城市軌道交通高架線道床結構設計方法探討

丁靜波

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道院,北京 100055)

1 城市軌道交通高架道床結構簡述

隨著我國城市經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市規(guī)劃的擴展,城市對大容量、高質(zhì)量的這種軌道交通出行方式需求也越發(fā)迅速。目前已建成軌道交通且已運營的有10個城市,計劃開工建設有30多個城市,其中高架作為城市軌道交通的一種主要敷設方式,在北京、上海、天津、大連、武漢、南京等各個城市內(nèi)普遍采用。同時,橋上軌道采用了整體道床結構,它既美觀也可減少工務養(yǎng)護維修量。

上海地鐵軌道交通3號線(也稱明珠線)設計時速80 km,它是國內(nèi)第一條城市軌道交通高架線,軌道采用縱向承軌臺整體道床結構,2000年通車試運營至今狀況良好。高架上的這種軌道結構形式,它不僅結構簡單,施工方便,而且可有效降低橋梁的二期恒載,因此也在國內(nèi)各個城市軌道交通中逐步得到推廣使用。與普通縱向承軌臺稍有不同,廣州地鐵4號線、北京地鐵機場線采用了直線電機運載系統(tǒng),它通過安裝在道床上的感應板與車上電機感應牽引運行,具有轉彎半徑小、爬坡能力強的特點,同時直線電機對安裝在道床上的感應板要求較高,因此4號線及機場線高架上軌道分別采用預制板式道床和長枕埋入式整體道床結構,見圖1。

房山線高架道床采用縱向承軌臺式結構,用C40混凝土現(xiàn)場澆筑,通過橋面預埋鋼筋與橋梁連成一體。設計軌道結構高度為520 mm,單塊縱向承軌臺寬度為920 mm,道床厚度為276 mm；按橋梁跨度和扣件間距的不同進行分塊布置,其中標準塊長度L=3 750 mm,每個塊與塊之間有100 mm間隙；這兩股鋼軌的縱向承軌臺內(nèi)側間距為476 mm,中間無橫向聯(lián)結,見圖2。

圖2 房山線高架道床結構橫斷面(單位：mm)

2 高架道床結構影響因素

城市軌道交通具有軸重輕、速度低,但行車密度高、可維修時間短的特點,因此要求軌道道床結構安全性高,且有較長的耐久性,并少維修。參考客運專線鐵路無砟軌道基本的分析理論方法,結合具體城市軌道交通房山線及地區(qū)特點,對影響高架道床結構設計的幾個主要方面：列車豎向承載力、溫度翹曲應力以及橋梁基礎不均勻沉降計算方法進行探討。

2.1 列車豎向荷載作用

按客運專線鐵路無砟軌道形式計算方法,采用彈性地基上的疊合梁理論,建立一個彈性地基上的梁-板有限單元模型,進行列車荷載作用下的受力分析,其中以鋼軌梁單元模型,道床用板殼單元模擬,扣件、道床以及橋梁下部橋墩基礎支承剛度采用非線性彈簧進行模擬,并取3塊道床塊進行計算,以中間道床塊作為研究對象,并取2個臨界點位置板邊和板中的對應位置進行分析。以北京城市軌道交通房山線為例,按上述方法建立橋上梁-板結構模型,設計最高運行速度100 km/h、B1型車、車輛軸重140 kN并考慮車輛動荷載系數(shù)；軌道采用60 kg/m鋼軌,Wj-2小阻力扣件,扣件垂直靜剛度為40～60 kN/mm,橋梁底座剛度取1 500 MPa/m,見圖3。

圖3 列車豎向荷載計算模型

2.2 溫度翹曲應力因素

根據(jù)國外無砟軌道設計研究表明,不均勻溫度影響對道床結構局部受力影響至關重要,在長期溫度作用,也影響道床結構的耐久性及承載力,特別對于北方溫差較大地域,更應重點考慮。溫度翹曲應力按照Westgaard計算理論進行計算,分別按“上冷下熱”和“上熱下冷”兩種情況,計算方法見下面公式

式中，σtm為最大溫度翹曲應力；αc為線膨脹系數(shù)；Ec為混凝土的彈性模量；h為混凝土結構物厚度；Tg最大溫度梯度；Bx為綜合溫度翹曲應力和內(nèi)應力作用的溫度應力系數(shù)。按照北京地區(qū)經(jīng)驗進行取值檢算,對應的混凝土的線膨脹系數(shù)αc通常可取為1×10-5/℃,按C40混凝土彈性模量Ec=3.4×104MPa；最大溫度梯度取值Tg=45 ℃,計算后的σtm=1.5 MPa。

2.3 橋梁基礎不均勻沉降

由于工期較緊,橋梁架設后收縮徐變未完成,即開始鋪設軌道,導致產(chǎn)生各種不均勻沉降,增加了工務后期養(yǎng)護維修問題,應引起建設部門的重視,設計中更應考慮不均勻沉降的影響。高架道床結構設計的不均勻沉降值,按《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2003)相鄰墩臺基礎的沉降之差不應超過20 mm。

