技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种适用于超大跨度铁路钢桥的整体式梁端伸缩装置。
背景技术
[0002] 跨江越海
桥梁建设为我国超大跨度铁路钢桥的发展提供了巨大机遇。近年来，主跨超千米的高速铁路
斜拉桥和悬索桥应运而生，而未来琼州海峡跨海通道、渤海湾跨海通道、杭州湾铁路跨海通道、台湾海峡跨海铁路工程以及“一带一路”跨海通道等的建设，必然会涌现出一大批世界级的超大跨度铁路桥梁。超大跨度铁路钢桥具有很大的
温度跨度，且整体结构
刚度较低、几何非线性效应明显，在温度、
风荷载、高速列车荷载、
制动力、列车横向摇摆力等作用下，桥梁结构梁端部位将会产生非常明显的空间变位，如纵向位移将可能达到2500mm级及以上，主、引桥之间梁端横向折
角将超过2.5‰rad，现有的铁路梁端伸缩装置很难适应这一变位量值，体现在结构整体刚度受限、同时无法抵抗主引桥间的
横向位移差等方面。因此，实用新型一种竖向刚度大、整体性好，同时还可较好地适应梁端横向位移的超大位移量梁端伸缩装置，满足高速列车在梁端区域通过时的安全性与平稳性，就显得非常重要。
[0003] 国内关于梁端伸缩装置的
专利申请数量较多，但大多数位移量很小，或仅适用于公路桥梁。如专利号ZL200720089000.9铁路客运专线大跨度桥梁端部无碴轨道伸缩装置，适用的梁缝宽度为94-694mm；专利号ZL200420033866.4超大位移量桥梁伸缩装置，提出一种适应桥梁800mm以上位移的伸缩装置，该装置采用压缩型
弹簧和剪切弹簧组合的位移均匀性控制机构，适用于公路大跨度桥梁。专利号为ZL201520771388.5的铁路桥梁梁端伸缩装置，该专利提出采用支承梁下置、且支承梁采用工字形截面分置于铁路左、右钢轨下方的下承式梁端伸缩装置方案，通过模数化设计，可以实现5根活动钢枕条件下最大设计伸缩位移量±1200mm，分析该专利给出的结构构造图并结合现场工程应用实践，可知存在以下问题和缺点：(1)对于单线左、右钢轨分置的支承梁和位移箱结构而言，由于现场施工安装时的误差较难控制，左右侧钢轨下部位移箱的平行度、与线路中线的吻合度等均可能存在较大偏差，在后续使用过程中随着纵向往复大位移伸缩和横向位移，可能产生伸缩装置的活动钢枕易造成歪斜、
连杆容易因左右侧受力不均或横向位移差等影响造成开裂或折断的问题。(2)当采用5根活动钢枕、总位移量达到2400mm时，对支承梁的竖向刚度也提出了很高的要求。一般的支承梁高度在300mm左右，但在活动钢枕达到5根或超过5根时，为满足竖向列车荷载(250kN)作用下支承梁的最大挠度小于1mm的要求，支承梁的高度将随着梁缝两侧支承梁的
支点间距增大和活动钢枕数量增加而迅速增大。支承梁高度的明显增大导致轨道与伸缩装置系统总高度的明显增加，由于这一高度直接决定了与主、引桥连接时梁端部位的开槽深度，可能给主、引桥梁端部位的结构设计带来很大影响，最终造成梁端伸缩装置无法设计的情况。(3)梁端伸缩装置下部位移箱通过
焊接或
螺栓连接形式直接与主、引桥连接，由于位移箱整体的横向刚度与主桥钢梁比较相差甚远，当主桥产生较大横向位移时，将带动位移箱一起移动。位移箱的横向位移将通过钢枕直接传递到上部的钢轨，从而造成轨道的几何状态出现不良的情况，影响行车的平稳性甚至安全性，需要现场工务部
门频繁的养护维修。由于高速铁路养护维修
天窗期较短，一般仅3～4个小时左右，因此给病害产生后现场日常养护维修带来很大困难。实用新型内容
