城市軌道交通中鋼筋桁架軌枕式整體道床配筋設(shè)計

黃河山，管吉波，劉玉祥，左一舟

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 廣東分公司，廣東 深圳 518052)

城市軌道交通中鋼筋桁架軌枕式整體道床配筋設(shè)計

黃河山，管吉波，劉玉祥，左一舟

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 廣東分公司，廣東 深圳 518052)

結(jié)合最新研發(fā)的城市軌道交通鋼筋桁架軌枕，采用允許應(yīng)力法進(jìn)行了城市軌道交通鋼筋桁架軌枕式整體道床的配筋設(shè)計。設(shè)計中針對不同地段整體道床特點，采用不同的荷載組合方式，合理確定了不同地段道床配筋。計算結(jié)果表明:列車荷載彎矩、翹曲彎矩以及基礎(chǔ)變形附加彎矩是影響配筋的主要因素，特別是基礎(chǔ)變形對配筋的影響最大;相比較而言，溫度力影響相對較小。因此，嚴(yán)格控制基礎(chǔ)變形，特別是路基地段的路基沉降，能夠有效地減少配筋量。

城市軌道交通 鋼筋桁架軌枕 配筋設(shè)計

目前，在國內(nèi)城市軌道交通中應(yīng)用的整體道床形式主要有:無枕式、短軌枕式和長軌枕式三種，其中以后兩者為主。但是在實際運用的過程當(dāng)中，上述三種類型的整體道床都曾出現(xiàn)過一些問題，較為突出的是無枕式整體道床承軌臺抹面精度不易保證，短軌枕式整體道床軌底坡不易保證，長軌枕式整體道床易出現(xiàn)較多的道床裂縫等。針對上述問題，依托深圳市城市軌道交通三期工程，在充分吸收國鐵領(lǐng)域的相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，參考德國雷達(dá)型軌枕，鐵道第三勘察設(shè)計院設(shè)計研發(fā)了適用于城市軌道交通的鋼筋桁架式軌枕。本文結(jié)合此次新設(shè)計的軌枕，充分考慮城市軌道交通建設(shè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、車輛等方面與國鐵的不同并滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性的前提下，對鋼筋桁架軌枕式整體道床進(jìn)行配筋設(shè)計。

1 鋼筋桁架式整體道床的構(gòu)造

鋼筋桁架式軌枕及相應(yīng)整體道床的構(gòu)造分別如圖1、圖2所示。

2 計算參數(shù)

1)列車豎向荷載:地鐵A型車軸重16 t，考慮一定的安全余量，設(shè)計輪載取160 kN。

2)溫度梯度:正溫度梯度取90℃/m，負(fù)溫度梯度取45℃/m。

3)整體升降溫:根據(jù)深圳地區(qū)的歷年溫度變化統(tǒng)計結(jié)果，考慮一定余量，取路基及橋梁地段整體溫度變化幅度40℃，隧道地段整體溫度變化幅度15℃。

圖1 城市軌道交通鋼筋桁架式軌枕

圖2 城市軌道交通鋼筋桁架軌枕式整體道床示意(地下段圓形隧道)

4)混凝土收縮:按照降溫10℃處理。

5)基礎(chǔ)變形取值:路基不均勻沉降按15 mm/20 m半波正弦曲線取值;橋梁撓曲變形按梁端轉(zhuǎn)角1‰取值［1］。

6)扣件:扣件垂向及橫向動剛度取56 kN/mm，縱向動剛度取100 kN/mm?？奂g距取600 mm。

7)道床板材料參數(shù):道床板采用C35，彈性模量為31 500 MPa，泊松比為 0.2，線膨脹系數(shù)為 1.0× 10－5/℃。

8)支承層參數(shù):路基上整體道床設(shè)有板下支承

層。假定支承層在長期運營后將會出現(xiàn)大范圍開裂，取支承層彈性模量5 000 MPa。

9)軌道結(jié)構(gòu)下部地基系數(shù):路基地基系數(shù)取75 MPa/m;橋梁地基系數(shù)取1 000 MPa/m;隧道地基系數(shù)取1 200 MPa/m［1］。

10)鋼筋材料參數(shù):縱向及橫向鋼筋均采用HRB400，彈性模量2.0×105MPa，泊松比0.15，線膨脹系數(shù)1.08×10－5/℃。

11)道床尺寸:路基地段道床板橫斷面尺寸取為2.6 m×0.3 m;橋梁地段道床板橫斷面尺寸取為2.5 m×0.28 m;隧道段道床板橫斷面尺寸取為2.6 m ×0.3 m。道床統(tǒng)一以6 m長為一個計算單元。

