淺談無砟軌道系統(tǒng)功能

李 健

摘 要:完成系統(tǒng)功能是無砟軌道的主要目標,不同的結(jié)構(gòu)型式和部件組成,其功能實現(xiàn)方式各異。文章從系統(tǒng)功能設(shè)計的角度建立無砟軌道的理論體系,有利于分析結(jié)構(gòu)如何服務(wù)于功能,明確各部件的功能需求,識別結(jié)構(gòu)體系可能存在的主要問題,建立科學的分析方法。

關(guān)鍵詞:無砟軌道;系統(tǒng);功能;設(shè)計

中圖分類號:U213.244文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)22-0129-02

從系統(tǒng)的角度認識并分析無砟軌道典型的層狀體系和復(fù)雜的功能實現(xiàn),是建立科學合理的無砟軌道設(shè)計理論與方法的基礎(chǔ)。通過深入分析無砟軌道的功能需求、結(jié)構(gòu)特征和組件的功能定位,實現(xiàn)無砟軌道系統(tǒng)功能模塊化,組件設(shè)計功能化,可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1無砟軌道功能設(shè)計的主要內(nèi)容

①分析無砟軌道的功能需求,明確設(shè)計條件為列車提供安全、可靠的運行平臺,實現(xiàn)承載、傳力和限位要求是無砟軌道的基本功能。功能需求分析通過研究運營條件和應(yīng)用環(huán)境,確定修建的必要性,提出功能指標和相關(guān)標準。根據(jù)不同的線路要求和環(huán)境條件,可以確定主要技術(shù)指標,如軌道剛度、耐久性和可維修性、適應(yīng)性、可施工性和減振降噪要求等。②無砟軌道功能設(shè)計。在明確功能需求和設(shè)計條件的基礎(chǔ)上,分承力傳力、變形控制與調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性與耐久性要求、特殊功能要求和接口技術(shù)等功能模塊,初步確定結(jié)構(gòu)型式和功能實現(xiàn)方式。某一功能可能由多個部件協(xié)同完成,同一個部件也可出現(xiàn)在不同的功能模塊中。功能模塊化后,各結(jié)構(gòu)部件將有較明確的功能定位,為進一步的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計等提供依據(jù)。③結(jié)構(gòu)分析與參數(shù)選擇。功能設(shè)計后,需要建立合適的計算模型,驗證和考察功能設(shè)計的可行性與合理性,修改和確定相關(guān)技術(shù)參數(shù),優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)。這是一個需要反復(fù)調(diào)整功能模塊的劃分和部件功能設(shè)計的過程。④結(jié)構(gòu)定型及材料選擇。結(jié)構(gòu)定型和材料選擇是結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)選擇的結(jié)果,標志著無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計基本完成。在定型和選材過程中可能需要一定量的實驗室或現(xiàn)場試驗驗證是否達到功能要求,必要時修改和完善設(shè)計。

2無砟軌道的主要功能模塊

根據(jù)無砟軌道的承力與傳力、變形控制與軌道幾何調(diào)整(軌向、高低、軌距和水平等)、穩(wěn)定性和耐久性、特殊條件和相關(guān)接口等可以劃分主要的功能模塊。

2.1承力、傳力模塊

承力與傳力是軌道結(jié)構(gòu)最基本、最重要的功能,主要有垂向、水平荷載的傳遞。

①垂向荷載的傳遞。列車活載是主要的垂向荷載,一般按從上至下逐層擴散傳遞。德國和日本在設(shè)計理念上略有區(qū)別。

德國沿用有砟的“單枕承載”理念。日本板采用了“整板承載”的設(shè)計理念。不管基于哪種理念,鋼軌支點處是受力最集中、應(yīng)力梯度最大和疲勞作用最為嚴重的區(qū)域,該處的結(jié)構(gòu)強度和耐久性直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命,為保證垂向傳載的可靠性和耐久性,宜設(shè)計為高強度的預(yù)制件。

②水平荷載的傳遞。層間約束直接影響到水平荷載的傳遞。縱向連續(xù)、層間緊密聯(lián)結(jié)的無砟軌道,一般不再設(shè)計專門的水平荷載傳遞部件,如路基地段的雷達軌道。層間聯(lián)結(jié)不太緊密或單元式的無砟軌道結(jié)構(gòu),需要設(shè)計凸形擋臺、側(cè)向擋塊、板下凸臺(凹槽)和銷釘?shù)人搅鬟f部件,實現(xiàn)水平限位和水平荷載的傳遞,如日本板式無砟軌道等。

