高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論分析

董浩博

摘要：從我國高速鐵路的建設(shè)現(xiàn)狀來看，我國正面著日益增長的高速鐵路客運(yùn)專線的需求，同時(shí)我國高速鐵路無砟軌道的鋪設(shè)數(shù)量少，鋪設(shè)時(shí)間也比較短暫，并且是在還沒有具備完備系統(tǒng)的理論研究的情況下展開的。為此，在本文中，筆者結(jié)合了對(duì)國內(nèi)外無砟軌道結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)，并結(jié)合我國實(shí)際，進(jìn)一步分析了我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論分析，旨在為我國建立一個(gè)獨(dú)立自主的無砟軌道設(shè)計(jì)理論體系提供可供參考的意見，進(jìn)一步推動(dòng)我國的高速鐵路建設(shè)。從而實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 無砟軌道 設(shè)計(jì)理論

高速鐵路是一種以現(xiàn)代全新技術(shù)裝備的新型現(xiàn)代鐵路，這種鐵路具有極高的運(yùn)行速度，同時(shí)具備高可靠性、高度自動(dòng)化、高安全性、全封閉等特點(diǎn)，越來越受到世界各國的重視。如今，世界各國都致力于對(duì)高度鐵路建設(shè)的研究中，高速鐵路也成為世界鐵路發(fā)展的最終趨勢(shì)。當(dāng)前我國已經(jīng)具備了較為成熟的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，為我國的交通運(yùn)輸做出了極大貢獻(xiàn)。高速鐵路建設(shè)不僅涉及面大，并且有著較大的難度，而鐵道工程作為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，在高速鐵路建設(shè)中的地位極其重要。從某種程度而言，高速鐵路的總造價(jià)在很大程度上是由鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用所決定的。因此，在建設(shè)高速鐵路時(shí)，必須對(duì)軌道結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合考量，確保軌道結(jié)構(gòu)的合適性和經(jīng)濟(jì)性。

一、我國無砟軌道概述

（一）我國無砟軌道結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用

我國無砟軌道的起步較早，早在上世紀(jì)三十年代的東北地區(qū)，就已經(jīng)應(yīng)用了整體道床的鋪設(shè)。之后，隨著我國鐵路運(yùn)量的日益增長，為了降低線路維修工作的壓力，使軌道各部件的使用壽命得到增加，在1957年與1958年唐山鐵道學(xué)院與鐵道部科學(xué)研究院先后開始研究新型軌下基礎(chǔ)。各鐵路部門都展開了相應(yīng)的研究和試鋪工作，為鐵路新型軌下基礎(chǔ)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。在唐山車站的土質(zhì)路基上，北京鐵路局曾鋪設(shè)了一些埋入縱向枕軌式整體道床，其后又有多個(gè)省份的鐵路局先后在一些車站是鋪了整體道床。然而，因?yàn)楫?dāng)時(shí)在試鋪前沒有科學(xué)處理土質(zhì)路基基底，致使試鋪效果不佳，大多數(shù)試鋪的軌道現(xiàn)已不存在。自1973年之后，我國的無砟軌道則步入了迅猛發(fā)展時(shí)期。從我國無砟軌道的研究進(jìn)程來看，前期，我國主要致力于對(duì)無砟軌道隧道內(nèi)和小跨度橋梁的研究，現(xiàn)今對(duì)土質(zhì)路基上無砟軌道的研究已經(jīng)步入了實(shí)踐階段，從實(shí)踐中來看，我國無砟軌道實(shí)驗(yàn)段已經(jīng)完全符合設(shè)計(jì)要求，能夠極大地推動(dòng)我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。但和部分發(fā)達(dá)國家相比，我國無砟軌道結(jié)構(gòu)的諸多方面還存在諸多不足。為此，要想讓我國真正建成世界超一流的高速鐵路，就應(yīng)該對(duì)我國無砟軌道的研究結(jié)果進(jìn)行充分利用，并結(jié)合我國國情，設(shè)計(jì)出更符合我國現(xiàn)狀的高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)。

