雅萬高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)深化研究

劉偉斌 王繼軍 王夢(mèng) 李永瀟

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路國(guó)際有限公司，北京 100055）

印度尼西亞雅加達(dá)至萬隆高速鐵路正線長(zhǎng)142.3 km，其中橋梁73.9 km，路基51.9 km，隧道16.5 km，沿線設(shè)置4 座車站，最高設(shè)計(jì)速度為350 km/h?；谥袊?guó)高鐵科研成果和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合雅萬高鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境，本線設(shè)計(jì)單位提出速度超過300 km/h 的地段及長(zhǎng)大隧道內(nèi)采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，長(zhǎng)度約為85 km。

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國(guó)自主研發(fā)的軌道結(jié)構(gòu)，已形成完善的技術(shù)體系［1］，并廣泛應(yīng)用于我國(guó)盤營(yíng)、鄭徐、京沈、商合杭等多條高速鐵路，積累了豐富的工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。CRTSⅢ型板式無砟軌道為單元式無砟軌道結(jié)構(gòu)，主要由鋼軌、扣件系統(tǒng)、復(fù)合軌道板、隔離層、彈性緩沖墊層、底座等部分組成，如圖1 所示。本文結(jié)合雅萬高鐵沿線氣候環(huán)境特點(diǎn)開展深化研究，以提高雅萬高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

1 沿線氣候環(huán)境特點(diǎn)分析

雅萬高鐵沿線屬熱帶雨林氣候，終年炎熱潮濕，無四季分別，按降雨量大小分為旱季、雨季［2］。每年11月至次年3月為西北季風(fēng)期，多雨多云；4月至10月為東南季風(fēng)期，晴天多而雨量相對(duì)較少。沿線主要?dú)庀笠匾姳?。

表1 雅萬高鐵沿線主要?dú)庀笠?/p>

由表1 可知：雅加達(dá)地區(qū)和萬隆地區(qū)最大極端溫差分別為20.9，24.8 ℃；雅萬高鐵沿線空氣濕度一般大于70%，最高可達(dá)90%以上，年平均相對(duì)濕度約為79%；沿線降雨量充沛，年平均降水量均在2 000 mm之上，且年降雨時(shí)間超過半年。

根據(jù)相關(guān)氣象資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)不同地區(qū)氣溫變化較大：北京市極端最高氣溫為41.5 ℃，極端最低氣溫為-27 ℃；哈爾濱市極端最高氣溫為36.7 ℃，極端最低氣溫為-34.6 ℃；?？谑袠O端最高氣溫為40.5 ℃，極端最低氣溫為2.8 ℃。其中海口市最大極端溫差最小，為37.7 ℃。以極端溫差作為比較參數(shù)，雅萬高鐵沿線溫差相對(duì)較小，與我國(guó)?？谑邢啾茸畲髽O端溫差仍小13 ℃。我國(guó)空氣濕度一般為40%～80%，年平均降水量為628 mm，且分布不均勻，東南沿海的廣東、福建、江西、浙江等地區(qū)年降水量約為1 500～2 000 mm。

綜上，雅萬高鐵沿線氣候環(huán)境具有溫差小、降雨量大、降雨天數(shù)多、空氣濕度大等特點(diǎn)，與我國(guó)CRTSⅢ型板式無砟軌道線路沿線氣候環(huán)境差異較明顯。

2 設(shè)計(jì)荷載取值

根據(jù)客運(yùn)專線無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新研究成果［3］和我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范［4-5］，無砟軌道設(shè)計(jì)荷載主要包括列車垂向荷載、列車橫向荷載、溫度梯度荷載、整體溫差荷載等，并以基礎(chǔ)變形作為特殊檢算荷載。雅萬高鐵基于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，列車荷載和基礎(chǔ)變形可與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中取值相同，但由于設(shè)計(jì)荷載中溫度梯度和整體溫差取值是在我國(guó)大量測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)分析獲得的，而雅萬高鐵沿線氣候環(huán)境條件與我國(guó)差異較明顯，需結(jié)合其具體條件進(jìn)行溫度荷載取值研究。