[0004] 为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种适用于超大跨度铁路钢桥的整体式梁端伸缩装置。此伸缩装置可显著提高梁端区域轨道的竖向支承刚度，减小甚至消除主桥梁端的开槽，同时满足梁端顺桥向自由伸缩和横桥向一
定位移的要求，并通过一体化设计理念改变以往梁端伸缩装置与钢轨伸缩调节器各自设计的窠臼。
[0005] 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种适用于超大跨度铁路钢桥的整体式梁端伸缩装置，包括：
[0007] 由活动端位移箱、固定端位移箱和支承梁构成的位于所述梁端伸缩装置底部的基本支承结构；其中，所述支承梁为整体箱型梁，所述支承梁的两端分别插入所述活动端位移箱和固定端位移箱内，所述活动端位移箱与引桥预埋钢板通过螺栓固定连接，所述固定端位移箱与主桥预埋钢板通过螺栓固定连接；
[0008] 若干根平行设置的活动钢枕和固定钢枕，所述活动钢枕和固定钢枕均垂直于所述铁路长度方向设置；且所述活动钢枕设于所述支承梁的顶部，所述固定钢枕分别设于所述活动端位移箱和固定端位移箱的顶部；
[0009] 两条钢轨，沿所述铁路长度方向设置，位于活动钢枕和固定钢枕的上方，并通过扣件依次连接所述活动钢枕和固定钢枕；其中，所述活动端位移箱侧采用小阻力可滑动轨撑式扣件，所述固定端位移箱侧采用弹条大阻力扣件；
[0010] 连杆装置，连接在各所述活动钢枕的端部以及与所述活动钢枕相邻设置的两个固定钢枕的端部。
[0011] 进一步的，所述支承梁均通过承压支座和压紧支座分别实现与活动端位移箱和固定端位移箱的连接；其中，所述承压支座位于所述支承梁的下方，所述压紧支座位于所述支承梁的上方；所述支承梁在固定端位移箱一侧纵向固定，所述支承梁在活动端位移箱内可纵向滑动。
[0012] 进一步的，插入所述活动端位移箱和固定端位移箱内的支承梁的两侧设有限位挡
块，所述限位挡块从两侧顶紧在整体箱型梁的边
腹板上，所述支承梁在活动端位移箱内可纵向滑动。
[0013] 进一步的，所述整体箱型梁的腹板为两根、三根或多根。
[0014] 进一步的，所述支承梁为变高度、变截面的整体箱型梁；其中，所述支承梁位于固定端位移箱的一端高度变低，实现降低主桥开槽深度或避免主桥开槽的目的。
[0015] 进一步的，所述活动端位移箱上的固定钢枕与所述活动端位移箱通过第一固定钢枕连接扣板固定连接；所述固定端位移箱上的固定钢枕与所述固定端位移箱通过第二固定钢枕连接扣板连接；所述固定钢枕与所述活动端位移箱、固定端位移箱之间
自上而下设有固定钢枕枕下垫板和压紧支座，其中所述第二固定钢枕连接扣板与所述固定钢枕的竖向
接触面之间设有空隙。
[0016] 进一步的，所述活动钢枕与支承梁通过活动钢枕连接扣板连接，所述活动钢枕与支承梁之间还设有活动钢枕枕下垫板；所述活动钢枕支承梁之间可纵向相对滑动，所述支承梁与活动钢枕的横向接触面之间设有间隙，或填充有
弹性模量较小的材料。
[0017] 进一步的，两条钢轨的外侧分别设有与所述钢轨平行的侧向
导轨，所述侧向导轨与所述固定钢枕、活动钢枕、梁端区域的
混凝土轨枕均通过扣件横向连接；其中，所述侧向导轨可在活动端位移箱侧纵向自由滑动。
[0018] 进一步的，所述连杆装置通过与各所述活动钢枕和所述活动钢枕相邻设置的两个固定钢枕端部上的连接座板铰接实现连接。
[0019] 进一步的，所述钢轨在梁端区域的纵向伸缩通过钢轨伸缩调节器实现，所述钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置为一体化设计。