這種不均勻沉降引起的高架整體道床結構產(chǎn)生附加應力,主要采用有限元方法計算,但對于一些常用標準的橋型結構也可用經(jīng)驗公式Mu=EIk計算,基本能夠滿足結構性能安全的要求。其中Mu為基礎變形引起的附加彎矩,EI軌道結構的抗彎剛度,k為基礎變形率。針對房山線30 m簡支梁上縱向承軌臺結構,按經(jīng)驗公式計算的基礎變形率k=0.5,軌道的抗彎剛度EI=2.08 N·m,計算后基礎變形附加彎矩Mu=1.04 N·m,相應的不均勻沉降附加應力σcj=0.9 MPa。

3 高架道床結構設計

3.1 結構承載力配筋及計算方法

綜合考慮高架道床結構各種受力因素,對各項分析計算指標進行最不利組合,最后確定結構承載力彎矩值Mk,按《混凝土設計規(guī)范》(GB50010—2002)受彎結構進行配筋計算

另外,在正常使用極限狀態(tài)下,考慮結構本身的長期耐久,特別對城市軌道交通高架道床這種現(xiàn)澆結構的裂縫應嚴格控制。參考鐵路的相關設計標準,計算裂縫寬度按下列公式計算

式中，ωf為裂縫寬度；K1、K2分別為鋼筋及荷載影響系數(shù)；r為中性軸至受拉邊緣的距離與中性軸至受拉鋼筋重心的距離之比；σs為外荷載作用下鋼筋重心處的應力；d、μ2分別為受拉區(qū)鋼筋直徑及配筋率。按北京城市軌道交通房山線縱向采用6根φ14 HRB335鋼筋計算分析,其裂縫寬度ωf=0.2 mm,也能滿足正常耐久性使用要求。

3.2 結構承載力計算分析

結合房山線具體工程實踐進行理論計算分析,考慮道床結構主要豎向承載力、溫度翹曲應力以及橋梁基礎不均勻沉降因素,確定道床結構最不利承載力,并進行配筋及耐久性裂縫的檢算,計算分析如下。

(1)本工程列車單豎向動輪載值按175 kN設計考慮,按有限元模型進行計算分析,最大拉應力為1.23 MPa,道床結構與橋梁間變形位移值為0.018 mm,均小于道床結構設計允許應力值,滿足承載力要求,見圖4。在高架道床結構設計中,通過在橋面預留鋼筋,加強了橋梁與軌道結構間的有效連接,避免了縱向承軌臺道床結構與梁面剝離問題,從而提高軌道結構整體的承載能力。

圖4 高架縱向承軌臺動載變形位移及應力云圖

(2)高架道床結構配筋設計中建議縱向主筋采用φ16 mm的鋼筋,并從道床結構受力分析,可減少上層鋼筋的布置數(shù)量,這樣相對原φ14 mm鋼筋布置方案,即可減少鋼筋的根數(shù),又增加鋼筋間距,方便施工控制,也可提高鋼筋的利用率,不降低工程質(zhì)量。通過計算分析,適當增加配筋率,能提高結構的承載力,控制裂縫程度,這種方法比提高混凝土的強度等級更為有效,更加經(jīng)濟節(jié)約。

(3)一般高架縱向承軌臺的寬度為750 mm,通過梁-板有限元模型計算,最大拉應力為1.19 MPa,道床結構與橋梁變形位移值為0.016 mm。房山線為滿足信號波導管和接觸軌安裝要求,單塊縱向承軌臺寬度應不小于920 mm。承軌臺寬度增加,通過計算分析,相應引起道床應力及變形位移的增大,因此高架道床設計中應結合具體功能合理確定道床寬度。

4 結論

高架橋作為解決城市交通主要一種敷設方式,其橋上軌道也主要采用縱向承軌臺整體道床結構。各個地區(qū)城市高架上軌道道床設計的形式尺寸受軌道高度、扣件選型及相關信號、接觸軌、限界專業(yè)等限制稍有差別外,其余都基本一致。本文結合房山線的工程實例,深入研究高架道床結構設計計算方法,拋磚引玉,供設計參考。在高架橋上由于聲源位置提高,列車與鋼軌相互撞擊所產(chǎn)生的振動噪聲影響范圍將擴大,并且與梁體內(nèi)形成二次輻射噪聲,導致在工程項目運營實施不久,即有居民投訴問題。因此從長遠發(fā)展考慮,橋上應采取彈性軌道結構,在源頭上控制這種高架噪聲,既可降低二次噪聲,也可減少輪軌沖擊振動對高架橋的影響,對提升結構整體耐久性較為有利。

[1] 北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國建設部.GB50010—2002 混凝土設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] 丁靜波，孫井林，高 亮.廣州地鐵4號線一期工程高架橋上無縫線路設計研究[J].鐵道標準設計，2007(7)：10-12.

[4] 盧欽先，胡 狄.鋼筋混凝土受彎構件裂縫寬度控制下的鋼筋應力[J].工業(yè)建筑,2008，38(4).

[5] 王其昌,韓啟夢.板式軌道設計與施工[M].成都：西南交通大學出版社,2002.

[6] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京：中國鐵道出版社,2006.

[7] 孫 鑫，王 進，高曉新，等.北京地鐵10號線軌道道床結構設計[J].鐵道標準設計，2008(7)：20-22.

[8] 車曉娟，李成輝.無砟軌道板配筋對控制溫度裂縫影響的研究[J].鐵道建筑,2007(10).