北京地铁梯形轨道工程试验段考察报告
#轨道工程#
北京地铁梯形轨道工程试验段考察报告
畅德师
(铁道第一勘察设计院线运处,西安 710043)
摘 要:通过对北京地铁5号线梯形轨道工程试验段的现场考察及技术咨询,介绍首次用于国内地铁减振地段梯形轨道的试验段铺设概况、试验内容、结构形式、技术特点、技术措施、新型轨枕的国产化及存在问题,并提出有关建议。
关键词:北京地铁;梯形轨道;工程试验;考察报告;建议中图分类号:U231 文献标识码:A文章编号:1004
2954(2006)增刊014004
本来的特性,大幅度提高荷载的分散能力,又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特点,可以说是轨枕的一
种革新形式。
1 考察内容及日程
2006年7月8日至9日,广州地铁总公司组织建设管理、设计、施工、科研等部门和单位有关人员联合对北京地铁梯形轨道试验段进行了现场考察;并就下列问题进行了详细咨询及深入地讨论:(1)梯形轨道的减振效果及桥上结构的降噪;(2)梯形轨道板下静刚度及其过渡;(3)曲线地段梯形轨道的设置;(4)梯形轨道L形支座及铸铁支座的构造比较;(5)国产化后梯形轨道造价分析;(6)两个梯形轨道板之间的连续;(7)梯形轨道板的抗弯强度;(8)梯形轨道如何跨越梁缝;(9)梯形轨道板弹性支座的使用寿命;(10)梯形轨道结构高度;(11)梯形轨道排迷流措施;(12)梯形轨道排水及过轨管线等。2 梯形轨枕轨道技术概况
梯形轨枕轨道系统是由PC制纵梁和钢管制的横向联接杆构成的,形似扶梯,因此称之为梯形轨枕,参见图1。它是纵向轨枕的一种,具有既能够发挥轨枕
收稿日期:20060825
作者简介:畅德师(1957)),男,高级工程师,1982年毕业于西南交通大学铁道工程专业,工学学士。
图1 梯形轨枕
据统计,铁道的维护管理成本(维修费+人工费)占总营运费的1/3。而日本新干线的轨道维护管理费是既有线的5倍,新干线的车辆修理费是既有线的3倍。也就是说,越是高速对轨道的整备条件的要求越高。梯形轨枕轨道系统,通过改造车辆作用系统的动力特性,能达到减少20%~30%的维护管理成本,这对促进经营改善起到很大效果。同时,车辆轨道结构相互作用系统动力特性的改善,能明显地减轻车辆,在维护管理及环境问题(振动、噪声)的解决上有很大作用。
这种轨枕研究最初是应用在日本东海道货物支线以及美国运输技术(TTCI)的试验线上。特别是在TTCI的耐久试验中,采用轴重35tf的车辆,进行了直线区间的通过吨数115亿t、曲线区间(曲线半径350m)超过1亿t的试验。其结果,有碴道床式梯形轨枕只在初期发生了3mm的沉降,之后几乎没有发生沉降。而比较试验的有碴道床式横向轨枕轨道系统在通碴轨道相关技术的引进,对该项技术的消化吸收,无碴轨道的设计与修建技术在未来客运专线的建设中必将得到新的发展与创新。参考文献:
[1] 辛学忠,德国铁路无碴轨道技术分析及建议[J].铁道标准设计,
2005(2).
[2] 何华武.无碴轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.[3] 赵国堂.高速铁路无碴轨道结构[M].北京:中国铁道出版
社,2006.
[4] 杨岳勤.铁路客运专线轨道结构类型的选择[J].铁道标准设计,
2005(6).