[0020] 所述伸缩装置与课题组以往申请的专利ZL201520771388.5铁路桥梁梁端伸缩装置在支承梁截面形式、支承梁沿顺桥向的高度变化、梁端伸缩装置对主引桥横向位移的隔离等方面存在明显区别，是本专利三项需要保护的核心要点。本实用新型具有以下有益效果：
[0021] 1、支承梁采用整体箱形截面，竖向刚度大，整体性好，可适用于更大梁端纵向位移的桥梁，且能保证活动钢枕不会出现歪斜问题，连杆不会出现折断的情况；
[0022] 2、通过支承梁截面调整为箱型梁、支承梁在顺桥向采用变高度和变截面的钢梁，可有效避免主桥钢梁梁端开槽，极大地降低了设计工作量；
[0023] 3、可适用于有一定梁端横向位移(由温度和横向风荷载引起)的超大跨度铁路桥梁。
附图说明
[0024] 图1为本实用新型所述整体式梁端伸缩装置的侧视图；
[0025] 图2为本实用新型所述整体式梁端伸缩装置的俯视图；
[0026] 图3a、3b、3c依次为图1中A-A、B-B、C-C剖面图；
[0027] 图4a为变截面支承梁侧视图；
[0028] 图4b和图4c分别为图4a中D-D、E-E剖面图；
[0029] 图4d为变截面支承梁俯视图；
[0030] 图5a、5b、5c依次为固定钢枕连接扣板与活动端位移箱连接处局部放大图、活动钢枕连接扣板与支承梁连接处局部放大图、固定钢枕连接扣板与固定端位移箱连接处局部放大图；
[0031] 其中，1-活动端位移箱，2-承压支座，3-压紧支座，4-支承梁，5-螺栓，6-固定端位移箱，7-固定钢枕，8-连杆装置，8-1-连杆，9-侧向导轨，10-钢轨，11-活动钢枕，12-主桥侧挡砟墙，12-1主桥侧混凝土轨枕，13-引桥侧挡砟墙，13-1引桥侧混凝土轨枕，141-第一固定钢枕连接扣板，142-第二固定钢枕连接扣板，15-活动钢枕连接扣板，16-固定钢枕枕下垫板，17-活动钢枕枕下垫板。
具体实施方式
[0032] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0033] 本实用新型中，钢轨的延伸方向定义为纵向，固定钢枕及活动钢枕的延伸方向定义为横向，以竖直方向定义为竖向。
[0034] 如图1所示，一种适用于超大跨度铁路钢桥的整体式梁端伸缩装置，包括：由活动端位移箱1、固定端位移箱6和支承梁4构成的位于所述梁端伸缩装置底部的基本支承结构；其中，所述支承梁4为整体箱型梁。
[0035] 如图1～2所示，所述支承梁4的两端分别插入所述活动端位移箱1和固定端位移箱6内，所述活动端位移箱1与引桥预埋钢板通过螺栓5固定连接，所述固定端位移箱6与主桥预埋钢板通过螺栓5固定连接。具体的，所述支承梁4均通过承压支座2和压紧支座3分别实现与活动端位移箱1和固定端位移箱6的连接；其中，所述承压支座2位于所述支承梁4的下方，所述压紧支座3位于所述支承梁4的上方；所述支承梁4在固定端位移箱6一侧纵向固定，所述支承梁4在活动端位移箱1内可纵向滑动。插入所述活动端位移箱1和固定端位移箱6内的支承梁4的两侧设有限位挡块，所述限位挡块从两侧顶紧在整体箱型梁的边腹板上，所述支承梁4可在活动端位移箱1内纵向滑动。
[0036] 若干根平行设置的活动钢枕11和固定钢枕7，所述活动钢枕11和固定钢枕7均垂直于所述铁路长度方向设置；且所述活动钢枕11设于所述支承梁4的顶部，所述固定钢枕7分别设于所述活动端位移箱1和固定端位移箱6的顶部。其中，固定钢枕7通过固定钢枕连接扣板与位移箱连接，固定钢枕7与位移箱之间自上而下还有固定钢枕枕下垫板16和压紧支座3。活动钢枕11通过活动钢枕连接扣板15与支承梁4连接，所述活动钢枕11与支承梁4之间还设有活动钢枕枕下垫板17。固定端位移箱6不限制支承梁4横向与竖向转角，活动端位移箱1不限制支承梁4横向、竖向转角及纵向位移，从而实现主桥梁端位移传递给固定端位移箱，固定端位移箱
