南京地鐵機(jī)場線預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

任樹文，龔 昕

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055;2.江西省交通科學(xué)研究院，南昌 330038)

1 設(shè)計(jì)概況

南京地鐵機(jī)場線南起祿口機(jī)場，經(jīng)祿口新城、東善橋－秣陵片區(qū)、東山副城西側(cè)，止于南京南站，全長約35.7 km，其中高架段長約 16.7 km，過渡段長約0.7 km，地下段長約18.3 km。地下線采用預(yù)應(yīng)力混凝土長枕埋入式整體道床，道床整體性能好、施工精度高、便于軌排架設(shè)施工、施工速度較快。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鋼軌:60 kg/m U75V鋼軌;

扣件:ZX－2型扣件，軌距調(diào)整量+24，－28 mm;

軌距:1 435 mm;

車輛及荷載:B型車，列車軸重不大于140 kN;

運(yùn)行速度:設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為100 km/h。

3 軌枕外形設(shè)計(jì)

3.1 外形設(shè)計(jì)原則

(1)軌枕截面在滿足承載力的情況下，盡量降低以減少軌枕自重;軌枕設(shè)計(jì)長度與國內(nèi)其他城市地下線埋入式長枕長度一致，采用2.1 m，以節(jié)約鋼筋和混凝土原材料，降低工程造價(jià)。

(2)與本軌枕配套使用的ZX－2型有螺栓分開式扣件，其軌下鐵墊板分為帶1∶40軌底坡及不帶軌底坡兩種形式，也就是說，軌枕承軌槽部位可設(shè)計(jì)為帶1∶40軌底坡及不帶軌底坡兩種形式，分別見圖1和圖2。

圖1 承軌部位設(shè)置1∶40軌底坡

圖2 承軌部位不設(shè)置軌底坡

若設(shè)置同樣的軌枕高度及配筋形式，圖1軌下截面高度比圖2要低，鋼筋合力作用點(diǎn)對截面形心的偏心距減小，軌下截面承載力及極限承載力安全系數(shù)也隨之減少。當(dāng)軌枕采用平坡設(shè)計(jì)時(shí)，鋼模容易加工制造，外形相對美觀，施工質(zhì)量容易控制，綜合考慮，軌枕軌下承軌槽部位采用平坡設(shè)計(jì)。

(3)采用傳統(tǒng)的梯形截面設(shè)計(jì)方案，以方便軌枕制造脫模。

(4)為加強(qiáng)與混凝土整體道床聯(lián)結(jié)，提高道床整體強(qiáng)度，軌枕設(shè)有5個(gè)φ40 mm孔洞，道床縱向鋼筋從孔洞穿過，澆筑混凝土道床時(shí)，預(yù)留孔洞處應(yīng)加強(qiáng)搗固，盡可能使孔洞密實(shí)。

3.2 外形設(shè)計(jì)

根據(jù)3.1確定的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)的軌枕外形尺寸見圖3，其中A－A、B－B斷面分別見圖5及圖6。

圖3 軌枕外形尺寸(單位:mm)

4 軌枕外荷載彎矩計(jì)算

中國鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告《預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)方法》主要是針對有砟軌道進(jìn)行編制的，不適用無砟軌道的埋入式混凝土軌枕外荷載的計(jì)算。本軌枕主要依據(jù)ansys軟件建模進(jìn)行外荷載受力分析。

主要計(jì)算參數(shù)如下:

綜合動(dòng)載系數(shù):2.0;

軌道縱向分配系數(shù):0.5;

枕上壓力:P=2×14×9.8×0.5×0.5=68.6 kN≈70 kN。

軌枕受力分析見圖4。

由圖4可知:軌下最大拉應(yīng)力為2.5 MPa;枕中最大壓應(yīng)力為1.05 MPa。

圖4 軌枕受力圖

通過換算得到，軌下截面最大正彎矩Mg=3.94 kN·m;枕中截面最大負(fù)彎矩Mz=1.25 kN·m。

5 軌枕承載能力計(jì)算

軌枕在列車動(dòng)荷載及軌枕下方混凝土整體道床反力的聯(lián)合作用下，軌下截面產(chǎn)生向下彎曲，枕中截面產(chǎn)生向上彎曲，因此軌枕的結(jié)構(gòu)計(jì)算主要是軌下截面正彎矩和枕中截面負(fù)彎矩的計(jì)算。

5.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)混凝土強(qiáng)度等級C60;

(2)施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的混凝土立方體強(qiáng)度不低于45 MPa;

(3)預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉強(qiáng)度不低于1 570 MPa;

(4)鋼筋彈性模量2×105MPa;

(5)混凝土彈性模量3.6×104MPa;

(6)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值3.3 MPa;

(7)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.45 MPa;

(8)預(yù)應(yīng)力鋼筋面積(Φ7.0)38.48 mm2;

(9)預(yù)應(yīng)力鋼筋總張拉力(210±5)kN;

(10)混凝土允許拉應(yīng)力3.0 MPa。

5.2 軌下截面靜載抗裂正彎矩計(jì)算(圖5)

