王森荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

大跨度桥上钢轨伸缩调节器区轨道病害分析与监测研究

王森荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

通过对我国大跨度桥上梁端钢轨伸缩调节器及梁缝处抬轨装置的调研和现场实测,得出该区域轨道结构可出现的病害有轨道几何形位保持不良、混凝土轨枕与钢枕歪斜、混凝土轨枕拉裂、剪刀叉发生弯曲或扭曲、钢枕或混凝土轨枕与梁端挡砟墙间顶死等。通过理论分析,得出病害发生的主要原因是由于轨排框架左右枕端道床阻力不等导致轨排变成平行四边形,从而导致轨枕及悬挂式钢枕发生歪斜,剪刀叉发生弯曲或扭曲,严重时还导致轨枕开裂。针对病害的预防和整治,提出应对钢轨伸缩调节器区轨道结构开展监测,并详细介绍监测的内容及方法。

钢轨伸缩调节器；抬轨装置；剪刀叉；病害分析；监控测试

钢轨伸缩调节器是铁路轨道结构的重要设备部件，能够允许相邻钢轨的纵向相对位移保证正确的钢轨导向和支撑[1-4]。根据无缝线路受力检算，由于温度的变化，长大连续梁桥上无缝线路将产生相当大的钢轨纵向力及位移，轨枕与道床之间的相对位移过大会破坏轨道的稳定性，这种情况下在无缝线路上设置钢轨伸缩调节器，能够明显改善桥梁和轨道的运营状态。随着我国桥梁跨度的增加，钢轨伸缩调节器伸缩量也越来越大，如天兴洲长江大桥、大胜关长江大桥等目前其伸缩量已达1 200 mm(±600 mm)。同时大跨度桥梁由于梁缝较大，为满足相关要求，还需要在梁缝处铺设抬轨装置。针对目前我国大跨度桥梁上铺设钢轨伸缩调节器及抬轨装置地段，结合现场调研和实测，对其运营状态进行总结，对轨道病害原因进行分析，并提出钢轨伸缩调节器区轨道应进行监控测试的相关内容。

1 钢轨伸缩调节器区轨道铺设情况

目前我国大跨度桥梁上铺设钢轨伸缩调节器比较典型的有南京大胜关长江大桥、武汉天兴洲长江大桥、铜陵公铁两用长江大桥等均铺设了伸缩量为1200 mm的钢轨伸缩调节器，并在梁缝处设置了抬轨伸缩装置。

图1为大跨度钢桥上铺设了伸缩量为1 200 mm的钢轨伸缩调节器，调节器尖轨长10.2 m、基本轨长15.15 m，处于伸缩量中间位置时钢轨伸缩调节器整体结构长17.55 m；尖轨设置在混凝土梁侧，基本轨设置在钢桁梁侧。为保持梁缝处轨枕间距的均匀，钢轨伸缩调节器内设置交叉杆机械的抬轨装置(简称“剪刀叉”)，梁端剪刀叉与梁缝两侧边缘混凝土枕相连；在梁缝中设置2根悬挂式钢枕，钢枕悬挂在两根纵向钢梁下，采用扣板式扣件联结；钢轨伸缩调节器在钢桁梁上与混凝土梁上的轨枕两端分别采用钢板条纵联。

当梁缝变化时，通过剪刀叉的剪切运动，使悬挂式钢枕之间的间距、钢枕与梁缝左右侧边混凝土枕的间距始终保持相等，以达到梁缝处扣件支点间距相等、支承刚度均匀的目的，确保刚度均匀、轨面平顺。

图1 大跨度钢桥上钢轨伸缩调节器及抬轨装置

2 钢轨伸缩调节器区轨道运营状态

铺设钢轨伸缩调节器相对其他无缝线路地段，轨道结构较为薄弱，但总体来说目前运营使用状态良好，能够满足列车高速、安全运行的要求。但是由于该区域轨道结构受力及梁轨相互作用复杂，对运营养护要求非常高，稍有不慎就可能出现病害。根据目前我国大跨度钢桥上钢轨伸缩调节器区轨道运营使用状况调研，总结有以下病害。

2.1 钢轨运营情况

通过基本轨上伸缩移动痕迹可以得出我国目前主要几座大跨度桥梁上钢轨伸缩调节器1年内单向行程：武汉天兴洲长江大桥(主跨为98 m+196 m+504 m+196 m+98 m钢桁斜拉桥)上基本轨根端为200 mm、尖轨尖端为20 mm；大胜关长江大桥(主跨为109.5 m+192 m+336 m+336 m+192 m+109.5 m连续钢桁梁拱桥)上基本轨根端为200 mm、尖轨尖端为17 mm，如图2所示。