件来实现,当发生较大变化时,调整不仅十分困难,而
且要付出高昂代价。特别是采用混凝土承载层的无碴轨道,达到承载强度极限时将产生断裂,轨道几何尺寸将发生急剧和难以预见的恶化。这些问题都为无碴轨道修理提出了严峻课题。4 结语
无碴轨道以其特有的优势,成为各国高速铁路,客运专线的发展方向,虽然我国对无碴轨道的研究还有大量的工作要做,但是,随着客运专线建设的进行,无 RAILWAY DESIGN2006(增刊)
畅德师)北京地铁梯形轨道工程试验段考察报告
#轨道工程#
过吨数到达115亿t时,已经用MTT进行了5次维护管理。这充分证明,梯形轨枕轨道可大大减少维护管理工作量,减少轨道的不平顺,改善车辆轨道结构相互作用系统的动力特性。
在日本,美国和北美的使用结果证明,梯形轨枕轨道系统具有轻量化质量弹簧系统、减振降噪能力、大幅度减少维护管理成本等优越性。这一系统不仅能对土木结构的减振降噪起到良好作用,还因其具有/改善车辆0,对车辆运行系统也起到了良好作用。
梯形轨枕轨道系统有近10年的研究历史,无论是地下铁道、一般铁路,高架桥梁还是高速铁路,梯形轨枕轨道系统减振降噪和提高整个车辆疲劳、抗冲击破坏、免维护,以至减少系统综合成本的优越性,都证明它将是可优先选用的一项先进技术。3 北京地铁试验段概况311 试验地点及试验概况
北京地铁5号线梯形轨道试验段全长160m,位于5号线太平庄站附近的双线桥上,见图2。试验段由北京市政院及TESS公司联合设计,中铁十七局施工。该轨道先期在北京交通大学轨道试验室测试了减振性能,之后铺设于5号线。试验段选在K19+199~K19+376,为2个连续梁,桥跨为3@30m、3@27m,共177m,桥高10m。线路位于1600m半径的曲线上,曲线外轨超高为40mm
。
(1)利用北京交通大学结构实验室内的拟动力试
验设备加载,见图3。加载频率为2~20Hz,频率增量为1Hz,采样频率500Hz,每个频率的加载时间为2min
。
图3 梯形轨枕轨道加载试验
(2)利用锤击的方法进行冲击加载。采样频率500Hz,对信号进行了100Hz的低通滤波。
在钢轨、轨枕和底座位置布置了KISLER8305A型加速度传感器,见图4。传感器的频率特性为0~100Hz,测试范围为0~20g
。
图4 加速度传感器布置
31212 试验结果及分析
(1)简谐荷载加载试验结果
图5是2~20Hz加载情况下轨道的减振效果。因为不同频率下的加载振幅是不一样的,图中结果是以轨道振动为0dB作为基准绘出的加速度传递函数关系。可以看出,在2~20Hz频段范围内,2Hz加载时的减振量约为20dB,2Hz以上加载时的减振量均超过了25dB,
减振效果十分明显。
图2 北京5号线梯形轨道施工现场
312 室内试验研究及结论
[1]
为了解梯形轨枕轨道系统的减振特性,2000年7月22日在北京交通大学结构实验室进行了减振特性试验。日本铁路综合技术研究所TESS株式会社的梯形轨枕设计担当人员现场进行了指导,北京市轨道交通建设管理有限公司、北京市市政设计院、北京市城建设计院、北京交通大学等单位的有关研究和设计人员现场参观了试验。31211 试验内容和方法
针对日本TESS株式会社提供的一段6125m长的梯形轨枕单元,进行了以下2项内容的试验。
Y 2006()
图5 梯形轨枕轨道加速度减振量随加载
频率的变化曲线(简谐荷载)
从测试结果看,钢轨与轨枕2个测点的加速度几乎是一样的。这是因为轨枕与钢轨之间的减振垫在2~20Hz的低频段效果不明显,故没有给出相应的减振效果图。
141
#轨道工程#
畅德师)北京地铁梯形轨道工程试验段考察报告
(2)冲击荷载加载试验结果
采用锤击的方法进行冲击荷载加载试验。试验时用重锤敲击钢轨的轨头部位,同时测试记录钢轨、轨枕、底座的加速度相应。
对钢轨底座部位的加速度进行FFT分析,得到冲击荷载作用下梯形轨枕轨道加速度减振量随加载频率的变化曲线,见图6。为便于比较,图中结果仍是以轨道振动为0dB作为基准绘出的加速度传递函数关系。可以看出,在0~80Hz频段范围内,除30Hz左右的减振量约为15dB外(据分析,这是由于梯形轨枕系统的固有频率在25~30Hz的原因),其余频段的减振量均在20dB以上,
减振效果十分明显。
图8 板下胶垫、板侧向胶垫及凸形
挡台前后的侧向胶垫
用,因此,梯形轨枕可以直接跨越桥梁梁缝,但凸形挡台必须位于桥梁固定支座一端,见图9
。
图6 梯形轨枕轨道加速度减振量随加
载频率的变化曲线(冲击荷载)
31213 室内试验结论
通过拟动力实验机的简谐荷载加载试验和冲击荷
载加载试验,表明日本TESS株式会社提供的梯形轨枕单元具有良好的减振特性,除30Hz左右的减振量约为15dB外,其余频段的减振量均在20dB以上。313 试验段结构形式
