郭輝 蔣金洲 高芒芒 劉曉光 趙會(huì)東 蘇朋飛 朱穎 何東升

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；4.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050）

近年來，我國高速鐵路大跨度鋼橋取得快速發(fā)展，以滬蘇通長江大橋、五峰山長江大橋?yàn)榇淼闹骺绯姿髦螛蛄翰粩嘤楷F(xiàn)［1-2］。大跨度鋼橋受列車、溫度、風(fēng)荷載等影響大，梁端縱向伸縮、豎向轉(zhuǎn)角等空間變位復(fù)雜，給梁端伸縮裝置的設(shè)計(jì)帶來一定困難，協(xié)調(diào)主、引橋梁體伸縮與鋼軌伸縮的問題更為重要［3-5］。在引進(jìn)、消化國外相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上，我國已在大跨度鐵路鋼橋梁端伸縮裝置相關(guān)領(lǐng)域開展了十多年的研究。莊軍生［4］提出了一種用于鐵路橋梁梁端大位移的下承式伸縮裝置，主要通過鋼枕下方位移箱內(nèi)支承梁的伸縮適應(yīng)梁端變位。下承式梁端伸縮裝置最初用于武漢天興洲長江大橋，設(shè)計(jì)伸縮量±500 mm，10 多年的運(yùn)營實(shí)踐表明其可以滿足列車安全運(yùn)行要求［6］，但結(jié)構(gòu)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。在之后多座大橋梁端伸縮裝置的專項(xiàng)研究中，對(duì)下承式梁端伸縮裝置進(jìn)行了改進(jìn)。另一類裝置因支承梁位于鋼枕上方而被稱為上承式梁端伸縮裝置，其與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器為一體化構(gòu)造，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，在高速鐵路大跨度橋梁中應(yīng)用較多，如南京大勝關(guān)長江大橋、銅陵公鐵兩用長江大橋、滬蘇通長江公鐵大橋和五峰山長江大橋等，最大設(shè)計(jì)伸縮量±900 mm［6］，多為德國奧鋼聯(lián)公司產(chǎn)品。近年來，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐，國產(chǎn)上承式梁端伸縮裝置研發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，如重慶軌道交通環(huán)線二期鵝公巖軌道專用橋，商合杭高速鐵路蕪湖長江公鐵大橋、裕溪河橋、淮河橋［7］，平潭海峽公鐵兩用大橋通航孔橋等，最大設(shè)計(jì)伸縮量達(dá)±800 mm。

本文從梁端伸縮裝置需同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)剛度及伸縮、行車要求等角度出發(fā)，提出了基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)方法。對(duì)伸縮裝置的總體方案、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)造、伸縮裝置的靜動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，提出了基于梁端變位特征的橋梁約束體系優(yōu)化建議、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與梁端伸縮裝置的一體化設(shè)計(jì)，并對(duì)裝置豎向剛度、縱向伸縮阻力、抗疲勞性能和梁端區(qū)域的動(dòng)力性能進(jìn)行了對(duì)比分析，相關(guān)成果可為大跨度鋼橋梁端伸縮裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 既有梁端伸縮裝置服役現(xiàn)狀調(diào)研

1.1 下承式梁端伸縮裝置

下承式梁端伸縮裝置由我國自主研發(fā)，最早用于武漢天興洲長江大橋，到目前為止服役近11 年，設(shè)計(jì)伸縮量為±500 mm。梁縫處設(shè)3 根活動(dòng)鋼枕，鋼枕下方的支承梁位于梁端主、引橋的位移箱內(nèi)，主橋側(cè)為固定端位移箱，引橋側(cè)為活動(dòng)端位移箱，通過支承梁在位移箱內(nèi)的縱向滑動(dòng)適應(yīng)主、引橋的縱向伸縮位移。同時(shí)，支承梁需為梁縫區(qū)提供豎向支承，以保證鋼軌下方具有足夠的豎向剛度。裝置橫向剛度主要由鋼軌外側(cè)的2根側(cè)向?qū)к壱约拔灰葡鋬?nèi)的橫向限位構(gòu)造提供［4］。在梁端伸縮裝置附近采用了雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，并在鋼枕上采用了小阻力彈條扣件。