2.1 軌道板最大溫度梯度取值

2.1.1 最大溫度梯度推算公式

印度尼西亞混凝土路面、機(jī)場(chǎng)跑道等設(shè)計(jì)規(guī)范未明確規(guī)定溫度梯度荷載取值，相關(guān)研究也較少，需根據(jù)雅萬高鐵沿線氣象條件推算CRTSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合軌道板溫度梯度取值。

混凝土路面結(jié)構(gòu)與高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)高度相似，可借鑒溫度梯度相關(guān)研究。影響混凝土板最大溫度梯度的氣象因素主要有太陽輻射、氣溫和風(fēng)速［6-7］。風(fēng)速受局部環(huán)境諸多因素的影響，波動(dòng)較大，在回歸分析時(shí)通常采用常數(shù)風(fēng)速來代表，回歸公式中該因素可不列入。太陽日總輻射量和日溫差同最大溫度梯度相關(guān)程度也不盡相同，太陽日總輻射量與最大溫度梯度的相關(guān)性最為密切，而同太陽日總輻射量相比，日溫差與最大溫度梯度相關(guān)性要小很多，有些地區(qū)甚至無明顯相關(guān)性。采用文獻(xiàn)［6］中基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的一元回歸公式進(jìn)行軌道板最大溫度梯度的推算，其表達(dá)式為

式中：Tmax為22 cm 厚混凝土板最大溫度梯度，℃/cm；Q為太陽日總輻射量，Cal/cm2。

2.1.2 雅萬高鐵沿線太陽日總輻射量

印度尼西亞屬赤道季風(fēng)氣候，Morrison 等［8］對(duì)印度尼西亞10 個(gè)氣象站太陽日總輻射量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中雅加達(dá)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1969 年至1976 年。統(tǒng)計(jì)分析表明：萬隆地區(qū)太陽日總輻射量最大值約為15 MJ/m2；雅加達(dá)地區(qū)太陽日總輻射量小于15 MJ/m2的天數(shù)約占53%，日總輻射量小于20 MJ/m2的天數(shù)約占95%；每年太陽輻射的分布規(guī)律具有較好的一致性。建議雅萬高鐵無砟軌道設(shè)計(jì)時(shí)太陽日總輻射量按20 MJ/m2考慮。

2.1.3 復(fù)合軌道板溫度梯度取值

根據(jù)式（1）和對(duì)雅萬高鐵沿線太陽日總輻射量的統(tǒng)計(jì)分析，可得雅萬高鐵預(yù)制軌道板最大溫度梯度為Tmax=0.65 ℃/cm。由于該值是在板厚22 cm時(shí)得到的，因此需結(jié)合復(fù)合軌道板厚度進(jìn)行修正。根據(jù)文獻(xiàn)［5］相關(guān)規(guī)定線性內(nèi)插計(jì)算后的修正系數(shù)為0.815。對(duì)于29 cm厚的復(fù)合軌道板，取Tmax=0.53 ℃/cm。

2.2 底座整體溫差取值

由表1可知，雅加達(dá)地區(qū)歷年極端最高氣溫、極端最低氣溫分別與年平均氣溫相差約10 ℃；萬隆地區(qū)歷年極端最高氣溫、極端最低氣溫分別與年平均氣溫相差約13 ℃?？紤]施工階段氣溫與年平均氣溫有一定偏差，雅萬高鐵無砟軌道混凝土底座溫差可以取15 ℃。

3 無砟軌道結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

3.1 荷載效應(yīng)分析

由上述分析可知，雅萬高鐵無砟軌道設(shè)計(jì)中整體溫差、溫度梯度等荷載參數(shù)與我國(guó)存在較大差異，有必要對(duì)軌道板、自密實(shí)混凝土層、底座的參數(shù)等進(jìn)行深化研究，進(jìn)一步提高雅萬高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)文獻(xiàn)［3，5，9］，計(jì)算CRTSⅢ型板式無砟軌道荷載效應(yīng)，得到雅萬高鐵和中國(guó)高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)荷載取值，結(jié)果見表2。

表2 雅萬高鐵和中國(guó)高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)荷載對(duì)比

3.2 預(yù)制軌道板設(shè)計(jì)

