钢轨调节器在轨道交通应用中的问题及优化

赵天运 乔神路

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 钢轨调节器设置目的和位置

钢轨伸缩调节器(简称EJ)是一种钢轨的连接结构，由于它的伸缩动程大、传递纵向阻力小，因而在无缝线路的某些条件下必须设置。我国钢轨伸缩调节器主要采用基本轨伸缩、尖轨固定的结构形式，在基本轨一端应设置小阻力扣件。根据钢轨的伸缩要求，可选用600 mm或1 000 mm等不同伸缩量的单向或双向调节器。城市轨道高架桥宜采用钢轨伸缩调节器(简称调节器)方式放散无缝线路应力，目的是为减小无缝线路长钢轨纵向力及位移向道岔区传递，以及减小大跨度连续梁上钢轨断轨后墩台所受断轨力。调节器的一般设置位置如下：

1)在高架桥道岔前后设置；

2)大跨度桥，当温度跨大于100 m，设置一组调节器；当大于120 m时，设置一组或多组调节器，应根据计算确定。

2 钢轨调节器尺寸及构造

曲线型钢轨伸缩调节器尖轨固定，基本轨作相对伸缩，设置导向轨撑支撑基本轨轨腰及扣压轨底，主要尺寸及构造如图1～图3所示。钢轨调节器范围钢轨材质与线路保持一致，设置1/40轨底坡；调节器基本轨与尖轨贴合面采用半径300 m的圆曲线，圆曲线与轨距线相切，尖轨实际尖端轨头宽1 mm；尖轨以60AT钢轨制造，尖端为藏尖式，跟端加工成60 kg/m钢轨标准断面；为降低伸缩阻力，基本轨应按详图进行预顶弯；钢轨调节器范围内不设护轨。轨撑与垫板、垫板与短轨枕及尖轨跟端钢轨与轨撑均通过螺栓连接。

我国主要城市轨道交通用单向钢轨伸缩调节器主要参数见表1。

3 钢轨调节器布置相关规定

根据《铁路轨道设计规范》，钢轨伸缩调节器是否设置、设置数量和位置应经轨道和桥梁结构检算后确定，调节器布置应符合以下规定：

1)单向调节器的尖轨宜顺列车运行方向布置(列车自尖轨跟端往尖端方向运行)。

表1 我国主要城市轨道交通用单向钢轨伸缩调节器主要参数

2)调节器不应设置在半径小于1 500 m的曲线上，也不宜设置在竖曲线上。

3)当调节器布置在梁端时，尖轨不可跨越梁端；当每跨或每联的两端都设置调节器时，不得将尖轨同时设在两端梁内。

4)混凝土桥梁上铺设无缝线路，根据设计可在桥梁中部设置双向调节器。调节器基本轨接头以外的线路宜采用小阻力扣件，其铺设长度按计算确定。

5)调节器基本轨、尖轨接头距桥梁横梁、桥台胸墙或支座的距离不宜小于2 m。

6)钢轨伸缩调节器范围内的轨道刚度应均匀，并与其两端轨道刚度一致。

7)钢轨伸缩调节器不应设置在不同轨下构筑物和轨道结构过渡段范围内。

4 城市轨道交通应用中的主要问题及优化措施

钢轨伸缩调节器在实际应用中，由于地形、地质、环境等诸多条件的限制，城市轨道交通高架区段桥跨布置难以调整，钢轨伸缩调节器尖轨出现跨越梁缝的情况。为满足尖轨跟端距离梁缝不小于2 m的要求，有效控制尖轨尖端的伸缩变形，保证调节器轨距及尖轨尖端强度，设计采用插入短轨跨越梁缝的方法，并在尖轨跟端通过垫板与短轨枕的连接螺栓实现尖轨跟端的固定。在实际应用过程中，往往由于梁轨相互作用的影响，钢轨调节器尖轨跟端与短轨枕的连接螺栓处出现混凝土轨枕裂纹等病害，造成尖轨位移大大增大，影响结构的安全使用。

以北京地铁房山线某钢轨调节器为例，调节器位于(25+25+24.9) m连续梁上，道岔位于(47.702+64+43) m连续梁上，温度跨度97.6 m。道岔与钢轨调节器间插入12 m短轨，钢轨调节器尖轨跟端距离梁缝9.443 m，满足2 m的规范要求。梁体混凝土强度等级为C40，弹性模量3.4×104MPa，泊松比0.2。钢轨调节器与桥梁的布置简图如图4所示。

在温度荷载作用下，长轨条伸缩区钢轨发生纵向变形，带动调节器尖轨发生同向伸缩。由于尖轨伸缩方向与轨下梁体的伸缩方向相反，尖轨跟端梁轨相对位移较大，连接螺栓承受较大剪力，钢轨纵向力也急剧增加，形成纵向力峰值。根据建模计算，轨温变化幅度50 ℃，梁温变化幅度30 ℃时，尖轨跟端钢轨纵向力最大值为978.91 kN，横向连结受力最大值为304.52 kN，尖轨尖端最大位移为10.66 mm。虽然尖轨尖端位移满足限值要求，但尖轨跟端轨撑横向连结螺栓的最大受力超过限值，引起螺栓处混凝土轨枕发生裂纹，影响使用。

针对该类问题，进行了以下优化措施：

1)将尖轨跟端轨撑螺栓孔改为长圆孔，允许尖轨在满足位移限值、轨距变化要求的情况下，可进行一定范围的位移。北京地铁房山线的调节器尖轨跟端螺栓孔优化为±5 mm的长圆孔，跟端轨撑螺栓孔优化为±35 mm的长圆孔，有效解决了梁缝伸缩带动尖轨拉拽螺栓引起混凝土轨枕发生裂纹的问题。

2)按照钢轨调节器尖轨固定，基本轨伸缩的设计理念，在工程开展前期，布置调节器时尽早与线路、桥梁等专业提资沟通，预留将调节器基本轨设置在梁缝处的条件，从根本上解决问题。避免出现尖轨跟端跨梁缝或与梁缝距离较近，引起梁缝伸缩带动尖轨位移、螺栓受力歪斜及混凝土轨枕裂纹等问题。

参考文献：

[1] GB 50157—2013,地铁设计规范[S].

[2] TB 10082—2017,铁路轨道设计规范[S].

[3] 铁道部第三设计院.道岔设计手册[M].北京：人民铁道出版社，1975.

[4] 丁静波.北京轨道交通房山线轨道结构设计研究[J].铁道标准设计，2011(1)：11-112.

[5] 段翔远，刘亚航，陈 嵘.钢轨伸缩调节器对桥上无缝道岔的影响[J].中国铁道，2010(11)：56-59.