在某大桥调研中还发现，4组钢轨伸缩调节器在23号枕处的尖轨顶面光带出现突变，如图3所示。分析原因主要是该轨枕位置处基本轨伸缩过程中，其基本轨顶面略高于尖轨轨顶所造成。

图2 尖轨爬行

图3 尖轨顶面光带异常

2.2 剪刀叉运营情况

剪刀叉易出现不同程度的弯曲，在某次调研实测中其弯曲矢度达到2 mm，如图4、图5所示。剪刀叉弯曲一般出现在与混凝土连续梁梁端的第一根轨枕联结的剪刀叉。剪刀叉弯曲或扭曲的同时，左右股钢枕位移不同步、钢枕歪斜，进而可加剧剪刀叉的弯曲或扭曲，从而影响正常使用功能。

图4 剪刀叉弯曲

图5 剪刀叉扭曲

2.3 轨枕运营情况

钢轨伸缩调节器混凝土轨枕及梁缝处的钢枕可出现歪斜，在某次调研中实测最大歪斜量达到21 mm，最大歪斜的轨枕一般为混凝土连续梁侧离梁缝最近的轨枕。对于伸缩调节器轨枕两端采用钢板条纵联的结构，一旦轨枕发生歪斜，则联结在一起的所有轨枕均出现歪斜。见图6。

图6 轨枕歪斜现场实测图示

此外，近梁缝处的轨枕，当伸缩量较大时，可导致混凝土轨枕被拉裂，裂纹一般从连接钢板条的螺栓孔处开裂。见图7。

图7 轨枕拉裂

2.4 扣件运营情况

钢轨伸缩调节器区尖轨一般采用常阻力扣件，基本轨采用小阻力或常阻力扣件。从目前的运营维护来看，采用小阻力扣件对轨距扩大的控制相对较弱。轨距一般在4、5、10、11月份的时候保持相对较好，但其他月份由于伸缩量值较大保持能力要差一些。

钢轨伸缩调节器区为了适应钢轨的纵向伸缩位移，扣件需要进行持续养护。如针对某大桥伸缩调节器区钢轨件生锈，一般每隔1～2个月需不定期地进行涂油(润滑油)，从而保证其正常伸缩。

2.5 桥梁伸缩(支座位移)情况

大跨度桥梁梁缝变化(桥梁伸缩量)基本与调节器的钢轨伸缩量相当，如某钢桁桥梁端钢轨伸缩调节器基本轨和桥梁支座的纵向伸缩量现场实测分别为200 mm、206 mm。对于4线或6线桥梁，桥梁受温度荷载影响还将发生较大的横向位移。

2.6 轨道病害情况

钢轨伸缩调节器范围主要轨道病害[5-8]：

(1)轨道几何形位保持不良，可产生轨向、轨距及轨距递减不顺等病害，其前后线路易产生高低、空吊、三角坑等病害；

(2)混凝土轨枕歪斜及拉裂：左右股钢轨伸缩不同步，轨排成平行四边形，调节器区域全部或部分轨枕易出现歪斜，特别是梁缝左右两侧的混凝土轨枕出现明显的歪斜；当变形受阻，或者歪斜量过大时，易导致轨枕(一般为梁缝两侧轨枕)开裂；

(3)在特定位置钢轨踏面光带不连续，出现跳跃；

(4)道床不够饱满，道床阻力较小；

(5)钢轨和扣件生锈，扣件纵向阻力增大等。

梁端抬轨装置主要病害：

(1)梁缝处钢枕列车通过时变形较大；

(2)剪刀叉不能均匀轨枕间距，剪刀叉自身出现较大变形(弯曲或扭曲)；

(3)钢枕发生歪斜；

(4)钢枕与梁端挡砟墙间顶死，钢枕的自由滑动受阻等。

3 调节器区主要病害原因分析

大跨度桥梁上铺设钢轨伸缩调节器以大跨度钢桁梁梁端铺设REJ60—1200型单向钢轨伸缩调节器为例，如图8所示，其在梁缝左右两侧的各8根和20根调节器轨枕两端分别采用钢板进行纵向联结，形成轨排框架，具有较强纵向、横向稳定性，而且调节器尖轨与引桥混凝土梁上的长钢轨焊联，尖轨处于无缝线路伸缩区。