（二）我國無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的研究概況

和發(fā)達(dá)國家相比而言，我國無砟軌道結(jié)構(gòu)不論是設(shè)計(jì)，還是應(yīng)用都比較晚。從我國無砟軌道的發(fā)展進(jìn)程來看，其設(shè)計(jì)理論除了結(jié)合我國的實(shí)際情況之外，還對(duì)國外一些無砟軌道的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了借鑒。在設(shè)計(jì)方法上，對(duì)列車荷載的作用進(jìn)行了充分考慮，在容許應(yīng)力法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)或最小配筋率加強(qiáng)了整體道床結(jié)構(gòu)的筋配。在選取參數(shù)上，輪載動(dòng)力系數(shù)與水平荷載的確定則建立在無砟軌道的動(dòng)力測試情況上，在通常情況下，會(huì)將動(dòng)力系數(shù)設(shè)置成2，如果列出運(yùn)行速度較高或運(yùn)載量較大時(shí)，就會(huì)選擇3的動(dòng)力系數(shù)，遇到特殊情況則進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。同時(shí)，因?yàn)樵谶\(yùn)營過程中，無砟軌道一旦出現(xiàn)損壞就非常難修復(fù)，所以在考慮安全性后，會(huì)選用2-3倍的動(dòng)載系數(shù)。在計(jì)算理論上，我國無砟軌道主要選用的理論則是彈性地基疊合梁理論、彈性地基上的梁-板理論以及實(shí)體有限元計(jì)算理論。我國無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)深受彈性地基疊合梁理論的影響，并將其應(yīng)用于實(shí)際操作中，獲得了不錯(cuò)的效果。

二、無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的選擇

不管無砟軌道屬于什么類型，其都需要由鋼軌、扣件和不同彈性性能的多重支承板組成，其中多重支承板的設(shè)計(jì)技術(shù)是無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)，這一部分涵蓋了道床板、隔離、底座與聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)等，功能和有砟軌道的軌枕和道床相類似，都可以支承和傳遞荷載。

（一）鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的應(yīng)力階段

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件為無砟軌道上部的主要受力結(jié)構(gòu)，當(dāng)荷載逐漸上升，并且最后破壞試件時(shí)，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)同時(shí)發(fā)生數(shù)量和質(zhì)方面的變化，通?？梢苑殖上铝须A段：

第一階段為混凝土開裂前大致彈性工作的階段。在這一階段，荷載的彎矩依舊較小，混凝土中的最大拉應(yīng)力不高于混凝土抗拉極限強(qiáng)度，混凝土還沒有發(fā)生開裂狀況，所有截面都處于工作狀態(tài)，混凝土的應(yīng)變和應(yīng)力呈現(xiàn)大致比例。在這一階段，不論是鋼筋，還是混凝土都處于彈性工作的狀態(tài)。

第二階段則是混凝土開裂的臨界狀態(tài)。在這一階段，混凝土受拉區(qū)的塑形已經(jīng)比較明顯，其下緣應(yīng)變和極限應(yīng)變值非常接近，混凝土受拉區(qū)大部分的應(yīng)力和混凝土的抗拉極限強(qiáng)度非常接近，受拉區(qū)應(yīng)力圖已經(jīng)幾乎呈現(xiàn)為矩形，但受壓區(qū)混凝土尚處于彈性工作狀態(tài)。

第三階段也就是最后的破壞階段。此時(shí)持續(xù)增加的荷載，會(huì)使受拉區(qū)鋼筋的應(yīng)力也隨之增加。如果配筋適當(dāng)，一旦鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)致使其應(yīng)變的迅速上升，裂縫迅猛開展并且呈現(xiàn)向上延伸的狀態(tài)，受壓區(qū)減小，混凝土的壓應(yīng)變上升，一旦混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，混凝土就會(huì)被壓碎，即破壞了梁。

