轨固定不动，因此轨距保持不变,基本轨和尖轨始终保持密贴(在尖轨刨切范围内),平顺性好，行车平稳。中国曾使用过伸缩量达1000毫米的这种调节器。在特大跨度铁路桥梁上，特别是在悬索桥上，除考虑结构伸缩给桥面带来的影响外，还应考虑结构的角变位影响。日本在本（州）四（国）联络桥上，为解决大跨度公铁两用悬索桥的这些变位而研制的钢轨变位补偿器，曾作过许多试验，尚待正式通车运营的考验。
钢轨温度伸缩调节器也就成为无缝线路和铁路桥上一种常用的伸缩调节设置，为轨道交通的发展起到了重要的作用。
4.3 三层自由伸缩体系方案
在铁路桥梁上铺设无缝线路,为了降低梁跨结构和钢轨之间的相互作用力, 往往采用小阻力扣件。在有碴桥上无缝线路采用小阻力扣件,在钢轨、轨枕及梁跨结构三者之间将产生较明显相对位移, 以往的计算模型没有考虑轨枕和钢轨相对位移的影响,与有碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路工况存在较大偏差。在吸收国内外研究成果的基础上,建立了一种能综合考虑钢轨、轨枕、梁体三者相互作用的有碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路附加力计算力学模型, 给出了算例, 对不同力学模型计算结果作了对比。计算结果表明, 新模型计算结果要小于既有模型,对于柔性墩台结构,差异尤其明显。不考虑轨枕位移,该模型也适用于无碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路附加力计算,相比有碴桥,小阻力扣件无碴桥上无缝线路附加力有较大幅度增加。
无缝线路是一项现代化铁路技术,具有良好的运营功能并可取得明显的经济效益。桥上铺设无缝线路可降低桥梁结构的振动与噪音, 提高列车运行的平稳性和安全性, 已在国内外铁路桥梁与城市轨道高架线路上得到广泛应用。桥上无缝线路按有无道碴可分为有碴轨道桥上无缝线路及无碴轨道桥上无缝线路, 两者各有优缺点。有碴轨道桥上无缝线路的优点是具有良好的弹性和抗振性, 结构简单, 便于维修, 造价低廉, 梁的上拱度可随时用道碴调整, 缺点是养护维修工作量大,对于城市轨道交通, 捣固作业引起的噪音还会影响居民休息。无碴轨道桥上无缝线路的优点是轨道建筑高度小, 自重轻, 整体性强, 能减少养护维修工作量, 缺点是整体道床刚度大, 弹性差, 混凝土梁的上拱度及桥墩基础的不均匀沉降, 容易使整体道床开裂, 同时轨道水平也难于保持, 需高质量的扣件提供
弹性及调整轨道几何尺寸的变化, 造价较高, 施工工艺复杂。目前, 有碴轨道结构在中国铁路桥梁上使用较普遍, 近年来虽研制了各种类型的无碴轨道结构,但铺设并不多。城市轨道高架线路由于建筑净空及养护维修方面的原因, 一般多采用无碴轨道结构, 但是, 传统的有碴轨道在一些国家的城市轨道高架线路中仍被采用, 如德国汉堡 37 km 高架线路采用轨枕碎石道床, 菲律宾马尼拉轻轨铁路高架线路, 全长14. 5 km, 采用双块式预应力混凝土枕、硬质碎石道床, 韩国汉城城市轨道交通高架线路也采用有碴轨道结构。桥上无缝线路不同于一般铺设在路基上的无缝线路, 桥跨结构因温度变化而伸缩, 同时受到列车荷载作用而挠曲, 在桥梁与无缝线路的相互作用下, 形成伸缩附加力和挠曲附加力。另外, 列车在桥上制动及钢轨在低温下折断, 也会形成梁、轨相互作用力。铺设无缝线路的桥梁及其轨道结构, 应考虑上述附加力的最不利组合, 保证轨道及桥跨结构安全及正常运营。因而桥上无缝线路附加力的计算具有重要的工程实用意义。
针对以上工程设计要求, 德国、日本等国以及国内科研机构及高等院校开展了广泛的研究, 取得了可喜的成果。在工程应用方面, 德国、日本高速铁路的桥梁上已采用无缝线路；中国的特大桥、大桥、城市高架线路,如:九江长江大桥、南京长江大桥、广深准高速线路石龙大桥以及上海明珠高架线路等都广泛采用无缝线路。在理论方面,对桥上无缝线路钢轨附加纵向力及其传递规律有着较多的论文发表。为了降低梁、轨之间巨大的相互作用力,桥上无缝线路往往采用小阻力扣件。无碴轨道桥上无缝线路采用小阻力扣件,梁轨之间的相互作用力传递比较直接。

钢轨扣件
重庆朝天门大桥。世界上主跨最大的刚拱桥。以较大的伸缩缝，公铁两用桥梁的高难度设计和施工闻名海内外。像所有的桥梁施工一样，朝天门大桥遇到了一些较为棘手的问题。例如，大跨度的朝天门大桥，因为自身的钢拱结构，较大伸缩缝处轨道交通的布置就成为最大的问题。首先在伸缩缝处存在3层自由伸缩的结构体系。分别是桥梁、轨枕、钢轨三层结构体系。桥梁可以通过伸缩缝装置的自由伸缩满足桥梁自身变形伸缩。纵向轨枕通常5—6六米设置一块。外部原因造成轨枕的伸缩变形很小基本忽略不计，轨枕上的钢轨也要有温度调节器来控制其伸缩变形。问题就是怎样能够让三层体系满足自由的伸缩变形来满足轨道交通的正常使用成为关键问题。
就上述问题。提出自己的方案。钢桥伸缩缝处上铺设橡胶垫层，然后再去橡胶垫层上铺设钢板，之后再到橡胶垫层铺设纵向轨枕，纵向轨枕上使用小阻力扣件固定轨枕和钢轨。这样设计可以满足钢轨和轨枕的自由伸缩。桥梁和轨枕之间的橡胶板夹层可以通过钢板的自由伸缩。如此构成三层自由伸缩体系。