图8 钢轨伸缩调节器与梁跨布置示意

夏季升温时，梁缝变窄。根据实测资料，温度跨度为97 m的混凝土连续梁，其梁端将向钢桁梁方向移动25 mm左右，由于Ⅲ型枕和V型弹条扣件纵向阻力大于道床阻力，因此，混凝土梁在向钢桁梁移动的同时带动Ⅲ型枕和V型扣件及钢轨同时朝钢桁梁方向移动。尖轨焊联着混凝土梁上长钢轨，混凝土连续梁也带动尖轨朝钢桁梁方向移动。由于调节器11号～30号轨枕两端采用钢连板纵联形成轨排框架，道床纵向阻力较大，尖轨纵向阻力小于或与轨排道床纵向阻力相当，夏季温升过程中，尖轨无法带动轨排随混凝土梁朝钢桁梁方向移动，出现了尖轨爬行。当轨排框架的左右枕端道床阻力不等时，左右股位移不等，轨排框架易从长方形变形成平行四边形，可导致调节器混凝土枕歪斜，并进一步导致剪刀叉扭曲、悬挂式钢枕歪斜，如图9所示。冬季降温时，梁缝变宽，与夏季升温情况类似，轨排框架的左右枕端道床阻力不等时，左右股位移不等，亦可导致调节器混凝土枕歪斜、剪刀叉扭曲、悬挂式钢枕歪斜等。

图9 钢轨伸缩调节器轨排框架歪斜示意

总结分析大跨度桥上钢轨伸缩调节器区段，轨道病害的主要原因有以下几个方面：

(1)温度变化，导致钢轨伸缩，当轨排框架的左右枕端线路阻力不等时，左右股钢轨位移不等，轨排框架易从长方形变形成平行四边形，因此可导致调节器混凝土枕歪斜，并可进一步导致剪刀叉扭曲、悬挂式钢枕歪斜；

(2)钢轨及扣件生锈，增大了扣件纵向阻力，从而增加了无缝线路纵向力，加剧了对轨道结构的破坏；

(3)梁缝处的混凝土轨枕或钢枕与挡砟板贴紧，轨枕发生歪斜及随着伸缩量的增大，导致混凝土轨枕开裂；

(4)随着轨排框架发生歪斜成平行四边形，钢梁也发生歪斜，伸缩位移不能均匀进行分配，使剪刀叉受力不均，导致剪刀叉发生弯曲或扭曲；

(5)调节器的基本轨顶面高于尖轨轨顶，易导致钢轨踏面光带不连续，出现跳跃，影响行车的平顺性；

(6)此外，抬轨装置的刚度不足、道床不够饱满、梁端道砟错动导致道床阻力降低、调节器区轨道几何形位保持不良等均可进一步加剧调节器区段的的病害的发生和发展。

4 轨道监控测试

根据相关线路上钢轨伸缩调节器及梁缝处的抬轨装置在使用过程中，由于高速铁路天窗时间短、大桥上道检查困难，在养护过程中难以做到及时发现相关问题，应对钢轨伸缩调节器区轨道结构开展监测。

4.1 监控测试的目标和意义

对钢轨伸缩调节器区开展监控测试，可实时掌握调节器区轨道结构及部件的运营状态，一旦发现异常可及时进行维修和整治，避免病害的进一步发展和恶变，从而确保轨道结构和部件的正常使用、降低养护维修工作量、减少经济损失。钢轨伸缩调节器区轨道结构进行监测的目标和意义主要有以下几方面。

