新型高速鐵路無砟軌道道床結(jié)構(gòu)的研究

胡亮亮

【摘要】高速鐵路是世界鐵路發(fā)展的新方向，也是世界鐵路發(fā)展的必然趨勢，無砟軌道作為高速鐵路不可缺少的建造體系，在高速鐵路的結(jié)構(gòu)中起著核心作用。根據(jù)中國高鐵乃至于世界高速鐵路的發(fā)展，無砟軌道的應用也反生了巨大的變化，并且樣式復雜多樣，況且目前世界高鐵還處于發(fā)展初中期，發(fā)展空間巨大，對于無砟軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和提升更是隨后高速鐵路研究和發(fā)展的主要方向，為此提出繼續(xù)優(yōu)化無砟軌道的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)無砟軌道的廣泛應用墊定基礎。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路；無砟軌道；鋼筋；纖維混凝土

一、新型雙塊式軌枕道床結(jié)構(gòu)的簡明概要

高速鐵路雙塊式軌枕道床是從德國雷達系統(tǒng)開發(fā)出來的，雙塊式軌枕可適用于各種不同的無砟軌道形式，可以根據(jù)軌道安裝及運行時所受的承載力和應力而優(yōu)化設計。經(jīng)過承載力和應力的分析結(jié)果，道床板的設計可以把配筋更改，根據(jù)鋼筋在道床中的作用和承受承載力以及應力的要求，研究后可去掉道床內(nèi)的縱向鋼筋，此項無縱向鋼筋雙塊式無砟道床的設計研究將是無砟軌道結(jié)構(gòu)的一次重大變更。中國高鐵乃至于世界高速鐵路的發(fā)展中，無砟軌道的應用也反生了巨大的變化，并且樣式復雜多樣，況且目前世界高鐵還處于發(fā)展初中期，發(fā)展空間巨大。為此提出繼續(xù)優(yōu)化無砟軌道的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)無砟軌道的廣泛應用墊定基礎。

二、國內(nèi)外同類技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、專利等知識產(chǎn)權(quán)情況分析，目前國外對于此項技術(shù)的發(fā)展正處于研究試用階段；國內(nèi)對于此項技術(shù)正處于可行性研究階段，無專利和知識產(chǎn)權(quán)。80年代初曾試鋪過瀝青整體道床，由瀝青混凝土鋪裝層與寬軌枕組成的整體道床，以及由瀝青灌注的固化道床等，但未正式推廣。進入90年代以來，開始針對高速鐵路無砟軌道技術(shù)進行試驗研究。為適應我國發(fā)展高速鐵路的需求，初步提出了幾種高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，雖然我國在高速鐵路的建設中和建成的總里程長度上都處于世界領(lǐng)先水平，但是無砟軌道的的研制工作又進入了一個新階段。

（二）國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢，無砟軌道結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，解決了有砟軌道存在的穩(wěn)定性差、維修工作量大的問題，為高速度、高密度的鐵路運輸提供了有利的條件。經(jīng)過40多年的國內(nèi)外鐵路發(fā)展和100多種結(jié)構(gòu)形式的試驗，最后遴選出30多種軌道類型進行現(xiàn)場試鋪，形成了適合不同運輸條件下的無砟軌道體系，為無砟軌道的發(fā)展墊定了堅實的基礎，但是我們必須看到，無砟軌道的還應用存在局限性和缺陷性，在國內(nèi)外許多鐵路上還處于試驗階段，在高速鐵路大面積的推廣也只有30年時間，無砟軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展，還存在很大的空間和優(yōu)化提高。

（三）國內(nèi)外的施工研究項目。2006年第一個高速鐵路無縱向鋼筋雙塊式軌枕道床試驗項目在西班牙被執(zhí)行；同時，在德國的試驗項目和商業(yè)項目特別是在城市交通領(lǐng)域（輕軌交通/捷運）已經(jīng)成功地實現(xiàn)了；在希臘和臺灣等地已經(jīng)意識到此項研究的價值，并有各自跟蹤的項目。

