复式交分道岔中的扣轨

蒋盛

摘要：主要通过理论计算对复式交分道岔的扣轨方式进行选择，减小道岔区挠度，确保复式交分道岔线路的几何状态满足列车的正常通行，以及加固过程中如何防止出现红光带的经验总结

关键词：复式交分；受力检算；扣轨加固；绝缘；信号红光带

一、施工概述：

猎德大桥系统北延线下穿广深铁路隧道工程包含了D、E两座箱型桥，其中D线箱型桥下穿广州东站南咽喉区，施工难度大，如何解决影响铁路行车的安全问题是本工程的关键，本工程施工过程中解决了如下难点问题：1、保持线路的稳定性；2、减小岔区尖轨区段线路挠度；3、扣轨横梁与轨底的支撑方式；4、横梁与轨底的绝缘及防止信号出现红光带；以下通过对复式交分道岔（客走1线）扣轨施工的介绍，来说明一些在岔区扣轨需注意的细节。

二、扣轨方式：

由于D线箱型桥下穿广州东站南咽喉区，箱型桥结构外宽15.6m，且与铁路斜交25°，部分主跨扣轨受列车基本限界的影响，在扣轨形式上只能选择抬轨形式—纵梁在横梁下。

抬轨形式下的荷载传递形式：列车通过时的列车荷载首先由基本轨传递至扣轨横梁，再由扣轨横梁传递给扣轨纵梁，扣轨纵梁将荷载传递到扣轨挖孔桩（受力支撑桩），然后由挖孔桩将荷载传递至土体岩层中。其中扣轨纵横梁采用U型螺栓结合钢板进行连接，扣轨纵梁与挖孔桩之间通过钢板或者支座进行连接。

三、扣轨纵、横梁的选择：

首先根据铁路荷载来进行扣轨纵、横梁的选择；对扣轨梁的选择采用受力计算进行选择，铁路荷载按中--活载进行考虑，扣轨体系设计按满足45km/h的列车通过速度考虑；对纵梁的检算采取按影响线加载方式进行检算，检算纵梁的允许应力及纵梁挠度是否符合要求；对横梁的检算采用桥枕计算公式进行检算。

3.1、横梁受力检算（本节计算公式引自《铁路工务技术手册—桥涵》）：

桥枕承受载重情况，理论上可把钢轨作连续梁，桥枕或H型钢作钢轨的弹性支座看待，每个轮重分配到左右多根桥枕上或H型钢，近轮轴处桥枕或H型钢承受较大载重，愈远愈小。轮重分配于桥枕或H型钢的根数及桥枕或H型钢受力的大小与钢轨及桥枕或H型钢的刚度，桥枕或H型钢排列的疏密及主梁的间距有关，计算示意图如下。

活载安现行机车最大轴重作为计算荷载，横梁间距为a=60cm；纵梁中心间距为5.1m，C=1.833m（C为钢轨内边至纵梁中心线距离、L值为纵梁中心间距）

P60钢轨：弹性模量Ep= 2.1×106 kgf/cm2、惯性矩 Jp=3217mm4；

H型钢：弹性模量En= 2.1×106 kgf/cm2、惯性矩Jn=11400 cm4。

60kg/m轨

由前K=0.029<0.056可知，轮重分布在7根枕木或者H型钢上，因此产生了载重的相互叠加，如下图：

因此H型钢所承受的压力P=P1+（P3+ P4）÷2×2=0.42P

冲击系数：（限速）（公式参考铁路桥涵施工规范）

在岔区的扣轨横梁采用了H300型钢，梁长为5.5m，高为300mm、宽为200mm、腹厚8mm、翼厚12mm，为了增大横梁抗弯截面系数，对横梁采用了8mm钢板进行了封边。

3.2、客走1线横梁受力检算

k=0.031、P=0.42×220×1.467 ÷2=67.78KN

最不利情况下弯矩计算简图如下：（横梁计算跨度L=5m）：

由以上图示可知，最大弯矩为Mmax=121.32KN.m；由公式：σ=M/W≤[σ]推算横梁的最小值弯曲截面系数M/[σ]≤W=121.32×103KN.m÷170×106N/m2=714cm3，由此可知工字钢横梁的弯曲截面系数需要大于714cm3。对H300型钢采用8mm钢板封边处理后H箱型钢横梁截面特性如下：