(1)对钢轨伸缩调节器钢轨(尖轨、基本轨)、轨枕、抬轨装置等关键部位进行监测，确保该段轨道结构、无缝线路和主要设备的运营安全；

(2)对调节器和抬轨装置等进行监控，当发生较大变形时，及时发现并通知运营养护部门上道及时整修，确保正常的安全使用；

(3)掌握钢轨伸缩调节器地段变形规律，为轨道伸缩调节器地段养护提供依据；

(4)实时监控无缝线路关键部位变形状态，建立安全预警机制，并及时反馈线路病害。

4.2 监控测试的主要内容

根据上述大跨度桥梁上钢轨伸缩调节器区轨道运营状态和可能出现的病害，提出对其监控测试的主要内容有：

(1)伸缩调节器区及两端一定范围内钢轨与桥梁的相对位移；

(2)尖轨与基本轨相对位移；

(3)基本轨相对桥梁位移；

(4)尖轨相对桥梁位移；

(5)尖轨与基本轨密贴情况；

(6)桥梁梁缝伸缩情况；

(7)伸缩调节器区钢轨顶面光带情况；

(8)剪刀叉的歪斜及联接点位移；

(9)抬轨装置钢枕垂向位移、歪斜情况；

(10)轨枕框架的变形情况，特别是梁缝两侧轨枕的歪斜和相对桥梁的位移情况；

(11)钢轨、桥梁温度及气温情况；

(12)扣件状态。

4.3 监控测试的方法与手段

目前监控测试的主要以振弦式、光纤光栅、视频图像等为主要手段，对结构的位移、温度、应变等进行监测，实现数据连续采集，并利用3G或4G的移动网络实现实时无线传输、自动报警等功能，如图10所示。

图10 大跨度桥梁钢轨伸缩调节器区监控系统方案示意

(1)振弦式监控传感器系统[9-11]

以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小，通过相应的测量电路，就可得到与拉力成一定关系的电信号。优点主要是设备相对简单，造价较低；缺点主要是数据稳定性较差、设备使用年限相对较低。

(2)光纤光栅监控传感系统[12-14]

利用光纤材料的光敏性将光信号转换成电信号，进行数据采集。优点主要是稳定性好，使用年限较长，对轨道电路及信号干扰低；缺点主要是造价较高，安装相对复杂，现场安装时间较长。

(3)视频监控系统[15-16]

采用视频监控，通过远程控制现场球机的摄像位置和焦距变化，可实现远程实时查看现场的轨道运营状况，极大的提高检查维护的效率。

5 结论

通过对大跨度桥梁上铺设钢轨伸缩调节器区的轨道运营状态进行调研和分析，主要结论如下。

(1)大跨度桥上铺设钢轨伸缩调节器和抬轨装置地段，轨道结构可出现的病害有：轨道几何形位保持不良、混凝土轨枕与钢枕歪斜、混凝土轨枕拉裂、剪刀叉发生弯曲或扭曲、钢枕或混凝土轨枕与梁端挡砟墙间顶死等。

(2)钢轨伸缩调节器和抬轨装置的病害原因主要是：调节器的轨排框架左右股位移不等，使轨排变成平行四边形，导致轨枕及悬挂式钢枕发生歪斜，进而导致剪刀叉发生弯曲或扭曲；当梁缝处轨枕紧贴挡砟墙时，轨枕歪斜及随着伸缩量的增大，易导致混凝土轨枕开裂。

(3)应对大跨度桥上钢轨伸缩调节器区轨道结构开展具有实时传输、自动预警等功能的监控测试，确保轨道结构和部件的正常使用。

(4)钢轨伸缩调节器区轨道主要监测内容应包括基本轨相对尖轨位移、基本轨相对桥梁位移、尖轨相对桥梁位移、剪刀叉联接点位移、尖轨与基本轨密贴情况、桥梁梁缝伸缩情况、轨枕和钢枕的歪斜情况、钢轨、桥梁温度及气温情况等。

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Defects Analysis and Monitoring Research on Track in Rail Expansion Joint Area on Large Span Bridge

WANG Sen-rong

(China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Based on the research and field measurement of rail expansion joint at beam end and rail lift device at beam joint on China’s large span bridges, this paper analyzes the track operation condition of this section and concludes that the such defects may appear in track structures as poor track geometry, skewing of concrete and steel sleeper, cracking of concrete sleeper, bending or twisting of scissors fork, getting stuck between steel or concrete sleeper and ballast retaining walls at the end of beam. The theoretical analysis shows that the main reason is the unequal ballast resistance around the sleeper on the track panel framework, which results in parallelogram of the track panel, leading consequently to sleeper and hanging steel skewing and scissors fork bending or twisting, and even sleeper cracking. Aiming at defects prevention and control, this paper proposes contents and approaches in the monitoring of rail structures in rail expansion joint area.

Rail expansion joint; Rail lift device; Scissors fork; Defect analysis; Monitor and test

1004-2954(2018)01-0018-05

2017-01-28；

2017-04-27

中铁第四勘察设计院集团有限公司科研计划课题(2015K05);上海铁路局科研计划课题(2016064)

王森荣(1980—)，男，高级工程师，2007年毕业于西南交通大学，工学硕士，E-mail:wsr88@126.com。

U213.9+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201701280002