我國(guó)在遂渝鐵路無砟軌道試驗(yàn)段、武廣高速鐵路武漢綜合試驗(yàn)段、廣深港高速鐵路、廣珠鐵路、西寶高速鐵路試驗(yàn)段、成貴高速鐵路等線路鋪設(shè)了普通鋼筋混凝土軌道板，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)段軌道結(jié)構(gòu)及軌道板狀態(tài)良好，可見裂紋較少，表明普通鋼筋混凝土軌道板結(jié)構(gòu)滿足高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性要求。鑒于雅萬高鐵溫度條件較好，溫度梯度及整體溫差均較小，建議雅萬高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道采用普通鋼筋混凝土軌道板。

基于荷載效應(yīng)分析方法，分別計(jì)算雅萬高鐵和中國(guó)高鐵的列車荷載、溫度梯度、基礎(chǔ)變形等荷載效應(yīng)并進(jìn)行組合，獲得不同線下基礎(chǔ)條件下CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)復(fù)合軌道板的荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，見表3。

表3 雅萬高鐵和中國(guó)高鐵復(fù)合軌道板荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值對(duì)比

由表3可知，相比于中國(guó)高鐵，由于溫度梯度幅值變小，雅萬高鐵復(fù)合軌道板荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值在路基和橋梁地段有一定降低。因此，可對(duì)復(fù)合軌道板進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)最不利荷載效應(yīng)組合及彎矩分配分析，不同線下基礎(chǔ)條件下長(zhǎng)度5.6 m 預(yù)制軌道板荷載效應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)值見表4。

表4 雅萬高鐵預(yù)制軌道板荷載效應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)值

由表4 可知，隧道地段由于不考慮溫度梯度的影響，軌道板受力較小。雅萬高鐵隧道里程比例為11.6%，占比較小。統(tǒng)籌軌道板制造和鋪設(shè)的便利性，宜按受力相對(duì)不利的路基和橋梁地段進(jìn)行設(shè)計(jì)，即軌道板縱向設(shè)計(jì)彎矩為27.68 kN·m，橫向設(shè)計(jì)彎矩為24.57 kN·m。

普通鋼筋混凝土軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，軌道板裂縫寬度按照0.2 mm 控制，對(duì)長(zhǎng)度5.6 m 軌道板（圖2）進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，見表5。根據(jù)預(yù)制軌道板荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值及配筋情況，分別對(duì)軌道板橫斷面、縱斷面混凝土裂縫寬度進(jìn)行檢算。結(jié)果表明，裂縫寬度滿足0.2 mm限值要求。

3.3 自密實(shí)混凝土層配筋設(shè)計(jì)

列車荷載作用下自密實(shí)混凝土層處于復(fù)合軌道板受拉區(qū)。由于雅萬高鐵路基、橋梁等露天地段復(fù)合軌道板設(shè)計(jì)彎矩相對(duì)較小，自密實(shí)混凝土層具備配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化的條件。

圖2 長(zhǎng)度5.6 m軌道板尺寸（單位：mm）

表5 預(yù)制軌道板配筋數(shù)量

基于表3 中雅萬高鐵復(fù)合軌道板荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值，按照單筋截面進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，配置單層鋼筋網(wǎng)片。雅萬高鐵自密實(shí)混凝土層配筋設(shè)計(jì)與我國(guó)高鐵配筋設(shè)計(jì)對(duì)比見表6?？芍?，與中國(guó)高鐵相比，雅萬高鐵路基和橋梁地段自密實(shí)混凝土層配筋可節(jié)約10%左右。

表6 雅萬高鐵與中國(guó)高鐵自密實(shí)混凝土層配筋對(duì)比

3.4 路基地段底座分段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

混凝土底座是軌道結(jié)構(gòu)重要承力層。當(dāng)?shù)鬃侄伍L(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，在整體溫度荷載作用下，由于受到的復(fù)合軌道板下隔離層的摩擦力、限位凹槽周邊彈性緩沖墊層的約束力和底座下表面的摩擦力都會(huì)增大，底座中部產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增大，開裂后會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載性能和耐久性；當(dāng)?shù)鬃侄伍L(zhǎng)度較短時(shí)，由于底座底部所能提供的橫向抗力較小，其橫向穩(wěn)定性可能得不到保證。因此，參考文獻(xiàn)［10］進(jìn)行路基地段底座合理分段長(zhǎng)度分析。