3 荷載計算

3.1 荷載計算方法

本文在進(jìn)行荷載計算時，依據(jù)彈性地基梁板理論建立了軌道結(jié)構(gòu)梁板模型［2-3］，整個無砟軌道模型由

3塊道床板組成，以中間道床板作為計算板。鋼軌采用梁單元模擬，扣件、道床板與支承層的層間連接以及軌下基礎(chǔ)采用線性彈簧單元模擬，道床板及支承層采用殼單元模擬。

列車荷載彎矩采用有限元方法計算，翹曲彎矩、基礎(chǔ)變形引起的軌道板彎矩以及伸縮應(yīng)力按文獻(xiàn)［1］計算。

在進(jìn)行道床配筋計算時采用的荷載組合:

1)路基上，列車荷載+溫度梯度+整體溫差及混凝土收縮;

2)橋上，列車荷載+溫度梯度+橋梁撓曲;

3)隧道內(nèi)，列車荷載+整體溫差及混凝土收縮。在進(jìn)行道床板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算及裂縫寬度檢算時，按下列荷載組合進(jìn)行:

1)路基上，列車荷載+溫度梯度+路基沉降+溫度力及混凝土收縮;

2)橋上，列車荷載+溫度梯度+橋梁撓曲; 3)隧道內(nèi)，列車荷載+溫度力及混凝土收縮。

3.2 荷載計算結(jié)果

采用上述計算方法，確定道床板配筋設(shè)計荷載組合值及檢算荷載組合值，如表1、表2所示。

表1 道床板配筋設(shè)計荷載組合值

表2 道床板強(qiáng)度檢算荷載組合值

4 配筋計算

根據(jù)整體道床結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果，按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》采用容許應(yīng)力法進(jìn)行配筋計算［4］。

1)抗彎計算

由表1可知，路基上整體道床結(jié)構(gòu)在橫向上設(shè)計正彎矩28.132(kN·m)/m，設(shè)計負(fù)彎矩為 －40.501 (kN·m)/m，溫度變化及混凝土收縮導(dǎo)致的軸向拉力為513 kN/m。選用 HRB400鋼筋，容許應(yīng)力［σs］= 274 MPa，C35混凝土容許應(yīng)力［σb］=15.2 MPa。假定縱向主筋采用φ16鋼筋，橫向鋼筋采用 φ14鋼筋，混凝土保護(hù)層厚度取為35 mm。則a1=35+14+16/2 =57 mm，截面有效高度h0=300－57=243 mm。內(nèi)力偶臂z=0.88h0=0.88×243=214 mm。

負(fù)彎矩截面計算配筋面積 As=M/(［σs］Z)=

1 796 mm2。

正彎矩截面計算配筋面積 As1=M/(［σs］Z)= 1 247 mm2。

根據(jù)上述計算，道床板下層縱向選取鋼筋15根，實際鋼筋面積3 016 mm2;道床板上層縱向選取鋼筋8根，實際鋼筋面積1 608 mm2。

經(jīng)驗算，配筋率 μ下=As/(bh0)=0.5%

μ上=As1/(bh0)=0.26%

相對受壓區(qū)高度

內(nèi)力偶臂 Z下=225 mm，Z上=229 mm

則鋼筋應(yīng)力 σs下=259.5 MPa≤［σs］=274 MPa

σs上=199.17 MPa≤［σs］=274 MPa

混凝土應(yīng)力 σb下=11.48 MPa≤［σb］=15.20 MPa

σb上=6.22 MPa≤［σb］=15.20 MPa鋼筋及混凝土強(qiáng)度驗算合格。

2)裂縫寬度驗算

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度，參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［5］，保護(hù)層厚度為30 mm時，室外環(huán)境的裂縫寬度容許值為0.2 mm。

以同樣的方法可以計算路基上道床板橫向配筋以及橋梁上、隧道內(nèi)的道床板配筋。將道床板配筋結(jié)果列于表3。

表3 道床板配筋

5 結(jié)論

1)綜合比較不同區(qū)段鋼筋桁架軌枕式整體道床配筋量，路基地段配筋量最大，橋梁地段次之，隧道區(qū)段配筋量最小。

2)在各種影響因素中，基礎(chǔ)變形附加彎矩對配筋的影響最大，特別是在路基上，發(fā)生路基沉降將對道床受力產(chǎn)生較大影響。正因如此，應(yīng)特別注意控制路基地段的道床沉降。

［1］趙坪銳.客運專線無砟軌道設(shè)計理論與方法［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［2］趙坪銳，章元愛，劉學(xué)毅，等.無砟軌道荷載彎矩計算方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2009，30(5):1-4.

［3］王新敏.Ansys工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

(責(zé)任審編 孟慶伶)

U213.2+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.31

2015-04-21;

:2015-05-14

黃河山(1989— )，男，江西贛州人，助理工程師，工學(xué)碩士。

1003-1995(2015)09-0111-03