Wx=944 cm3 Ix=14164cm4

允许应力检算：

C、D表示两轮轨的作用力点、

a、c分别表示轮轨作用力点至横梁支点的距离、

挠度检算（公式引自《實用土木工程手册》）：

由上可知：客走1线采用此横梁时应力及挠度均满足要求。

3.2纵梁受力计算（客走1线）

H500型钢纵梁截面特性如下：

Wx=9473.17cm3 Ix=236829.33cm4

1、冲击系数：（限速）

2、恒载及活载弯矩：

a.P60轨道及其配件重量：60.64 kg/m×9.5m×2×2=23.04KN

b.轨枕按400kg/根：400 kg/根×9.5÷3×5根×1.1=70KN

c.横梁采用H300型钢钢：6×17×57.3kg/m=58.45KN

3、换算成均布荷载：q1=（23.04+70+58.45）/9.5=16KN/m

P=22t×1.42=31.24t=312.4KN

Q=9.2t/m×1.42=13.064t/m=130.64KN/m

在移动荷载作用下结构上的量值均将随荷载的位置变化而变化，为此，必需先确定某一量值发生最大或最小值的荷载位置，即最不利荷载位置，对此以下将采用影响线来确定跨中最不利荷载情况：

在荷载左右移动微小距离时， 必需变号，才能取极值，荷载加载如下图所示：

荷载左移即轮轴3向做移动时：

荷载右移即轮轴3右移动时：（在纵梁跨中位置，由于轮对在横梁上的不对称，左右侧纵梁所分配到的荷载及挠度是不同的。）

由上述计算可知：到轮轴3位于跨中时，此时荷载位置为最不利位置，其受力情况计算如下：

纵梁跨中弯矩：

M中max=4.75Rb-1.5P-3P- q1×5×5÷2

=861.43×4.75-4.5×312.4 -22.8×4.75×4.75÷2

=2428.78KN.m

纵梁弯矩包络图如下所示：

允许应力检算：

由上计算可知应力满足受力要求。

允许挠度检算：

换算均布荷载：

由上计算可知挠度满足受力要求。

L—计算跨度（9.5m）

q1—轨道及其配件+扣轨横梁重量（KN/m）

q2—标准活载换算成中—活载（KN/m）

W—工字钢横梁截面系数（cm3）

[σ]—工字钢的容许应力（170MPa）

I—工字钢横梁的惯性矩（cm4）

E—钢的弹性模量采用2.1×106Kg/cm2

n—工字钢根数

说明：由于箱型桥与线路斜交，在本次计算按纵梁受力对称进行检算，实际中两片纵梁纵梁受力并不对称。

由上计算可知：在纵梁跨度为10m时，纵梁跨度较大，为了减少纵梁挠度，对H500型钢加设了肋板，肋板采用20mm钢板，按0.75m的间距布置，同时在纵梁中加设了中桩，加设中桩后的梁的计算跨度为5m（每片纵梁有三个桩进行支撑）；此时纵梁的最大挠度为2.4mm，小于纵梁的允许挠度12.5mm，满足要求，纵横梁的最大挠度叠加值为12.1mm，由于线路的变化为线性变化，纵横梁挠度的变化满足火车45km/h。

四、对主要难点的处理：

4.1、保持线路的稳定性

由于线路架空后，改变了原来线路的状态，钢轨只是靠横梁进行支撑，缺少了道碴，因此需增加固定措施，以增强线路的整体性和稳定性，主要是采取在钢轨两侧及两基本轨之间加设1-2扣钢轨束，如下图所示：

以下为钢轨束平面布置图中的2-2截面图：

轨束梁主要从平行线路方向增加了原轨道两根钢轨的截面，使轮对荷载传到更远一点的枕木或钢横梁；而如果将轨束梁与钢横梁对拉扣紧，则能限制轨道向上的“跳动”，减少“垫块”、“三角木”松动的几率；至于横向方面的限制，则因U形螺栓“吊杆”式摆动变形的存在，起了一定作用，同时通过在轨束梁与钢轨腹板间加设方木进行支撑，使轨道横向变形限制得更有效。