圖5 A－A斷面(單位:mm)

梯形截面面積:A1=×(250+290)×185=49 950 mm2;

預(yù)應(yīng)力鋼筋總面積:A2=8×38.5=308 mm2;

彈性模量比:np==5.56;

換算截面面積:Ao=51 353 mm2;

梯形截面重心位置:y0=×185=90.216 mm;

預(yù)應(yīng)力鋼筋重心位置:yp=80 mm;

換算截面重心位置:yX=(49 950×90.216+308×80)/52 055=88.2 mm;

換算截面慣性矩:

(1)由錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失:

σL1=2/10 500×2×105=38 N/mm2;

(2)鋼筋的應(yīng)力松弛損失:

σL2=0.07×682=48 N/mm2;

(3)受張拉鋼筋與鋼模之間的溫差引起的應(yīng)力損失:

σL3=2×5=10 N/mm2;

(4)混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失:

σL4=(45+280×4.47/40)/(1+15×0.006)=70 N/mm2;

(5)混凝土預(yù)壓后預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算:

儒家思想在我國的歷史長河中始終占領(lǐng)著一席之地，這種思想的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)以及道德觀念千百年來深深的根植于中國人的心中。儒家思想重視倫理關(guān)系和倫理觀念，要求人們尊重長輩，尊敬師長，尊重權(quán)威。這種觀念一定程度上維護(hù)了社會(huì)的秩序發(fā)展，但同時(shí)也有其弊端，固化了人們的思維方式，缺乏創(chuàng)新與挑戰(zhàn)，制約了人們的精神發(fā)展。除此之外，儒家思想強(qiáng)調(diào)少數(shù)服從多數(shù)的原則，在當(dāng)今最能體現(xiàn)的就是群眾心里。它不僅抑制人個(gè)性的發(fā)展，無視性格要求統(tǒng)一化，最終壓制人的創(chuàng)造性。在這樣的歷史背景影響下，中國人的思維方式很難有所改變。

σL=38+48+10+70=166 N/mm2;

預(yù)應(yīng)力鋼筋合力:NP0=(682－166)×308/1 000=159 kN;

換算截面形心至鋼筋合力點(diǎn)距離:eP0=88.2－80=8.2 mm;

截面下邊緣由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力:

則軌下截面抗裂彎矩(因靜載抗裂試驗(yàn)是在脫模后48h之內(nèi)進(jìn)行，故取放張脫模時(shí)的混凝土強(qiáng)度):

15.69 kN·m ＞Mg=3.94 kN·m。

5.3 枕中靜載抗裂負(fù)彎矩計(jì)算(圖6)

圖6 B－B斷面(單位:mm)

計(jì)算方法同軌下截面正彎矩，主要計(jì)算成果如下。

換算截面形心至鋼筋合力點(diǎn)距離:eP0=－3.61 mm;

截面上邊緣由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向壓應(yīng)力:σPc=3.06 MPa;

則枕中截面抗裂彎矩(因靜載抗裂試驗(yàn)是在脫模后48 h之內(nèi)進(jìn)行，故取放張脫模時(shí)的混凝土強(qiáng)度):Mcr=10.95 kN·m＞Mz=1.25 kN·m。

5.4 軌枕靜載檢驗(yàn)荷載值計(jì)算

根據(jù)中國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》(TB/T1879—2002)規(guī)定，檢驗(yàn)荷載F與檢驗(yàn)彎矩Mcr的關(guān)系由下式確定:

F=7.273Mcr(支點(diǎn)距離L=600 mm);

則該軌枕的檢驗(yàn)荷載為:

軌下F=7.273×15.69=114 kN;

枕中 F=7.273×10.95=80 kN。

5.5 靜載試驗(yàn)

靜載抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》(TB/T1879—2002)執(zhí)行，軌枕軌下及枕中在加載至檢驗(yàn)荷載值后，穩(wěn)定180 s，并在整個(gè)加載過程中用5倍照明放大鏡觀察軌枕兩側(cè)受彎區(qū)，均未出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)品檢驗(yàn)合格。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)城市軌道交通地下線越來越多的采用預(yù)應(yīng)力混凝土長枕埋入式整體道床，不但施工精度較高，還可以作為天然的疏散逃生通道，其中預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕作為整體道床的一個(gè)關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到整體道床的使用壽命，因此也越來越受到重視。本文對預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的詳盡闡述，為今后其他地鐵的長軌枕設(shè)計(jì)提供參考。

［1］鐵道部科學(xué)研究院.預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)方法［R］.北京:鐵道部科學(xué)研究院，1994.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］中華人民共和國建設(shè)部.GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB/T1879—2002 預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］梁志軍.混凝土檢驗(yàn)中存在的問題及改進(jìn)建議［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(5).

［6］蔡小培，曲村，高亮.國內(nèi)外高速鐵路橋上有砟軌道軌枕結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(11).

［7］李斌，劉學(xué)毅.混凝土軌枕抗力的影響因素及其計(jì)算方法研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2011(6).

［8］徐亞軍，趙陸青.淺述鐵路軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及分析［J］.山西建筑，2011(4).