三、軌道結(jié)構(gòu)研究的試驗和優(yōu)化后的意義

2006年第一個試驗項目在28.4公里長的隧道段進行，設計速度350公里/小時，每日施工速度350米/天，在相對穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)和軌道允許的技術(shù)要求下，成本、施工速度和技術(shù)（開裂）優(yōu)勢已確定。去掉無砟軌道道床內(nèi)縱向鋼筋的結(jié)論基于拉力測量，縱向鋼筋只限制道床混凝土的收縮裂縫。起初道床內(nèi)的縱向鋼筋的設計主要為了滿足混凝土結(jié)構(gòu)的配筋，縱向鋼筋位于道床橫截面的中性軸，且穩(wěn)定的道床幾乎不受上部剪力荷載的影響，因此道床內(nèi)的鋼筋在彎矩作用下幾乎無作用。在幾個不同的道床結(jié)構(gòu)成功初始測試后，2006年批準縱向鋼筋減少50%，2007年批準消除縱向鋼筋。隨后其他一些鐵路專家意識到消除軌道板的縱向鋼筋所帶來的成本節(jié)約，EMC/信號的兼容性處理更加便利，測試程序更加簡單。為解決設計要求，做了相當大的試驗，觀察結(jié)果如下：一個最佳混凝土配合比完全能滿足混凝土道床的壓縮、拉伸和環(huán)境的要求。在2010年10月第一次通過批準后，評審程序在一座30米長的橋上系統(tǒng)測試，2011年2月，經(jīng)過幾周的操作，得到一個詳細的測試結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)合成纖維混凝土軌道板上有明顯的裂紋。

四、鋼筋混凝土道床的研究

無砟軌道道床承載層中有預應力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、素混凝土結(jié)構(gòu)和水泥穩(wěn)定性材料結(jié)構(gòu)等，其對裂紋的要求不同。預應力混凝土結(jié)構(gòu)一般不允許出現(xiàn)裂紋，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂紋但起寬度靠鋼筋進行限制，而素混凝土結(jié)構(gòu)以及水泥穩(wěn)定性材料更容易出現(xiàn)裂紋且裂紋的寬度不受控制，一旦開裂則在開裂位置出無法繼續(xù)傳遞彎矩，表現(xiàn)為整體剛度和彈性模量的折減。裂紋將呈現(xiàn)出兩種不同的形式，即不穩(wěn)定性裂紋和穩(wěn)定性裂紋。不穩(wěn)定性裂紋是指隨著荷載的增大，最大裂紋的寬度保持不變，裂紋的數(shù)量隨之增多、間距隨之減小的裂紋形式；而穩(wěn)定性裂紋則是指隨著荷載的增大，裂紋數(shù)量保持不變，裂紋的寬度不斷增大的裂紋形式。為了控制連續(xù)道床板的裂紋寬度，一般要求將道床板的裂紋控制為不穩(wěn)定裂紋形式。當混凝土拉應力達到其抗拉強度時，混凝土開裂推出工作，裂紋附近局部粘結(jié)破壞，平截面假定不再適應，開裂處鋼筋承受全部軸力，鋼筋應力讓繼續(xù)增大，但混凝土拉應力和承載力迅速下降。軸力繼續(xù)增大至鋼筋屈服時，混凝土已嚴重開裂，已不在承受拉力，全部軸力由鋼筋承受，則鋼筋的屈服就成為道床板受拉的極限狀態(tài)。以上分析可知，連續(xù)道床板開裂軸力主要取決于混凝土的抗拉強度和道床板段面積，配筋量大小影響很小，但極限承載力則完全取決于鋼筋的屈服強度和配筋量。若配筋量過小，將出現(xiàn)極限軸力小于開裂軸力的情況，一旦混凝土開裂因軸力過大鋼筋就會立即屈服，已經(jīng)開裂的裂紋就變的無法控制。因此在優(yōu)化道床結(jié)構(gòu)的過程中就必須已控制道床的裂紋為主，采用粘性材料來替代剛性材料是完全有必要的。

五、軌道優(yōu)化的影響

道床內(nèi)的縱向鋼筋的設計主要為了滿足混凝土結(jié)構(gòu)的配筋，防止道床混凝土發(fā)生收縮和開裂，當去掉縱向鋼筋后，軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，連續(xù)的混凝土道床就會出現(xiàn)裂紋，對道床的穩(wěn)定性造成了威脅。因此在混凝土性能上進行研究，通過在混凝土內(nèi)增加纖維來防止因為去掉鋼筋而造成的缺陷。由于增加纖維，抗壓和抗拉強度略有增加，裂縫寬度和裂縫后強度測試得到了很好的控制；裂紋開口顯示有效聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。纖維的加固防止裂紋擴展及將負荷從一面轉(zhuǎn)移到另一面裂縫。

當沒有配筋而脆弱的混凝土受到張力的時候，他開始變形，繼續(xù)有微裂縫，局部大裂縫而。加入纖維后，混凝土會改良破裂后的狀態(tài)。改良程度要視乎很多因素，例如基質(zhì)強度，纖維類形，纖維模量，纖維長寬比率，纖維強度，黏結(jié)特性，纖維劑量，纖維黏聚性及骨料的級配。