2.2變形控制模塊

變形控制是高速軌道技術(shù)的核心技術(shù),包括幾何形位的保持和調(diào)整、動態(tài)位移的控制等方面。幾何形位的保持和調(diào)整主要依靠合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、精細的施工工藝和優(yōu)良的扣件系統(tǒng)及三者的有機統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)上對扣件安裝平臺采用預(yù)制甚至機加工等措施,充分考慮扣件的調(diào)整能力和施工工藝的實現(xiàn),確保幾何形位滿足要求。動態(tài)位移一般由軌道的剛度及結(jié)構(gòu)部件間的構(gòu)造縫隙決定,包括控制動態(tài)位移幅值及沿線路動態(tài)位移變化率,其實質(zhì)是軌道剛度設(shè)計問題,對高速行車的舒適性和平穩(wěn)性有重要影響,在功能設(shè)計階段考慮軌道的動力性能,并進行動力學特性評估。

2.3穩(wěn)定性與耐久性要求

穩(wěn)定性與耐久性是高速行車和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟可靠的必然要求,體現(xiàn)在功能設(shè)計中有:①材料的選擇滿足穩(wěn)定性和耐久性要求;②裂縫控制滿足使用條件的要求,保證壽命周期內(nèi)不影響結(jié)構(gòu)的功能;③傳力部件可靠性、穩(wěn)定性評估,關(guān)鍵部件需要考慮失效模式、補救措施及修復(fù)成本;④部件劣化后對結(jié)構(gòu)整體性及受力的影響需要加以評估。

2.4特殊功能要求

在下部基礎(chǔ)或環(huán)境要求比較特殊時,有針對性的改進或優(yōu)化無砟軌道結(jié)構(gòu)。具體環(huán)境和下部基礎(chǔ)通常決定了無砟軌道結(jié)構(gòu)組成和材料的選擇。例如針對減振、降噪要求采用的浮置板、彈性支承塊、減振板和低剛度高性能扣件等;針對岔區(qū)設(shè)備的特殊設(shè)計;針對長大橋梁的更換和維修方面的考慮等。

2.5接口技術(shù)要求

鐵路大系統(tǒng)中的通信、信號、牽引供電和供電保護、橋隧涵基礎(chǔ)等都有可能對無砟軌道的設(shè)計提出要求,成為功能設(shè)計的一個方面。無砟軌道的功能分塊,一方面確保了功能的實現(xiàn),另一方面保證了各功能模塊間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,有利于形成完整而成熟的系統(tǒng)。

3 無砟軌道的結(jié)構(gòu)分類及功能設(shè)計比較

3.1各類無砟軌道的主要功能設(shè)計比較

①有枕與無枕的功能設(shè)計比較。有枕式無砟軌道繼承和發(fā)展了有砟軌道成熟的“軌排”理念。靈活多樣的調(diào)整與固定方案,創(chuàng)造出多種無砟軌道結(jié)構(gòu)型式。預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)合的方式和“單枕”靈活的調(diào)整能力,保證了其對曲線、岔區(qū)等特殊地段的廣泛適用性。軌枕是承力、傳力的基本單元。

無枕式無砟軌道消除了軌枕間的薄弱聯(lián)結(jié),加強了鋼軌支點間的整體性,以板作為承力、傳力主體。其中的預(yù)制板式軌道滿足了快速、機械化和工業(yè)化的施作需要,但板的適應(yīng)能力稍差,在曲線、道岔等特殊地段應(yīng)用比較困難。

②連續(xù)式與單元式軌道板(道床板)的功能設(shè)計比較。德國無砟軌道設(shè)計以連續(xù)式為主。連續(xù)式結(jié)構(gòu)斷縫(或接縫)較少,依靠其良好的結(jié)構(gòu)整體性、連續(xù)性與均勻性解決了水平傳力、限位和剛度連續(xù)等問題,層間聯(lián)結(jié)處理相對簡單。但結(jié)構(gòu)難以修復(fù),局部的損毀對整體的影響較大;修復(fù)后的部分難以恢復(fù)到以前的狀態(tài),必須一次成型,對結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工要求很高。

③全現(xiàn)澆與部分現(xiàn)澆、拼裝式結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較。全現(xiàn)澆無砟軌道消除或減少了新舊混凝土結(jié)合面,不需要專門的預(yù)制工廠進行預(yù)制件生產(chǎn);但需一次成型,對施工要求高,施工技術(shù)難度大。預(yù)制拼裝或部分預(yù)制式無砟軌道,依靠工廠化生產(chǎn)有效地保證了關(guān)鍵部件的質(zhì)量,有利于組織快速施工、保證精度和控制精度,新舊混凝土界面的處理是此類結(jié)構(gòu)的重點。

4系統(tǒng)功能設(shè)計中的主要技術(shù)問題

4.1主要承載結(jié)構(gòu)和承載層的確定

沿用有砟軌道的“軌排”理念,保留軌枕作為承載結(jié)構(gòu),在設(shè)計、制造和施工上都將有別于無枕式軌道。有枕式無砟軌道以單枕作為傳力單元,垂向力以應(yīng)力擴散角向下分布。無枕式設(shè)計多為板式結(jié)構(gòu),板是主要的承力、傳力單元,增強了鋼軌支點間的整體性,擴散了應(yīng)力分布范圍,施工速度快,工業(yè)化程度高,利于更換與維修。