现场实际扣轨照片（见下现场图片01）：

4.2、减少纵、横梁挠度：

纵横梁挠度是影响列车正常通行的重要因素，因此必须将纵横梁的挠度控制在一定范围才能确保列车的正常通行，由于箱型桥顶至线路轨底的距离只有1m，因此所选扣轨纵横梁的高度之和不能大于1m，同时还要预留顶板施工的工作空间至少0.2m，因此实际纵横梁的允许高度之和为0.8m，因此在施工中选用了H300*200的H型钢，扣轨纵梁为特殊加工的H500*500的H型钢，为减少岔区纵梁挠度，将原10m跨度减少为5m跨度，及在纵梁中间加设了挖孔桩；为减少横梁挠度，将H300型钢进行封边，将H型钢加工成为了钢枕形势，大大提高纵横梁的刚度。纵横梁挠度检算结果如下：

H300型钢未封边时的横梁最大挠度为12mm

H300型钢封边后的横梁最大挠度为9.7mm

H500型钢纵梁未加设中桩时的最大挠度值为23mm

H500型钢纵梁加设中桩后的最大挠度值为2.4mm

由上计算可知：在横梁未封边、纵梁下未加设中桩的情形下，纵横梁最大挠度叠加值为：35mm；在对横梁封边、纵梁下加设中桩的情形下，纵横梁挠度叠加值为：12.1mm。采取封边和加设挖孔桩后将纵横梁挠度最大值减小了22.9mm，大大的减小了纵横梁挠度。

扣轨完毕，通过布点进行观察对比，列车通过该区段时，纵横梁挠度变形值明显比其他扣轨区域（未对横梁封边、纵梁下未加设中桩的）挠度小，通过在线路上观察，列车通过该特殊处理区域时，线路的挠度、整体稳定性也较其他扣轨区域好。

4.3、扣轨横梁与轨底的支撑方式

在非岔区的扣轨中，横梁与轨底之间通常是采用打设三角木的方式来进行支撑和绝缘，但在岔区由于有尖轨（如下现场图片02），打三角木会对尖轨的正常工作带来干扰，从而影响列车的正常通行，因此在岔区加工了滑床板和绝缘橡胶垫来代替常规的三角木，如下現场图片03所示。

扣轨横梁与基本轨之间的支撑见下图：

4.3、处理横梁与轨底间的绝缘及防止信号出现红光带

横梁与轨底的绝缘及防止信号红光带的出现时岔区扣轨很重要的部分之一，尤其在岔区扣轨配件多，导点较多时易出现红光带，在扣轨加固完毕后，在未下雨情况下没有出现红光带，但在下雨后会偶尔出现红光带现象原因如下：

1、由于线路本身有工作电压，正常情况下工作电压为0.6V，在下雨天情况下，钢轨的电压允许道碴及水流泄压为0.1V以内，如果出现泄压大于0.1V的情况下时，会导致红光带的出现（当现泄压大于0.1V的情况下时相当于线路被短路）。

2、由于线路加固后，与钢轨底接触的薄钢片，钢轨轨底下支垫依次为：薄钢片→滑床板→绝缘橡胶垫→横梁→纵梁，由于扣轨体系的增加改变了原来钢轨的道碴环境，尤其在下雨天，钢轨容易通过雨水与薄钢片、支距板及横梁串联，导致导电体增大（尤其比扣轨前道碴的导电及泄压大），如果泄压超过了0.1V，将导致短路现象发生，也就是红光带的发生。

3、防止信号出现红光带措施：

将原来直接与钢轨接触的薄钢片上加设5mm厚绝缘橡胶垫，钢轨轨底下新的支垫顺序为：5mm厚绝缘橡胶垫→薄钢板→支距板→绝缘橡胶垫→横梁→纵梁。

参考文献：

[1]《铁路工务技术手册—桥涵》（中国铁道出版社）

[2]《实用土木工程手册》（人民交通出版社）

[3]《铁路桥涵设计基本规范》（中华人民共和国铁道部）

[4]《钢结构》（中国铁道出版社）

[5]《铁路技术管理规程》、《铁路工务安全规则》（中华人民共和国铁道部）