同步带动支承梁做竖向、横向转动及纵向自由伸缩。
[0037] 两条钢轨10，沿所述铁路长度方向设置，位于活动钢枕11和固定钢枕7的上方，并通过扣件依次连接所述活动钢枕11和固定钢枕7。
[0038] 连杆装置8，连接在各所述活动钢枕11的端部以及与所述活动钢枕11相邻设置的两个固定钢枕7的端部。且所述连杆装置8通过与各所述活动钢枕11和所述活动钢枕11相邻设置的两个固定钢枕7端部上的连接座板铰接实现连接。活动钢枕11之间的侧向连接也通过连杆装置8实现。
[0039] 还设有主桥侧挡砟墙12、引桥侧挡砟墙13，其通过侧挡作用防止
道砟飞溅进入所述梁端伸缩装置，挡砟墙与梁端两侧的混凝土轨枕12-1与13-1之间保留足够距离，防止该处道砟无法捣固密实。当主、引桥均为无砟轨道时，则无挡砟墙结构。
[0040] 两条钢轨10的外侧分别设有与所述钢轨10平行的侧向导轨9，所述侧向导轨9与所述固定钢枕7、活动钢枕11、梁端区域的混凝土轨枕均通过扣件横向连接；其中，但需释放与活动端位移箱侧固定钢枕连接纵向约束，所述侧向导轨9可在活动端位移箱侧实现纵向自由滑动。
[0041] 由于超大跨度桥梁梁端的纵向位移较一般大跨度桥梁更大，因此对伸缩装置的位移量提出了更高要求，而位移量的增大直接影响到支承梁的长度，但其对支承梁竖向支承刚度的要求却并未降低，因此需增大支承梁截面惯矩，其中最有效的即是增加支承梁的高度。当增加支承梁高度时，势必造成主桥梁端开槽，给桥梁梁端结构的设计或后期的变更设计带来困难。考虑到整体箱形结构较工字梁具有更大的截面惯矩，因此本实用新型将支承梁由原来的两根工字梁优化为整体箱型梁，在所述梁端伸缩装置的固定端、活动端和梁端
位置，支承梁均为整体箱形结构。根据具体要求，在确保工厂制造可行、
质量可以保证的情况下，所述整体箱型梁的腹板为两根、三根或多根，本实施例中，选用三根腹板，如图3a～3c所示，含1根中腹板和2根边腹板，此为本实用新型提出的重要保护点之一。
[0042] 伸缩装置
接口设计时应尽量避免对主桥钢梁进行开槽，特别对于采用两主桁结构、中间没有设置主桁的横断面而言，横向刚度本来就弱，开槽后可能影响到横梁及腹板，导致横向挠度增加明显；而对主桥采用混凝土梁的情况，开槽可能会导致顶板预
应力钢筋错位较大，对结构受力造成不利影响。因此提出本实用新型的第二项保护点，即在固定端位移箱，支承梁高度可以允许适当降低，因为该处为固定位置不伸缩，只要保证支承梁在该处受力满足要求即可。这样就可以明显地降低支承梁的高度，将对主桥梁端部位的影响降低到最小。由此，支承梁可以设计为变高度、变截面的整体箱形梁，且所述支承梁4位于固定端位移箱6的一端高度变低。具体如图4a～4c所示。本实用新型并不限于保护箱形截面支承梁结构，凡是一线伸缩装置的支承梁设计为整体结构，以及具有变高度、变截面特征的截面，均在本实用新型保护范围以内。
[0043] 在解决了因为纵向伸缩位移大造成的整体刚度要求高、主引桥开槽量较大的问题后，还有另外一个不容忽视的问题。也就是当主、引桥梁端存在横向相对位移时(一般表现为主桥梁端的横向位移比较明显)，主桥的横向位移会带动伸缩装置同步产生相应的横向位移，由于伸缩装置自身的横向刚度有限，无法抵抗主梁较大的横向位移，故在本实用新型中提出减小、隔离主桥横向位移的概念，这与桥梁抗震领域中的减