（二）無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的選擇

當(dāng)前，在無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較常用的方法有以下三種：

第一種，容許應(yīng)力法。這種計(jì)算方法的依據(jù)是第二應(yīng)力階段，并且使用材料力學(xué)公式，能夠計(jì)算在各使用荷載下構(gòu)件中各點(diǎn)的應(yīng)力值，同時(shí)，任意一點(diǎn)的應(yīng)力都應(yīng)該小于等于材料的容許應(yīng)力。

第二種，破壞階段法。和容許應(yīng)力法不同，這種計(jì)算方法的依據(jù)則為第三應(yīng)力階段，這種方法是參照試驗(yàn)資料，并結(jié)合破壞前的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行一定的簡化，并確定計(jì)算應(yīng)力圖形，進(jìn)而計(jì)算出彎矩。破壞階段法的顯著優(yōu)勢(shì)就是能夠比較直觀、明確地展現(xiàn)破壞階段法中安全系數(shù)的含義，即當(dāng)荷載算出的計(jì)算彎矩達(dá)到k倍時(shí)彎矩就會(huì)遭到破壞。

第三種，極限狀態(tài)法。這種方法的計(jì)算依據(jù)和破壞階段法相同，都是第三應(yīng)力階段。指的是當(dāng)一結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到某種特定狀態(tài)，無法再滿足對(duì)該構(gòu)件的功能要求時(shí)，就稱這種狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)法又可以分成兩種類別，即承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)。前者指的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件已經(jīng)處于最大承載量，或處于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)。后者則指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于正常使用的某種規(guī)定限制狀態(tài)。當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)可靠性時(shí)，極限狀態(tài)法通常會(huì)選取多系數(shù)的方法，找出每一種會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度造成影響的因素，進(jìn)而規(guī)定一種專門的系數(shù)來處理其變異性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最重要以及最復(fù)雜的變量無疑是荷載。在極限狀態(tài)法中，則對(duì)恒載和使用荷載的各種荷載都進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)其荷載標(biāo)準(zhǔn)值和荷載分享安全系數(shù)值進(jìn)行了劃分，將荷載設(shè)計(jì)值定位二者的乘積。當(dāng)結(jié)構(gòu)需要同時(shí)承受多種荷載時(shí)，因?yàn)椴煌奢d都出現(xiàn)最大值的可能性非常低，所以，必須制定一些組合系數(shù)或規(guī)定某種計(jì)算方法。一般來說，在各種方案中都會(huì)設(shè)想最不利的情況來完成設(shè)計(jì)。

在高速鐵路的無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全和經(jīng)濟(jì)是相互矛盾的一對(duì)概念，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大重要問題就是如何正確處理安全和經(jīng)濟(jì)的矛盾。容許應(yīng)力法和破壞階段法可以用安全系數(shù)來提高結(jié)構(gòu)的安全性，從而確保結(jié)構(gòu)的可靠。在制定安全系數(shù)K時(shí)，需要借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。極限狀態(tài)法的應(yīng)用，則需要建立在可靠度和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，盡管安全度和可靠度這兩種概念極其相似，但依舊存在一定區(qū)別?？煽恐傅氖墙Y(jié)構(gòu)本身，安全則是指和結(jié)構(gòu)相關(guān)的生命與財(cái)產(chǎn)。考慮到高速鐵路無砟軌道需要反復(fù)承受荷載，所以考慮其承受荷載的疲勞問題是最為關(guān)鍵的。出于這一考慮，應(yīng)用容許應(yīng)力法來設(shè)計(jì)高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)是最為合適的。

三、總結(jié)

研究高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)，符合我國的鐵路客運(yùn)需求，因此，相關(guān)人員，必須對(duì)其進(jìn)行深入研究，找到最適合的無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，以推動(dòng)我國高速鐵路建設(shè)的發(fā)展。