早期應(yīng)用的下承式梁端伸縮裝置在日常養(yǎng)修中經(jīng)常遇到的問題有：①伸縮裝置活動(dòng)導(dǎo)致鋼枕歪斜，呈現(xiàn)八字形病害，位于鋼枕下方的連桿彎曲而折斷；②有砟軌道擋砟墻附近的道砟不密實(shí)導(dǎo)致軌枕空吊，引起伸縮裝置附近的豎向剛度突變；③梁端區(qū)域的軌道狀態(tài)難以保持［6］。

造成上述問題的主要原因有：①梁端伸縮裝置與調(diào)節(jié)器通過彈條扣件連接，難以保證長期服役過程中鋼枕可相對(duì)鋼軌縱向自由、均勻伸縮，導(dǎo)致鋼枕與鋼軌間阻力不均勻，引起鋼枕歪斜、下方連桿折斷；②連桿布置于鋼枕下方，檢查人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋等早期病害；③擋砟墻附近軌枕下方的道砟難以搗固密實(shí)，使得列車通過時(shí)因剛度變化引起軌枕上下振動(dòng)；④早期采用雙向尖軌浮置于主橋梁端的設(shè)計(jì)使得軌道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定［6］。

由此可見，早期下承式梁端伸縮裝置在考慮梁端區(qū)域主梁和鋼軌伸縮的協(xié)調(diào)性方面存在不足，總體方案和局部構(gòu)造還可以進(jìn)一步優(yōu)化［6］。

1.2 上承式梁端伸縮裝置

我國最早的上承式梁端伸縮裝置是從德國奧鋼聯(lián)BWG 公司引進(jìn)的，伸縮裝置與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器一體化設(shè)計(jì)和施工，于2011 年1 月首次應(yīng)用于京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋。目前，上承式梁端伸縮裝置的伸縮量有±150，±300，±600，±900 mm 四種，對(duì)應(yīng)活動(dòng)鋼枕根數(shù)為0，1，2，4，在我國大跨度鐵路鋼橋中應(yīng)用較多。上承式梁端伸縮裝置位于線路上方，由支承梁、剪刀叉、活動(dòng)鋼枕、軌枕、扣件等部件組成，支承梁懸吊于活動(dòng)鋼枕上方從而提供豎向支承，梁縫處扣件間距則通過活動(dòng)鋼枕進(jìn)行調(diào)節(jié)，伸縮區(qū)可滑動(dòng)扣件保證鋼軌正?；瑒?dòng)，剪刀叉保證縱向伸縮的均勻性。

近10年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和養(yǎng)修實(shí)踐表明，上承式梁端伸縮裝置總體工作性能良好，能夠保證梁縫區(qū)行車安全和平穩(wěn)，但在運(yùn)營中也存在一些問題。文獻(xiàn)［3］總結(jié)了南京大勝關(guān)長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器出現(xiàn)的主要病害：活動(dòng)鋼枕歪斜，剪刀叉橫向彎曲變形；尖軌以及基本軌光帶不良；調(diào)節(jié)器尖軌爬行量較大等。同時(shí)提出了針對(duì)性的整治措施和日常檢修建議。除南京大勝關(guān)長江大橋外，BWG上承式梁端伸縮裝置先后用于黃岡長江大橋（主跨度567 m，設(shè)計(jì)速度200 km/h）、銅陵公鐵兩用長江大橋（主跨度630 m，設(shè)計(jì)速度250 km/h）、安慶鐵路長江大橋（主跨度580 m，設(shè)計(jì)速度250 km/h）等大跨度鐵路鋼橋，總體運(yùn)營情況良好。

2 基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)