3.4.1 底座整體降溫影響分析

為分析整體降溫對(duì)不同分段長(zhǎng)度的底座受力的影響，建立有限元模型，對(duì)路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。模型中鋼軌、軌道板、自密實(shí)混凝土層、底座均采用實(shí)體建模，自密實(shí)混凝土層與底座接觸的非凹槽區(qū)域采用面-面接觸進(jìn)行模擬。軌道板與自密實(shí)混凝土間采用綁定約束，底座底面采用雙線性彈簧模擬路基剛度以及底座底面與基床表層之間的摩擦。分段長(zhǎng)度分別取1～6 塊軌道板，單塊板長(zhǎng)度為5.6 m。

根據(jù)雅萬高鐵的具體條件，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)施加整體降溫15 ℃荷載，并與中國(guó)高鐵采用的整體降溫40 ℃荷載進(jìn)行對(duì)比分析。不同分段長(zhǎng)度的底座縱向拉應(yīng)力見表7?？芍?，整體降溫幅值及分段長(zhǎng)度對(duì)底座拉應(yīng)力影響顯著，且隨著底座長(zhǎng)度增加影響程度逐步降低。在整體降溫15 ℃荷載作用下，6 塊軌道板長(zhǎng)度時(shí)底座縱向拉應(yīng)力為2.008 MPa?？紤]常用列車豎向設(shè)計(jì)荷載作用下底座縱向拉應(yīng)力為0.500 MPa，疊加后已接近C40 混凝土抗拉極限強(qiáng)度2.700 MPa。為防止運(yùn)營(yíng)階段底座普遍出現(xiàn)橫向裂紋，影響結(jié)構(gòu)耐久性，建議雅萬高鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道底座分段長(zhǎng)度不宜超過6塊軌道板。

表7 不同分段長(zhǎng)度的底座縱向拉應(yīng)力

3.4.2 底座橫向穩(wěn)定性分析

底座與路基之間的摩擦因數(shù)取0.5，則其橫向最大抗力在數(shù)值上可以認(rèn)為是上部軌道結(jié)構(gòu)自重的一半［10］。底座橫向受力主要包括無縫線路鋼軌橫向力、列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力等。分段長(zhǎng)度不同時(shí)底座橫向抗力及橫向受力計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 底座橫向抗力及橫向受力計(jì)算結(jié)果

由表8 可知，當(dāng)?shù)鬃L(zhǎng)度為11.2 m 時(shí)，橫向力富余量為44.50 kN，即底座長(zhǎng)度不小于2 塊軌道板長(zhǎng)度能夠滿足橫向穩(wěn)定性要求。此時(shí)橫向力計(jì)算僅考慮了底座底部摩擦提供的橫向約束，鋼軌的橫向抗彎及兩側(cè)混凝土封閉層等約束并沒有考慮在內(nèi)，此部分可作為安全儲(chǔ)備。

基于CRTSⅢ型板式無砟軌道在整體降溫荷載作用下的受力分析及橫向穩(wěn)定性計(jì)算，考慮軌道結(jié)構(gòu)施工性能及經(jīng)濟(jì)性，建議雅萬高鐵路基地段底座分段長(zhǎng)度取4～6 塊軌道板。隧道地段整體溫差較路基地段小，可適當(dāng)增加底座長(zhǎng)度。

4 結(jié)論及建議

1）結(jié)合我國(guó)鋪設(shè)普通鋼筋混凝土軌道板實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮雅萬高鐵沿線氣候條件，提出可采用普通鋼筋混凝土軌道板，以降低制造難度和成本。

2）研究確定了雅萬高鐵軌道板最大溫度梯度推算公式，提出了預(yù)制軌道板最大溫度梯度取0.65 ℃/cm，復(fù)合軌道板最大溫度梯度取0.53 ℃/cm；底座整體溫差取15 ℃。

3）荷載效應(yīng)分析表明，與中國(guó)高鐵相比，雅萬高鐵復(fù)合軌道板設(shè)計(jì)彎矩減小約13%左右，具備進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋優(yōu)化的條件。雅萬高鐵路基和橋梁地段自密實(shí)混凝土層配筋可節(jié)約10%左右。

4）基于CRTSⅢ型板式無砟軌道在整體降溫荷載作用下底座的受力分析及橫向穩(wěn)定性計(jì)算，建議雅萬高鐵路基地段底座分段長(zhǎng)度取4～6塊軌道板。