试验段梯形轨道为L形基座,轨枕由2片长度为6115m预应力纵向轨道梁及3根横向连接钢管组成,每架梯形轨枕板上设置10对分开式扣件,板下设置5对橡胶垫作为竖向减振支座,板外侧与L形混凝土基座间设置3对侧向胶垫以缓冲轨道的横向力;在梯形轨枕外侧2个凸形挡台的前后侧则各设置1对侧向胶垫以缓冲轨道的纵向力,梯形轨道板与板下的弹性胶垫组成了具有减振机理的/质量弹簧0系统。参见图7、图8。新型高分子材料的弹性胶垫的使用寿命为70年。质量为20dB
。
由于梯形轨枕板下胶垫与基座之间具有滑动
作
图9 梯形轨道板跨越梁缝施工现场
北京地铁5号线梯形轨道试验段位于双线桥的左线,而左线仍然采用普通承轨台轨道,这样在通车后就可分别测试、对比2种轨道的减振降噪效果。目前,北京地铁还计划在4号线扩大铺设约6km
的梯形轨道。
4 试验段梯形轨道有关技术措施
(1)超高设置
在曲线地段,外轨超高设置在L形底座上,梯形轨枕和弹性支墩都倾斜设置。缓和曲线中的超高调整方法为,在弹性支墩下面安置一个可调垫板。竖曲线的调整也是在L形底座上。
(2)竖曲线设置
图7 具有凸形挡台的梯形轨枕
竖曲线(纵向曲线)的设定安装是,在指定位置
RAILWAY DESIGN2006(增刊)
畅德师)北京地铁梯形轨道工程试验段考察报告
#轨道工程#
上,铸铁台座的下面插入钢板或可变垫片。如图10
所示。(10)梯形轨枕底座与桥梁的连接与定位问题梯形轨枕的L形底座在桥面的宽800mm范围内需要预埋梯形轨枕的L形底座的连接钢筋,底座与桥梁是固定的。梯形轨枕的纵横向力均通过底座传递到梁上。
(11)与桥面防排水的关系
对于桥面防水,采用梯形轨枕与目前设计的整体道床的处理方法一样,也是在轨道施工完成之后,进行桥面的横向排水坡和防水层的施工,实现梁面的排水。
(12)高架桥上的梁轨作用力
采用小阻力扣件。(13)过渡段
在梯形轨枕一侧,逐渐加大支座的弹性垫层刚度。本工程中,由于梯形轨枕地段与承轨台整体道床地段的支撑刚度差较小,经理论分析,不需要设置弹性过渡段。
(14)施工方法
预制梯形轨枕,将弹性减振垫层在工厂内粘贴于梯形轨枕的底部和侧面,现场吊装就位。采取至上而下的安装方法,待轨面调整到位后,现浇底座混凝土。
(15)养护维修
轨道维修量小;轨道调整同其他地段;在基础沉降过大时,可在支墩处加垫垫板。用千斤顶起升。钢棒在设计期内一般不需要定期涂油防腐。
(16)存在问题
由于梯形轨枕连接钢棒的存在,使得股道中心没
图10 竖向曲线的设定方法
(3)轨枕的根数
北京地铁5号线的轨枕铺设根数为1600根/km,
在梯形轨枕的扣件配置间隔为6215cm。因此,按配置间隔为6215cm进行设计。(4)扣件的形式
采用北京地铁5号线高架线的DTⅦ2型扣件。调高能力、轨距调整能力不变,但是轨底坡要设置在扣件的铁垫板上,以方便梯形轨枕的制造。
(5)轨道结构高度
轨道结构高度与5号线高架段一致,也可为500mm。图11表明,轨道结构最小高度为458mm
。
图11 L形梯形轨道结构高度(单位:mm)
法行走,所以,对于巡道等维修作业均不方便。同时,在梯形轨枕间的杂物清理工作也不易操作,也增加了紧急疏散时的难度。5 梯形轨枕的国产化
梯形轨枕采用工厂预制,采用先张法长线台座生产。这与我国的预应力混凝土轨枕的生产工艺基本一致,可以利用我国现有的生产设备进行局部改进进行生产,工艺成熟,生产效率高。预应力钢筋等原材料全部采用国产。但是由于梯形轨枕的制造精度较高,还需根据设计要求摸索梯形轨枕的制造工艺及工艺控制,为批量生产打下技术基础。另外,梯形轨枕的弹性支座所用高分子材料仍依靠国外进口。6 建议
笔者建议,广州地铁或国内有关铁路部门进一步跟踪北京地铁梯形轨道试验段通车后的减振降噪测试效果,以便借鉴经验;对于弹性支座所用高分子材料胶垫建议国内结合工程进行研制。参考文献:
[1] 北京泰思谊(TESS)铁道技术有限公司.弹性支撑的梯形轨枕轨道
结构汇报提纲[Z].北京:2006.
(6)梯形轨枕的变形量
梯形轨枕轨道的变形量约为215mm。同时,也根
据这一位移量选择减振材料的弹性系数。
(7)建筑高度、恒载
目前的设计条件是轨道建筑高度500mm,轨道恒载11kN/m。而试验段的梯形轨枕也是按这一条件控制设计的。
(8)杂散电流防护
按本工程牵引网专业的设计要求,桥上的道床不辅助进行杂散电流的排流,所以比较简单。若道床需要辅助排流,则可以将梯形轨枕的RC钢筋进行电气连通,作为排流通路。因梯形轨枕在轨枕与桥梁之间又增加了高绝缘的减振垫层,所以又多了一道杂散电流的防线。梯形轨枕的钢棒,不承受弯矩,只起到保持轨距的作用而受到拉力。在设计中钢管中填充了混凝土,其安全系数达到3,且外面不用涂刷防锈漆(设计时考虑腐蚀2mm),安全可靠。
(9)过轨管线问题
过轨管线可以在梯形轨枕下的空档中穿过,该处的L形底座断开即可。
Y 2006()
143