作為梁端區(qū)域協(xié)調(diào)各方向位移和轉(zhuǎn)角的機(jī)械部件，梁端伸縮裝置須同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度、縱向伸縮、耐久性、可更換性等多重性能要求，從而保證梁端區(qū)域高速行車安全和平穩(wěn)。作為高速鐵路大跨度鋼橋的核心部件，建立一套系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)方法是保證其工作性能的前提。梁端伸縮裝置是鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器在梁縫部位用于支承活動(dòng)鋼枕、保證扣件間距的一類抬枕裝置。因此，考慮梁端伸縮裝置與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的協(xié)同工作要求，提出基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)方法。

2.1 設(shè)計(jì)總體框架

基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)總體框架見圖1。根據(jù)多座大跨度鋼橋的研究和應(yīng)用實(shí)踐，梁端伸縮裝置設(shè)計(jì)除考慮裝置本身，在設(shè)計(jì)之初需要對(duì)橋梁的約束體系、梁端空間變位特征進(jìn)行精細(xì)化分析［6，8-10］。其主要目的在于：①通過約束體系的合理設(shè)計(jì)減小大橋的溫度跨度，減小梁端縱向伸縮位移，有利于實(shí)現(xiàn)伸縮裝置的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；②合理控制梁端豎向轉(zhuǎn)角、橫向折角，保證軌道扣件受力合理，減小主、引橋之間的相對(duì)位移差從而合理控制軌面線形，為梁端伸縮裝置提供相對(duì)良好的工作條件。

圖1 基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)總體框架

在確定橋梁約束體系后，需要從梁端伸縮裝置的性能需求角度出發(fā)，在總體方案、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面做好裝置的精細(xì)化設(shè)計(jì)，并通過整體和局部靜力分析、梁端車-橋耦合振動(dòng)分析等手段，評(píng)判裝置的靜動(dòng)力性能是否滿足性能需求。如不滿足，則重新對(duì)梁端伸縮裝置進(jìn)行總體方案和局部構(gòu)造的優(yōu)化調(diào)整，直至滿足要求為止。

2.2 大跨度鋼橋的梁端變位特征及約束體系優(yōu)化

早期開展梁端伸縮裝置設(shè)計(jì)時(shí)，一般由大橋設(shè)計(jì)單位直接提供梁端設(shè)計(jì)伸縮量。裝置設(shè)計(jì)單位即根據(jù)縱向伸縮量進(jìn)行總體布置方案和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的設(shè)計(jì)，較少針對(duì)梁端變位特征開展精細(xì)化分析。以南京大勝關(guān)長江大橋、滬蘇通長江公鐵大橋、五峰山長江大橋、川藏鐵路大渡河特大橋、甬舟鐵路西堠門大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)大橋的梁端變位特征開展了比較深入的分析和對(duì)比研究［6-8］，得出以下結(jié)論：

1）采用縱向固定約束的拱橋，梁端縱向位移主要受溫度影響，與橋梁溫度跨度直接相關(guān)，受列車活載的影響較小。采用半漂浮體系的鐵路斜拉橋、懸索橋以及斜拉-懸吊協(xié)作體系橋，梁端設(shè)計(jì)縱向位移受溫度、列車活載（公鐵兩用時(shí)含汽車活載）的影響明顯，分析列車活載縱向位移時(shí)應(yīng)考慮列車加載長度，并按影響線最不利效應(yīng)加載。此外，還應(yīng)考慮列車制動(dòng)力、縱向風(fēng)和基礎(chǔ)沉降等的影響，特殊情況下應(yīng)考慮地震作用的影響（如大渡河特大橋）。