隔震理念比较类似，但两者又存在明显不同，后者主要是为了将
地震力通过减隔震支座或其它耗能隔震元件减小或隔离，从而减轻对桥梁上部结构的影响或对下部墩柱的影响。针对梁端伸缩装置减隔横向位移的概念则是针对梁端主引桥存在较大横向相对位移时采取的一项技术措施。故与梁端伸缩装置减隔横向位移相关的装置、结构细部优化设计等均在本实用新型首次提出这一创新概念的保护之列。下面具体介绍实施方案：
[0044] 参考图3a～3c和图5a～5c，所述活动端位移箱1上的固定钢枕7与所述活动端位移箱1通过第一固定钢枕连接扣板141固定连接，实现位移的同步。如图5a所示，第一固定钢枕连接扣板141与所述固定钢枕7的竖向接触面(F处)之间可设有空隙，此间隙根据主桥梁端横向位移确定，该处空隙填充有弹性模量较大的材料。固定钢枕连接扣板与活动端位移箱，所述固定端位移箱6上的固定钢枕7与所述固定端位移箱6通过第二固定钢枕连接扣板142连接，其中如图5c所示，所述第二固定钢枕连接扣板142与所述固定钢枕7的竖向接触面(H处)之间设有空隙。此间隙大小同样根据主桥梁端横向位移确定，当主桥梁端有横向位移时(温度作用下为局部
变形，风荷载作用下为整体偏移)，预设的间隙将使主桥梁端横向位移传递到固定端位移箱后不再传递至其上的固定钢枕，从而保证了轨道横向的平顺性，同时为避免来自线路上方列车横向摇摆力的影响。当主桥梁端无横向位移时，固定钢枕7与固定端位移箱通过扣板进行固接处理，不再设置间隙。
[0045] 所述活动钢枕11与支承梁4通过活动钢枕连接扣板15连接，且所述活动钢枕11与支承梁4之间可纵向相对滑动。当主桥梁端有横向位移时，所述支承梁4与活动钢枕的横向接触面(G)之间设有间隙，或填充有弹性模量较小的材料。此间隙根据主桥梁端横向位移确定，这样将使主桥梁端横向位移传递到支承梁后并不能传至其上的活动钢枕，从而保证了轨道横向的平顺性。当主桥梁端无横向位移时，活动钢枕11与支承梁4通过活动钢枕连接扣板15进行连接处理后，通过改性超高分子量聚乙烯
滑板材料实现纵向相对滑动。
[0046] 进一步地，需增加侧向导轨9的刚度，通过侧向导轨9提供横向限位，并与固定钢枕和梁端区的混凝土轨枕横向连接，这样当列车通过产生横向摇摆力时，侧向导轨将发挥其横向限位的作用。
[0047] 连杆装置8与两端位移箱上紧邻活动钢枕的固定钢枕和活动钢枕进行铰接，因此，当纵向伸缩时，固定钢枕通过与其铰接的连杆的拉伸与压缩进行位移传递，实现活动活动钢枕在支承梁上等间距的纵向滑动，从而保证了钢枕上方轨道系统支点间距的均匀性、行车的安全性与平稳性。
[0048] 由此，梁端伸缩装置的竖向刚度和支承主要由位移箱和支承梁提供，而线上的横向限位刚度将主要有侧向导轨提供(连杆也有一定贡献)，而下部的横向限位则由位移箱内部的限位挡块提供，因而实现了最合理的横、竖向刚度组合，可以适应超大跨度铁路钢桥复杂的梁端变位。
[0049] 所述钢轨10在梁端区域的纵向伸缩通过钢轨伸缩调节器实现，所述钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置为一体化设计。一体化设计时，考虑钢轨因轨温变化引起的纵向伸缩，在梁缝伸缩装置部位采用小阻力可滑动扣件，在固定端采用大阻力弹条扣件。关于梁端伸缩装置与钢轨伸缩调节器应采用一体化设计的理念是本实用新型申请的第四项保护点。因为以往在设计钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置时，桥梁专业和轨道专业并未充分沟通以及考虑梁端区域伸缩位移的总体特征，因而在设计时就存在一定
