雙塊式無砟軌道軌枕的優(yōu)化設(shè)計研究

趙永軍

摘 要：雙塊式無砟軌道是國內(nèi)外高速客運專線應(yīng)用范圍最廣泛的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，其在路基上、橋上、隧道內(nèi)都可以使用，除了在德國成規(guī)模地應(yīng)用外，在世界其它國家和地區(qū)也得到認同并使用。我國目前客運專線無砟軌道也將其作為主要形式廣泛地應(yīng)用。文章以大同至西安鐵路客運專線為例對雙塊式無砟軌道軌枕的優(yōu)化設(shè)計進行了研究。

關(guān)鍵詞：雙塊式無砟軌道；軌枕；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U213.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0024-02

1 工程實例

大同至西安鐵路客運專線，是國家中長期鐵路規(guī)劃網(wǎng)的重要組成部分，北起山西大同，經(jīng)朔州、忻州、太原、晉中、臨汾、運城、渭南等站至陜西西安，全長859 km，設(shè)計行車速度250 km/h，其中原平西-西安北段預(yù)留350 km/h提速條件，太原-原平段則作為高鐵實驗線路。

2 雙塊式軌枕的優(yōu)化設(shè)計原則

根據(jù)目前我國雙塊式軌枕在生產(chǎn)、運輸和鋪設(shè)過程中還存在的一些問題，對雙塊式軌枕進行優(yōu)化設(shè)計必須遵循以下原則：①軌枕具有較高的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性；②混凝土軌枕塊與桁架鋼筋的聯(lián)結(jié)緊固，桁架具有較高的抗彎扭剛度；③新老混凝土的結(jié)合面積??；④輕量化設(shè)計；⑤考慮混凝土塊內(nèi)的配筋方式對軌道電路的影響；⑥易脫模；⑦較強的形位保持能力；⑧緩和軌枕棱角處道床板裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

3 雙塊式無砟軌道軌枕的優(yōu)化設(shè)計

3.1 國內(nèi)外雙塊式軌枕概述

雙塊式軌枕為預(yù)制結(jié)構(gòu)，兩個混凝土塊通過鋼骨架聯(lián)結(jié)，提高了鋼骨架的抗彎剛度。雙塊式軌枕在現(xiàn)場與道床板縱橫向鋼筋綁扎起來，使預(yù)制結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土的結(jié)合面減少，完善了結(jié)構(gòu)的整體性。雙塊式軌枕型號多、應(yīng)用廣，如德國、荷蘭等國在高速鐵路無砟軌道線上應(yīng)用。目前，我國雙塊式無砟軌道使用了CRTS I 、 II型雙塊式軌枕，同樣采用了鋼筋桁架連接兩混凝土塊的結(jié)構(gòu)型式，配套使用WJ-7型扣件。

3.2 軌枕的受力計算

①軌枕混凝土抗壓強度檢算。

在列車運行過程中，軌枕上作用有很高的豎向壓力。設(shè)計荷載取300 kN，按彈性地基梁計算，不利條件下的鋼軌支點反力約為150 kN，扣件中鐵墊板的面積約為290×160 mm。則混凝土枕承軌臺上的壓應(yīng)力為：

軌枕采用的混凝土強度等級為C60，強度60 N/mm2。假定使用壽命為60年，長期的容許應(yīng)力值取抗壓強度的50%，容許應(yīng)力取為30 N/mm2。

軌枕承軌臺上3.23 N/mm2的壓應(yīng)力遠遠小于容許值。

②擋肩混凝土抗剪能力檢算。

由列車運行產(chǎn)生的水平力，取決于離心力與豎向力夾角，對安裝有彈性的高速鐵路，根據(jù)標準EN13481，該角度值為260。軸重為200 kN時，水平：

H=tan26 °·100 kN=0.49·100 kN=49 kN

該水平力的作用面積約為155 mm ×195 mm，剪應(yīng)力：

C60混凝土的平均抗拉強度4.1 N/mm2，長期作用下取50%，即容許應(yīng)力值為2.05 N/mm2。

③鋼筋桁架的受力分析。

與傳統(tǒng)長軌枕相比，帶桁架結(jié)構(gòu)的雙塊式軌枕體積小、重量輕，和現(xiàn)澆混凝土的結(jié)合面更少；與其它類型的雙塊式軌枕相比，這種軌枕的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，與現(xiàn)澆混凝土連的連接更緊密。掌握鋼筋桁架的受力特點對于了解和使用該軌枕具有重要的意義。