2）對(duì)特大跨度橋梁，需考慮各類設(shè)計(jì)荷載的合理組合。以主跨度1 488 m 的甬舟鐵路西堠門大橋?yàn)槔?，該橋?yàn)樾崩?懸吊協(xié)作體系橋，跨徑布置為（70+112+406+1 488+406+112+70）m，半漂浮體系，溫度跨度達(dá)1 332 m，主梁采用分離式鋼箱梁，承載兩線高速鐵路（速度250 km/h）、六車道高速公路。如直接將設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)線性疊加，將使得梁端縱向位移過于保守，大大增加梁端伸縮裝置設(shè)計(jì)難度。因此，參考?xì)W洲規(guī)范 BS EN 1991-2：2003［10］，考慮相關(guān)設(shè)計(jì)荷載的組合系數(shù)，得到不同荷載組合的梁端變位見表1?？梢?，以列車/汽車活載主導(dǎo)的荷載組合對(duì)應(yīng)的梁端縱向位移最大，考慮一定余量后，確定西堠門大橋的縱向設(shè)計(jì)伸縮量為±900 mm［11］。

3）關(guān)于梁端豎向轉(zhuǎn)角，多座高速鐵路大跨度鋼橋通過增設(shè)輔助墩，提高了整體剛度，明顯降低了梁端豎向轉(zhuǎn)角。以主跨1 092 m 的五峰山長江大橋?yàn)槔?，該橋?yàn)楣F兩用鋼桁梁懸索橋，跨徑布置為（84+84+1 092+84+84）m，考慮梁端豎向轉(zhuǎn)角活載最不利加載工況，得到列車豎向靜活載引起的梁端豎向轉(zhuǎn)角最大值為0.83‰ rad，明顯小于規(guī)范限值 2‰ rad［12］。除列車活載外，基礎(chǔ)沉降也對(duì)梁端轉(zhuǎn)角有較大影響［8］。

表1 甬舟鐵路西堠門大橋不同荷載組合的梁端變位

4）關(guān)于梁端橫向折角，當(dāng)梁端伸縮縫寬度較小時(shí)，主、引橋如存在較大的橫向位移差，則將產(chǎn)生明顯的梁端橫向折角，對(duì)行車不利。分析表明：梁端橫向約束不合理將導(dǎo)致溫度荷載作用下主、引橋橫向位移差較大，從而引起橫向折角；當(dāng)主梁中部或兩端缺少橫向限位約束，橫向風(fēng)荷載將引起梁端整體橫向偏移，也會(huì)引起梁端橫向折角。南京大勝關(guān)長江大橋、滬蘇通長江公鐵大橋、甬舟鐵路西堠門大橋等均在主梁中部設(shè)置了橫向限位支座；五峰山長江大橋在鋼梁兩側(cè)設(shè)置了橫向抗風(fēng)支座，主要目的均是為了合理控制梁端橫向位移。

2.3 基于運(yùn)營實(shí)踐的優(yōu)化設(shè)計(jì)——下承式梁端伸縮裝置

基于下承式梁端伸縮裝置的運(yùn)營實(shí)踐，開展了系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，下承式梁端伸縮裝置結(jié)構(gòu)示意和橫斷面分別見圖2和圖3［6］。