缺陷，导致运营过程中梁端的纵向自由伸缩受到一定阻碍。
[0050] 本实用新型所述梁端伸缩装置的制造及组装步骤：
[0051] ①根据受力分析、构造要求等确定伸缩装置的各部件尺寸及性能参数。
[0052] ②根据设计尺寸、数量等委托特定厂家制造伸缩装置各部件。
[0053] ③根据设计图将伸缩装置各部件进行组装。
[0054] ④通过室内试验检查伸缩装置的伸缩、受力、疲劳和连接等性能。
[0055] ⑤根据设计图纸，在桥梁端部定位安装伸缩装置预埋钢板。
[0056] ⑥根据设计图纸进行伸缩装置与桥梁端部预埋钢板的连接。
[0057] ⑦通过加载检验其纵向伸缩性能、横向位移性能及安装质量等。
[0058] 本实用新型主要解决了以下3个问题：
[0059] 1、装置竖向刚度大，可适用于更大梁端纵向伸缩位移量的桥梁
[0060] 超大跨度桥梁梁端的纵向位移大，对伸缩装置的位移量提出了更高的要求，而位移量的增大直接影响到支承梁的长度，导致支点间距增大，但其对支承梁竖向刚度的要求却并未降低，因此需增大支承梁截面惯性矩，本专利将支承梁由原来两根工字梁优化为整体箱型梁，较原有装置的两根工字梁的刚度有了显著提高。通过增加活动钢枕数量而不显著增大支承梁高度实现更大的梁端纵向伸缩位移量。
[0061] 2、可有效避免主桥钢梁梁端开槽
[0062] 所述伸缩装置的支承梁已由原来两根工字梁优化为整体箱型梁，较原有装置的两根工字梁的刚度有了显著提高，从而使得在增加刚度的同时，伸缩装置结构整体高度并未增加。
[0063] 若此高度小于主桥轨道结构的高度，则按照等截面梁进行设计；若此高度大于主桥轨道结构的高度，则可采用固定端一定范围内的变截面梁，采用局部变截面梁后，支承梁竖向刚度削弱较小，但可减小甚至消除主桥钢梁梁端的开槽，从而保证主桥梁端结构的受力安全。当两根工字梁可以满足刚度要求时，亦可设置为变截面的工字梁或其他截面形式的支承梁。
[0064] 3、可适用于有一定梁端横向位移的桥梁。
[0065] 活动端的固定钢枕7与其位移箱通过扣板固接；当主桥梁端有横向位移时，固定端的固定钢枕7与其位移箱通过扣板连接，活动钢枕11与支承梁通过扣板连接，其中扣板与固定端的固定钢枕7在横向接触面之间、扣板在与活动钢枕的横向接触面之间设置一定的间隙，或填充弹性模量较小的材料，此间隙大小根据主桥梁端横向位移确定，这样将使主桥梁端横向位移传递到固定端位移箱后并不能传至其上的固定钢枕，或主桥梁端横向位移传递到支承梁后并不能传至其上的活动钢枕，从而保证了钢枕上方轨道的平顺性。同时增大侧向导轨的横向刚度，以达到侧向导轨9提供横向限位，支承梁4提供竖向支承的目的；当主桥梁端无横向位移时，固定端的固定钢枕7与其位移箱通过扣板连接，活动钢枕11与支承梁4通过扣板连接，均不设置间隙或者采用弹性模量较大的材料填充。
[0066] 对于钢枕以上部分，侧向导轨9与引桥侧位移箱上的固定钢枕进行扣板固接，与活动钢枕及主桥侧位移箱上的固定钢枕进行扣板连接，但释放纵向约束，使其可在纵向自由滑动。
[0067] 钢轨10在梁端区域通过钢轨伸缩调节器实现不同轨温变化条件下的纵向伸缩位移，与以往设计不同，本专利提出梁端伸缩装置与钢轨伸缩调节器应实现一体化设计，统筹考虑其与线路、桥梁之间的关系，实现对调节器及附近线路的扣件的优化设计等。
[0068] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
