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铁路线桥偏心、道砟厚度检测原理及检测尺设计方案

发表时间：2020/3/3 来源：《防护工程》2019年19期作者：黄炬超

[导读] 甘泉铁路的46个曲线桥中有22座桥梁存在偏心超限的问题，分析其原因是多方面的，桥面道砟厚度不足只是其中的一个方面

黄炬超
        甘泉铁路有限责任公司内蒙古包头
        摘要：甘泉铁路的46个曲线桥中有22座桥梁存在偏心超限的问题，分析其原因是多方面的，桥面道砟厚度不足只是其中的一个方面，本文详细阐述了线桥偏心产的原因及危害，分析了线桥偏心、道砟厚度的检测原理，特别是平分中矢距布梁法E0对线桥偏心检测的影响，并提出了能够同时实现线桥偏心和道砟厚度检测的检测尺方案。
        关键词：甘泉铁路；曲线桥梁；线桥偏心超限；平分中矢距；检测尺设计方案


        神华甘泉铁路南起神华包神铁路万水泉南站，途经包头市，巴彦淖尔市的乌拉特前旗、乌拉特中旗，至中蒙边境中方口岸甘其毛都, 线路全长333公里，属于国家Ⅰ级单线非电气化铁路，全线共有桥梁142座，其中曲线桥46座，部分曲线桥22座，桥梁的最小曲线半径为800米。2018年对甘泉全线所有混凝土T型桥梁进行了线桥偏心检测，存在偏心超限的桥梁共22座、175处，其中最大偏心20.85cm，位于正北沟特大桥第23孔，甘泉铁路部分桥梁较为严重的线桥偏心超限，直接威胁到了线路的运营安全。
        1 病害分析
        1.1 线桥偏心的原因及危害
        铁路线桥偏心是指线路中线与梁跨设计中线的偏差，我国现行的《普速铁路桥隧建筑物修理规则》（铁总工电[2018]125号）规定：铁路线桥偏心，钢梁不应大于50mm，圬工梁不应大于70mm，行车速度大于120km/h区段圬工梁、钢梁均不应大于50mm，超过偏差限值时应对梁体活载进行检算，如检算承载系数K<1或侵入限界时，必须对线桥偏心进行调整。桥偏心产生的原因是多方面的，其主要有以下几点：一是在线路铺设过程中，对曲线要素控制不严，导致线路、桥梁中心出现偏差；二是列车在通过曲线时会产生离心力，曲线半径越小，车速越快，则离心力越大，对钢轨造成的向外的挤压力也就越大，在该力的作用下线路会逐渐向外位移，如不定期调整会长年积累，越积越大；三是曲线上超高设置不合理或者道床过薄，横向阻力不足；四是在线路的养护过程中对线桥偏心的危害性认识不足，只考虑线路的圆顺性，作业人员常凭经验拨道或采用简易拨道法拨道。线桥偏心的主要危害是影响桥梁活载的分配，使梁的一侧负载减少，另一侧负载增加造成偏载，一般情况下，钢梁若偏差值达到50mm，则计算应力就较设计高约5%，圬工梁达70mm时，较设计高约8%，所以偏心超限时，应根据活载的检算结果，尽快拨正线路调整偏心。
        1.2 道砟厚度不足的危害
        桥上道砟厚度是指桥枕底面至梁体托盘顶面的道床厚度，道床是轨道的重要组成部分，它主要承受来自轨枕的压力，并把这个压力均匀的传递给桥梁，饱满的道床可以防止轨道横向移动造成线桥偏心以及线路爬行，缓和列车对桥梁造成的冲击，如果道床厚度不足，道床的刚度会变大，梁体所承受到的列车的冲击力会变大，严重影响桥梁受力状态，降低桥梁的承载能力，并且损坏桥面保护层和防水层，加速梁体裂缝等病害的发展，严重影响桥梁寿命。我国现行的《普速铁路线路修理规则》（铁总工电[2019]34号）规定最大速度小于等于120km/h的线路，有砟桥面碎石道床标准厚度为250mm；《铁路桥涵设计基本规范》（铁建设[2005]108号）规定新建Ⅰ级铁路道碴桥面轨下枕低的道碴厚度不应小于0.3m，Ⅱ级铁路道碴桥面轨下枕低的道碴厚度不应小于0.25m。
        2 道床厚度检测
        基本原理：实测出轨面至挡砟墙顶面的距离，加上挡砟墙的高度减去钢轨和轨枕的厚度即为道砟厚度，如图1所示。
        A--枕下道碴厚度；
        B--钢轨顶面至轨底高度（60kg/m轨高176mm，垫板厚度10mm，Ⅲ型枕厚度220mm，以上数值相加等于406mm）；
        C--钢轨顶面至挡碴墙顶面高度（用检测尺测量）；
        D--挡碴墙高度（甘泉铁路单线32米梁挡砟墙高度为350mm）。
        根据以上数据可得：
        枕下道碴厚度A=C+D-B=C+350mm-406mm