圖2 下承式梁端伸縮裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3 下承式梁端伸縮裝置的橫斷面

下承式梁端伸縮裝置的優(yōu)化具體包括：①鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器采用單向調(diào)節(jié)器方案，尖軌鎖定、基本軌伸縮。②優(yōu)化調(diào)節(jié)器扣件，伸縮區(qū)扣件采用軌撐式縱向可滑動(dòng)扣件，滿足縱向伸縮阻力要求，降低鋼枕與鋼軌之間的相互影響；固定鋼軌扣件采用大阻力軌撐扣件，固定端混凝土軌枕采用常阻力彈條扣件，以保證軌道穩(wěn)定。③優(yōu)化伸縮裝置的連桿位置和截面形式，將連桿位置從線路下方調(diào)整至活動(dòng)鋼枕兩端，采用立式布置、菱形結(jié)構(gòu)，便于養(yǎng)護(hù)維修；增大連桿截面，并對(duì)連桿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)；節(jié)點(diǎn)處采用六角頭防松螺栓，螺栓與連桿間設(shè)置墊圈，確保裝置伸縮過程中連桿的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，保證受力安全。④承壓支座和壓緊支座對(duì)應(yīng)的位移箱側(cè)面“開窗”，便于支座的檢查和維護(hù)。以往的設(shè)計(jì)沒有考慮運(yùn)營期間支座更換的問題，由于大跨度鐵路鋼橋的往復(fù)伸縮比較頻繁，支座在長期累積磨耗的影響下，較伸縮裝置主體結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)性能劣化的問題，需考慮提前更換的便捷性，滿足易維護(hù)、可更換的要求。⑤側(cè)向?qū)к壨鈧?cè)設(shè)置伸縮標(biāo)尺，可實(shí)時(shí)查看伸縮裝置的伸縮量、伸縮均勻性，為工務(wù)部門的日常檢查提供便利，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的下承式梁端伸縮裝置樣機(jī)見圖4（綠色為側(cè)向?qū)к墸瑐?cè)面為標(biāo)尺）。⑥在伸縮裝置處于較大壓縮狀態(tài)時(shí)，側(cè)向?qū)к壍膽冶坶L度較大，為避免高速列車通過時(shí)引起高頻振動(dòng)，在側(cè)向?qū)к壍纳炜s端設(shè)置扣鐵，見圖4中藍(lán)色部件。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的下承式梁端伸縮裝置樣機(jī)

2.4 基于梁-軌一體化的上承式梁端伸縮裝置

上承式梁端伸縮裝置的支承縱梁位于軌枕上方，通過扣件與鋼枕連接，實(shí)現(xiàn)了伸縮裝置與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的一體化。國產(chǎn)上承式梁端伸縮裝置的總體布置見圖5，已在商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋、裕溪河大橋等高速鐵路大跨度鋼橋成功鋪設(shè)［7］。

圖5 上承式梁端伸縮裝置總體布置（伸縮量±900 mm；單位：mm）

國產(chǎn)上承式梁端伸縮裝置的結(jié)構(gòu)簡潔，受力明確，便于日常檢查和維護(hù)。受鐵路限界影響，上承式梁端伸縮裝置的支承梁難以通過增大梁高來增大剛度，針對(duì)大位移量的情況，主要通過增大截面寬度、增加支承梁根數(shù)的方式提高豎向剛度。從已應(yīng)用的情況來看，目前上承式梁端伸縮裝置的伸縮量最大可達(dá)到±900 mm。縱向伸縮阻力方面，通過研究確定了上承式梁端伸縮裝置的縱向伸縮阻力限值，見表2［13］?？梢?，活動(dòng)鋼枕數(shù)量越多，其與鋼軌的接觸面越多，伸縮阻力限值越大。

對(duì)于梁端行車的安全性和平穩(wěn)性，通過建立車-線-橋-伸縮裝置的耦合振動(dòng)分析模型進(jìn)行不同工況的動(dòng)力性能評(píng)價(jià)。在開展甬舟鐵路西堠門大橋±900 mm 伸縮量的上承式梁端伸縮裝置動(dòng)力性能分析時(shí)，除采用車-線-橋耦合振動(dòng)分析方法直接考察伸縮裝置和車輛的動(dòng)力響應(yīng)，還提出采用10 m 弦測(cè)值對(duì)梁端局部區(qū)域的軌道不平順進(jìn)行評(píng)判［11］。

表2 上承式梁端伸縮裝置的縱向伸縮阻力限值

以上從性能需求角度對(duì)上承式梁端伸縮裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，體現(xiàn)了基于梁-軌一體化的上承式梁端伸縮裝置的技術(shù)特點(diǎn)。