3.3 雙塊式軌枕的優(yōu)化方案

根據(jù)國內(nèi)外雙塊式軌枕設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗以及對軌枕的受力計算和分析，可對以下幾個方面進行優(yōu)化設(shè)計。

①軌枕混凝土塊采用倒圓角處理（R-20 mm），減小邊角處的應(yīng)力集中。

采用倒角后，軌枕棱角處的最大應(yīng)力分別比不倒角或倒棱下降約27%， 3%，緩和了此處應(yīng)力集中，降低了此處裂縫的產(chǎn)生幾率。

②加粗桁架鋼筋。根據(jù)西安至大同鐵路軌枕施工經(jīng)驗，加粗桁架鋼筋直徑，有利于提高軌枕塊之間桁架變形能力，減小軌枕塊承軌面相對扭曲變形；加粗桁架連接筋，提高堆放層數(shù)，減小軌枕存放面積，節(jié)省工程投資。

3.4 道床板優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50010-2002》道床板的設(shè)計要求。為了將道床板的裂縫寬度控制在0.2 mm，對道床板進行優(yōu)化設(shè)計首先需要系統(tǒng)的分析道床板受到的荷載和工況，通過計算分析分塊式道床板或連續(xù)澆注道床板的受力和配筋情況，合理優(yōu)化道床板尺寸。

3.4.1 道床板設(shè)計荷載分析

道床板受到的荷載根據(jù)實際運營情況，應(yīng)考慮列車荷載、溫度荷載、線下基礎(chǔ)的變形、混凝土的收縮等幾種主要荷載。

3.4.2 道床板優(yōu)化分析

①道床板的配筋宜采用雙層配筋。

我國雙塊式無砟軌道由于裂縫的設(shè)計控制寬度為0.2 mm，保護層厚度根據(jù)規(guī)范為40 mm，所以可以采用雙層配筋，同時雙層配筋也使結(jié)構(gòu)更為合理。能夠抵抗更大的彎距。

②道床板宜采用分塊式澆注。

路基上雙塊式無砟軌道連續(xù)道床板與不連續(xù)道床板的配筋比經(jīng)過計算分析，保證道床板的裂紋寬度控制在0.2 mm的基礎(chǔ)上，長度為5 200 mm的不連續(xù)道床板需要的配筋率為0.7%～0.9%，而連續(xù)板需要的配筋率為1.8%～2.2%。所以道床板采用分塊式可以降低鋼筋用量，從鋼筋的用量上來說分塊道床板更為合理。

3.5 支承層優(yōu)化設(shè)計

對于多層混凝土結(jié)構(gòu)，其中一層開裂后，裂縫會反射至其他相鄰結(jié)構(gòu)層。土工布的設(shè)置不僅可以減小支承層受到的道床板附加應(yīng)力，還在一定程度上可以阻斷裂縫映射。為避免假縫開裂后反射至道床板，適當增加土工布長度，覆蓋支承層假縫，優(yōu)化設(shè)計中土工布覆蓋支承層長度取50 mm，隔離區(qū)長度增加至850 mm，依舊滿足隔離區(qū)長度選取要求。通過計算分析，提出假縫最終優(yōu)化設(shè)計方案：距單元板板端800 mm處支承層切割假縫，單元板伸縮縫下鋪設(shè)1720 mmm土工布，土工布中心線與伸縮縫中心線重合。如圖1所示。

4 雙塊式無砟軌道施工精度控制策略

4.1 對作業(yè)人員進行培訓

作業(yè)人員對施工工藝的熟練程度直接影響著無砟軌道施工規(guī)范程度。這對無砟軌道施工的精度、工期、成本等都存在影響。在施工前對作業(yè)人員進行施工工藝、技術(shù)要點、質(zhì)量標準、安全技術(shù)措施等進行系統(tǒng)培訓，使作業(yè)人員對操作要點熟練掌握，可以有效降低施工不規(guī)范的情況；設(shè)置現(xiàn)場試驗段。這樣不僅能夠培訓安裝技工，也能對施工隊伍的作業(yè)能力進行檢驗。

4.2 對軌枕的尺寸、運輸、存放進行嚴格檢查

軌枕的制造精度決定了澆筑混凝土道床后軌距等幾何參數(shù)的精度。軌枕進場前對進場軌枕的外觀質(zhì)量、幾何尺寸進行嚴格檢查，確保使用的軌枕符合規(guī)范要求。選擇合適的運送方式，避免對雙塊式軌枕造成損傷；軌枕的運輸采用木質(zhì)托盤，軌枕間用方木隔開，綁扎帶綁在彈性基板的位置，避免軌枕中間的鋼筋桁架變形。

參考文獻：

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