六、纖維混凝土的研究和作用

纖維混凝土是由水泥，骨料及松散纖維料組成，適合用于加強混凝土的纖維物料有鋼、玻璃或有機聚合物制成。對于摻加纖維素纖維的混凝土質(zhì)量檢驗與控制尚無國家標準，纖維素纖維在混凝土中的應用存在使用不規(guī)范的情況。通過由5個實驗室分別在5個施工點對C30，C35，C40強度等級的混凝土進行摻加纖維素試驗，檢測摻加纖維素纖維前后混凝土試件的力學和耐久性指標并進行對比分析。研究結(jié)果表明，C30，C35混凝土摻加纖維后強度變化不明顯，電通量略有下降，C40混凝土摻加纖維后強度有下降趨勢，電通量則有上升趨勢，這種現(xiàn)象應引起高度重視。因此選擇正確類型的纖維是纖維混凝土的關(guān)鍵問題，從幾種類型的纖維其特點進一步研究，根據(jù)無砟軌道道床的結(jié)構(gòu)性能從而選出最合適的聚丙烯纖維滿足雷達軌道使用。在2010年10月第一次通過批準后，評審程序在一座30米長的橋上系統(tǒng)測試，2011年2月，經(jīng)過幾周的操作，得到一個詳細的檢查結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)橋上合成纖維混凝土道床上有裂紋。

七、無鋼筋混凝土道床裂紋的控制研究

在這種情況下，通過添加纖維改善混凝土性能防止裂紋的出現(xiàn)，但是連續(xù)的無砟軌道混凝土道床受施工和復雜的外界環(huán)境影響，在道床的薄弱環(huán)節(jié)還是會出現(xiàn)一些自由的裂紋，且出現(xiàn)裂紋的位置不受控制，自由發(fā)展。當沒有配筋而脆弱的混凝土受到張力的時候，道床開始變形，繼續(xù)有微裂縫，局部大裂縫。加入纖維后，混凝土會改良破裂后的狀態(tài)。改良程度要依據(jù)很多因素，例如基礎的強度，纖維類形，纖維模量，纖維長寬比率，纖維強度，黏結(jié)特性，纖維劑量，纖維黏聚性及骨料的級配和外界環(huán)境。也根據(jù)裂紋自由發(fā)展不受控制的狀態(tài)，提出了道床單元的設計，單元式結(jié)構(gòu)使無砟軌道形成相對獨立的單元，基本消除了長大混凝土收縮及溫度的影響，局部的損壞對整體影響小，可方便實現(xiàn)軌道單元的維修和重建。由此裂紋被限制在某些特定的位置出現(xiàn)，例如在軌道板每3-4米間隔設置接縫，引導道床開裂，裂化只發(fā)生在這些接縫位置，在獨立的軌道單元內(nèi)裂紋幾乎不存在。如此措施就很好的解決了裂紋的發(fā)展，也滿足軌道道床結(jié)構(gòu)的承載力要求。

八、經(jīng)濟效益、社會效益

此項無縱向鋼筋雙塊式無碴道床的設計研究將是無砟軌道結(jié)構(gòu)的一次重大變更，可以優(yōu)化高速鐵路無砟軌道系統(tǒng)的施工方案，節(jié)省資源，降低成本，提高工效，此項研究將指導無砟軌道系統(tǒng)的發(fā)展。對于無砟軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和提升是隨后高速鐵路研究和發(fā)展的主要方向。此項技術(shù)研究適合不同的無砟軌道體系，對無砟軌道和高速鐵路利用新材料、新工藝的發(fā)展墊定了基礎。大多數(shù)國家在高速鐵路新線建設的初期修訂了修建高速鐵路的全國規(guī)劃；雖然建設高速鐵路所需資金較大，但從社會效益、節(jié)約能源、治理環(huán)境污染等諸多方面分析，修建高速鐵路對整個社會具有較好的效益，這一點得到各國政府的共識；高速鐵路促進地區(qū)之間在的交往和平衡發(fā)展，歐洲國家已經(jīng)將建設高速鐵路列為一項政治任務，各國呼吁在建設中攜手打破邊界的束縛；高速鐵路從國家公益投資轉(zhuǎn)向多種融資方式籌集建設資金，建設高速鐵路出現(xiàn)了多種形式融資的局面；高速鐵路的技術(shù)創(chuàng)新正在向相關(guān)領(lǐng)域輻射和發(fā)展。技術(shù)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)優(yōu)化成了高速鐵路發(fā)展的核心任務。

參考文獻

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