3 梁端伸縮裝置靜動(dòng)力特性分析

3.1 豎向剛度

以甬舟鐵路西堠門大橋?yàn)槔?，同時(shí)進(jìn)行下承式、上承式梁端伸縮裝置的方案設(shè)計(jì)，前者采用3 根支承梁設(shè)計(jì)方案，與圖2—圖4相同；后者與圖5相同，采用4 根活動(dòng)鋼枕、4 根支承梁方案。下承式、上承式梁端伸縮裝置的靜力特性分析結(jié)果分別見表3、表4。下承式梁端伸縮裝置的4 種工況分別為：工況1，豎向荷載250 kN；工況2，橫向水平荷載100 kN；工況3，1 mm 梁端支點(diǎn)豎向位移差；工況4，結(jié)構(gòu)同時(shí)承受豎向荷載、水平荷載及梁端支點(diǎn)豎向位移差（豎向1 mm）。上承式梁端伸縮裝置的3 種工況分別為：工況5，結(jié)構(gòu)僅承受豎向荷載250 kN；工況6，結(jié)構(gòu)僅承受橫向水平荷載100 kN；工況7，結(jié)構(gòu)同時(shí)承受豎向荷載250 kN和水平荷載100 kN。

表3 下承式梁端伸縮裝置的靜力特性分析結(jié)果

由表3 可知：4 種工況下，裝置整體應(yīng)力水平均較低，強(qiáng)度不控制伸縮裝置設(shè)計(jì)；支承梁的豎向和橫向位移均較小，在250 kN 豎向靜活載作用下支承梁最大豎向位移為0.30 mm，滿足豎向剛度要求；最大橫向位移為0.19 mm；鋼軌最大豎向位移為1.05 mm（考慮1 mm 梁端支點(diǎn)變位）；鋼軌最大橫向位移為0.27 mm，側(cè)向?qū)к壸畲髴?yīng)力為32.8 MPa，在工況2 橫向水平荷載作用下產(chǎn)生的最大橫向位移為0.21 mm，明顯大于支承梁最大橫向位移0.09 mm，說明側(cè)向?qū)к壧峁┲饕臋M向剛度。靜力特性分析結(jié)果表明，伸縮裝置整體滿足靜力受力與變形要求。

表4 上承式梁端伸縮裝置的靜力特性分析結(jié)果

由表4可知：支承梁的豎向和橫向位移均較小，最大豎向位移為0.31 mm，與下承式梁端伸縮裝置的量值一致，說明整體豎向剛度相同；最大橫向位移為0.09 mm，最大應(yīng)力為19.1 MPa；鋼枕最大豎向位移為0.31 mm，最大應(yīng)力為26.0 MPa；鋼軌最大豎向位移為0.44 mm，最大橫向位移為0.50 mm。伸縮裝置均滿足整體受力與變形要求。

3.2 縱向伸縮阻力

通過室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)，對(duì)上承式、下承式梁端伸縮裝置的縱向伸縮阻力進(jìn)行比較，結(jié)果見表5和表6。

表5 不同上承式梁端伸縮裝置的縱向伸縮阻力結(jié)果

表6 下承式梁端伸縮裝置的縱向伸縮阻力結(jié)果

由表5可見，隨著設(shè)計(jì)伸縮量的增大、活動(dòng)鋼枕數(shù)量增多，裝置縱向伸縮阻力逐漸增大；安裝配套扣件及走行軌后，縱向伸縮阻力較安裝前增大較為明顯；實(shí)測(cè)縱向阻力均小于規(guī)范限值，說明上承式梁端伸縮裝置具有較低的縱向伸縮阻力，因?yàn)槠渖炜s阻力主要來自于鋼軌和軌枕間，采用可滑動(dòng)扣件可有效降低縱向伸縮過程中的阻力。與上承式梁端伸縮裝置相比，下承式梁端伸縮裝置室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)表明，受位移箱內(nèi)承壓支座、壓緊支座，活動(dòng)鋼枕吊架內(nèi)壓緊支座，以及鋼枕和鋼軌扣件的影響，縱向伸縮阻力相對(duì)較大，拉伸和壓縮阻力基本在65 kN 左右；當(dāng)釋放吊架內(nèi)壓緊支座的約束后，伸縮阻力在25 kN 左右，說明活動(dòng)鋼枕吊架對(duì)伸縮阻力的影響較大，適當(dāng)降低壓緊支座的預(yù)壓力可減小裝置的縱向伸縮阻力。