        图1单线32米T型梁断面
        3 线桥偏心检算
        甘泉铁路正线采用的是60kg/m钢轨，标准轨距1435mm，轨面宽度73mm，单线32米钢筋混凝土预应力T型梁的道碴槽宽度为4900 mm。
        3.1直线桥线桥偏心检算
        位于直线上的桥梁，因为线路中线是直的，梁的中心线也是直的，无偏心的情况下线路中心应该与梁的中心线完全重合，因此只要分别测出两根钢轨外侧至道碴槽外沿的距离，对比后就能得出线桥是否有偏心，以甘泉铁路为例，如无偏心其测量值应为1659.5mm，如果有偏心，偏心值=（较大值-较小值）/2，线路偏向较小值一侧。
        3.2曲线桥线桥偏心检算
        位于曲线上的桥梁，由于梁是直的而线路是具有一定半径的圆曲线或缓和曲线，因此两线无法重合，列车通过时会使梁的两侧受力不均，对梁形成偏载、偏压，为了消除这种影响，一般在设计时会将桥梁工作线（梁的中心线）尽量靠近线路中线，具体作法是在布梁时将使相邻两片梁工作线的交点向线路中线外移动一段距离E0，这段距离一般是以梁长为弦线的中矢距E的一半，这种布置方法叫平分中矢距法。甘泉铁路沿线桥梁均采用了上述的布梁方式，因此在检测线桥偏心时，必须要考虑E0的影响，否则就会导致偏心计算错误的情况。如图2所示：

        图2平分中矢距布梁法示意图
        测点设置
        测量线桥偏心时一般会将测点设在梁端挡砟墙的两个外角上，用并白油漆做好标记、编好号，方便复测和调整偏心。
        偏心测量
        测量一般采用水平尺，以梁端线为基准，分别量取内外股钢轨外沿至挡砟墙外角的水平距离，为了提高精度，可由两人换手测量，求取平均值。
        3、偏心计算
        外股钢轨外沿至挡砟墙外角的实测水平距离L外=L标准值+E0；内股钢轨外沿至挡砟墙外角的实测水平距离L内=L标准值-E0，（甘泉铁路L标准值=1659.5mm，根据挡砟墙宽度、轨面宽度、轨距计算）。
        1）偏心值=（L外-L内）/2-E0≈0，线桥无偏心；
        2）偏心值=（L外-L内）/2-E0>0，线路偏向曲线内侧；
        3）偏心值=（L外-L内）/2-E0<0，线路偏向曲线外侧。
        E--中矢距，E=R(sec(a/2)-1)；
        E0--桥墩偏距，E0=E/2；
        R--曲线半径；
        a--线路转向角，相邻两梁工作线构成的转折角；
        桥梁设计时R、E、a一般都会给定或查表可得。
        以正北沟特大桥为例，该桥为单线桥，位于800米曲线半径上，钢筋混凝土预应力T型梁，梁长32.6米，梁缝宽0.2米，偏角为20o20’57”。根据以上要素计算：E=800（（sec(20o20’57”/2）-1）=0.168m，E0=E/2=0.084m。如果实测L外=1.744m，L内=1.576m，（L外-L内）/2=0.084，说明该测点无线桥偏心；如果实测L外=1.844m，L内=1.476m，（L外-L内）/2=0.184m，（L外-L内）/2-E0=0.1m>0，说明该测点偏向曲线内侧，偏心约为0.1m；如果实测L外=1.644m，L内=1.676m，（L外-L内）/2=-0.016m，（L外-L内）/2-E0=-0.1m<0，说明该测点偏向曲线外侧，偏心约为0.1m。
        4 线桥偏心及道床厚度检测尺设计方案
        目前还没有专业的线桥偏心和道床厚度检测尺被制造和应用，检测时大多采用水平尺测距或对轨距尺加以简单改装，除了操作复杂外，精度也无法保证，因此在设计线桥偏心及道床厚度检测尺时除了要操作简单、便于携带外，还要保证测量精度以及同时实现偏心和道床厚度测量两个功能。
        4.1设计原理
        根据道床厚度和线桥偏心的检测原理，要计算道床厚度必须实测出钢轨踏面至道砟墙顶面竖直距离，要计算线桥偏心必须实测出钢轨外沿至道砟槽外角的水平距离，因此在设计时可将检测尺分为水平尺、高度尺和托架三部分，如图3所示，水平尺主要功能是测量钢轨外沿至挡砟墙外角的水平距离，高度尺主要功能测量钢轨顶面至挡砟墙顶面的高度，托架主要起到托扶水平尺以及沿高度尺上下活动读取数值的功能，为保证检测精度，尺身及连接部分均采用工字型铝合金材料和激光刻度。
        4.2设计细节
        1）水平尺分为两节，第一节由尺头钢轨卡槽和1.083米的尺身组成，如图4所示，钢轨卡槽可采用不锈钢材料车床加工，与铝合金尺身采用螺栓连接。第二节长1米，两节水平尺中间采用合页连接，合页安装在尺子的非刻度一侧，刻度一侧安装两个锁扣，水平尺打开以后可以锁死，保证两节水平尺在一条直线上。

       图4水平尺尺头

        图5 1—1截面

          图8 水平尺连接合页
        2）高度尺和水平尺采用托架连接，托架采用不锈钢材料加工，如图9、10、11所示，托架的一部份矩形套筒，可套在高度尺上，沿高度尺上下活动，并设两个紧固螺栓固定，安装水平仪主要为了保证高度尺竖直，另一部分为L型，该部分主要起到托扶水平尺的作用，两部分采用螺栓连接。
        3）高度尺的刻度要考虑连接托架的高度，由于图10、11中托架的高度为40mm，因此高度尺零刻度线应从距离尺底40mm处开始。


        （下转第358页）