承載層選擇的典型方案有:①道床板作為承載層:如雷達、旭普林軌道。為使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理,采用剛度逐層降低的方式以適應(yīng)應(yīng)力的逐層擴散,對下層結(jié)構(gòu)的要求逐層降低。道床板不考慮抵抗下部基礎(chǔ)的變形,變形將直接反應(yīng)到軌面,應(yīng)嚴格加以控制。②軌道板和底座板承載:如日本板式軌道。軌道板和底座一起構(gòu)成承載的主體。由于采用雙層承載體系,荷載擴散分步進行。軌道板作為承載單元,整板承受并傳遞荷載,實現(xiàn)最優(yōu)化;底座作為整個結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),承受和傳遞軌道板傳來的荷載,保證整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和控制變形,并能抵抗適度的下部基礎(chǔ)變形。

4.2確定結(jié)構(gòu)的縱向連續(xù)性

采用連續(xù)式結(jié)構(gòu)(如路基上的雷達軌道)能平衡縱向力的作用,結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性很強;受力與傳力由整個體系共同完成;任何一段的毀損或失效都將影響到整個結(jié)構(gòu)的整體性,難于修復(fù);施工質(zhì)量、裂縫控制和自由端錨固是其關(guān)鍵問題。采用單元式結(jié)構(gòu)(如日本板),每一個單元都將獨立完成該范圍內(nèi)的幾乎所有功能:包括垂向力和水平力的傳遞、變形的控制與協(xié)調(diào)等。需強化單元板的限位和板端連接,避免有規(guī)律的接縫帶來激振。

4.3確定結(jié)構(gòu)的施工工藝

選擇拼裝或現(xiàn)澆的施工工藝對系統(tǒng)功能設(shè)計有重要影響。拼裝式結(jié)構(gòu)一般需要定位預(yù)制板的調(diào)整層。為保證達到調(diào)整、穩(wěn)定和受力最佳的要求,對調(diào)整層材料的可施作性及耐久性、彈性模量等均有要求?，F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有部分現(xiàn)澆和全部現(xiàn)澆之分:部分現(xiàn)澆存在新老混凝土的聯(lián)結(jié)界面,需要加強;全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)現(xiàn)場一次施作,一次成型,施工工藝和精度要求極高,質(zhì)量的可控性較差。

4.4適應(yīng)性設(shè)計

適應(yīng)性設(shè)計主要針對減振降噪、橋隧結(jié)構(gòu)、岔區(qū)、過渡段和特殊應(yīng)用環(huán)境進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進。針對不同的要求,功能設(shè)計中應(yīng)有相應(yīng)的體現(xiàn)。

4.5結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)合無砟軌道的功能設(shè)計與構(gòu)造原則,實現(xiàn)功能合并、結(jié)構(gòu)簡潔、整體美觀、構(gòu)造協(xié)調(diào)和合理選材。在滿足功能要求基礎(chǔ)上盡可能簡化結(jié)構(gòu),避免復(fù)雜的傳力路徑,有整體感和協(xié)調(diào)感。由各層的功能進行選材時,要認識到由此帶來的穩(wěn)定性、可靠性問題(如混凝土結(jié)構(gòu)的開裂、表層混凝土的溫度作用、連續(xù)式軌道與下部結(jié)構(gòu)物的相互作用問題等),評估這些問題對結(jié)構(gòu)功能的影響。

5 結(jié)語

系統(tǒng)功能設(shè)計的理念應(yīng)貫穿無砟軌道方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)選型、材料選擇、方案優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程。從系統(tǒng)功能設(shè)計的角度建立無砟軌道的理論體系,實現(xiàn)了功能與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一,各部件的功能定位為結(jié)構(gòu)計算與設(shè)計提供了支撐。無砟軌道具有承力與傳力、變形控制、穩(wěn)定性與耐久性要求、特殊功能要求和接口技術(shù)五大功能模塊,需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到體現(xiàn)和統(tǒng)一。無砟軌道的分類和系統(tǒng)特征分析表明:無砟軌道存在有枕與無枕、單元式與連續(xù)式、拼裝式與現(xiàn)澆等區(qū)別,表現(xiàn)了無砟軌道功能設(shè)計上的不同考慮。

承載結(jié)構(gòu)和承載層的確定、結(jié)構(gòu)的縱向連續(xù)性、施工工藝選擇、適應(yīng)性設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等是無砟軌道功能設(shè)計中的主要技術(shù)問題,決定了無砟軌道的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計原則。

參考文獻:

[1]肖杰靈,劉學毅,楊榮山,等.無砟軌道系統(tǒng)功能設(shè)計的概念與內(nèi)涵[J].鐵道工程學報,2008,(3).