3.3 抗疲勞性能

對(duì)上承式、下承式梁端伸縮裝置整體組裝件均進(jìn)行了300 萬次的疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在循環(huán)加載后，伸縮裝置各零部件無損壞，無塑性變形；考慮到現(xiàn)場(chǎng)長期運(yùn)營條件下梁端區(qū)域軌枕經(jīng)常出現(xiàn)的空吊病害，在空吊工況下各零部件應(yīng)力和位移均在允許值范圍；疲勞試驗(yàn)后連接板、軌撐、剪刀叉和扣鐵螺栓扭矩均未減小?？傮w來看，由于列車活載作用下伸縮裝置的應(yīng)力水平很低，上承式、下承式梁端伸縮裝置的抗疲勞性能均滿足要求。

3.4 動(dòng)力性能

以甬舟鐵路西堠門大橋的上承式梁端伸縮裝置為研究對(duì)象，分別對(duì)升降溫荷載、列車活載、公路活載及其組合荷載計(jì)算軌道不平順10 m 弦測(cè)值，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 荷載組合及相應(yīng)的軌道幾何不平順10 m弦測(cè)值mm

由表7可見，單獨(dú)考慮各種附加荷載，包括列車通行、公路活載、整體升降溫以及活動(dòng)鋼枕的病害，軌道不平順10 m 弦測(cè)值均滿足2 mm 的要求，考慮各種不利荷載的疊加，10 m 弦測(cè)值最大為2.261 mm，滿足組合工況下10 m弦測(cè)值小于5 mm的限值要求。

由橋梁和車輛動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可知，整體升降溫作用、列車活載、公路活載各因素單獨(dú)作用下，梁端伸縮裝置和車輛的動(dòng)力性能均滿足要求，減載率最大為0.334，車體振動(dòng)加速度最大為0.963 m/s2，均發(fā)生在整體升降溫工況，可見所有的獨(dú)立影響因素中，溫度作用對(duì)車輛響應(yīng)的影響最大。荷載組合后，減載率最大值為0.350，脫軌系數(shù)最大值為0.108，豎向車體加速度最大值為1.103 m/s2，橫向車體加速度最大值為0.493 m/s2，均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，平穩(wěn)性指標(biāo)最大達(dá)到2.855，滿足規(guī)范規(guī)定的合格要求，對(duì)應(yīng)組合為列車活載與公路活載形成最小梁端折角且同時(shí)存在溫度的工況。綜合所有的計(jì)算結(jié)果，梁端伸縮裝置能夠保證列車以250 km/h安全平穩(wěn)通行。

4 結(jié)論

對(duì)高速鐵路大跨度鋼橋梁端伸縮裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)的總體框架和技術(shù)流程，通過數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

1）對(duì)于±900 mm 梁端縱向伸縮量，下承式和上承式梁端伸縮裝置均能滿足豎向剛度、抗疲勞性能的要求，上承式梁端伸縮裝置的縱向伸縮阻力小于下承式梁端伸縮裝置。對(duì)于上承式梁端伸縮裝置，基于弦測(cè)法和車橋耦合分析結(jié)果均能滿足行車要求。

2）上承式梁端伸縮裝置結(jié)構(gòu)簡潔，受力明確，在滿足豎向剛度、梁端行車安全性和平穩(wěn)性條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮上承式梁端伸縮裝置的結(jié)構(gòu)形式，與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。

3）對(duì)于更大位移量（如2 500 mm 級(jí)）的梁端伸縮裝置，由于上承式梁端伸縮裝置受豎向剛度的限制，需要進(jìn)一步研究梁端伸縮裝置的合理結(jié)構(gòu)形式，在滿足剛度、行車等要求前提下，做好結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化，為工程應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。