城市軌道交通高架預(yù)制板整體道床設(shè)計及動力特性研究

葉 軍 張東風(fēng) 李 楠 裴愛華

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

為滿足人們往返于城市中心區(qū)域與周圍衛(wèi)星城鎮(zhèn)或鄰近城市的需求，運行時速為100～160 km的市域軌道交通得到了迅速發(fā)展。這種快速軌道交通具有快速、高密度、公交化的特點[1]，其線路軌道結(jié)構(gòu)若參照城軌鐵路則無法滿足速度需求，若直接照搬高速鐵路又會造成不必要的浪費。因此，應(yīng)針對這種快速軌道交通的運行條件開展軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

我國高速鐵路板式無砟軌道多采用預(yù)制道床板，可有效避免傳統(tǒng)現(xiàn)澆式道床施工進(jìn)度緩慢、施工質(zhì)量不均、易開裂變形等問題，且有利于減振地段與普通地段軌道結(jié)構(gòu)形式的統(tǒng)一。已有許多學(xué)者對預(yù)制道床板進(jìn)行了相關(guān)研究：文獻(xiàn)[2]、[3]分別對地鐵預(yù)制板式軌道的設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]提出了城際鐵路無砟軌道的選型原則，并對適用于160 km/h及以下的城際鐵路橋上雙塊式無砟軌道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；文獻(xiàn)[5]提出了一種新型軌道板系統(tǒng)，并對其動力性能及減振性能進(jìn)行了評定；文獻(xiàn)[6]提出可在振動要求較高的地段鋪設(shè)土工布預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)的建議；文獻(xiàn)[7]針對市域鐵路的特點，提出了分別適用于路基、橋梁和隧道地段的無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；文獻(xiàn)[8]對北京新機(jī)場線高架地段雙塊式無砟軌道道床的結(jié)構(gòu)選型及配筋設(shè)計進(jìn)行了研究。

以下針對時速160 km軌道交通運行條件[9]，提出一種適用于高架線路的新型預(yù)制板整體道床結(jié)構(gòu)，建立了車輛—預(yù)制板式軌道—高架橋空間耦合動力學(xué)模型，對所提出的高架預(yù)制板整體道床的行車安全性與運行平穩(wěn)性進(jìn)行評定，并對其振動特性進(jìn)行分析。

2 高架預(yù)制板整體道床的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)組成

該預(yù)制板整體道床采用裝配式結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，自上而下分別由鋼軌、扣件、預(yù)應(yīng)力預(yù)制軌道板(帶凸臺)、自密實混凝土層組成，總高度為600 mm。

(1)鋼軌及扣件

采用60 kg/m鋼軌和WJ-8B型有擋肩扣件。

(2)軌道板

軌道板為單元式結(jié)構(gòu)，配合WJ-8B型有擋肩扣件，采用C60混凝土工廠預(yù)制(2+2雙層雙向先張預(yù)應(yīng)力體系)，標(biāo)準(zhǔn)軌道板長度有5 300 mm和3 500 mm兩種，寬度為2 500 mm，厚度為200 mm。

軌道板底部的鋼筋混凝土限位凸臺(700 mm×400 mm×140 mm)為一體化預(yù)制，采用一板雙凸臺結(jié)構(gòu)。

(3)自密實混凝土層

在軌道板與高架橋面間灌注自密實混凝土層(鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))，寬2 800 mm，長度與軌道板分塊長度一致。厚度以軌道板與橋面之間填充密實為準(zhǔn)，可同時起到底座與調(diào)整層的作用。在設(shè)計軌道結(jié)構(gòu)高度為600 mm時，該層的基準(zhǔn)厚度為152 mm。

圖1 高架橋上預(yù)制板式無砟軌道橫斷面(單位：mm)

2.2 結(jié)構(gòu)特點

(1)預(yù)制軌道板采用2+2雙層雙向先張預(yù)應(yīng)力體系結(jié)構(gòu)，受力合理、強(qiáng)度高，可有效防止軌道板表面開裂，同時可減少軌道板配筋量。

(2)在每塊軌道板底部一體化預(yù)制2個限位凸臺，形成新型限位結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)側(cè)向限位、端部限位以及Ⅲ型板門型筋結(jié)構(gòu)，可有效限制軌道板由于列車運動和其他因素引起的縱、橫向位移。

(3)通過調(diào)整自密實混凝土層厚度，可在一定限度內(nèi)應(yīng)對高架橋施工誤差乃至橋梁沉降引起的各類特殊工況，適應(yīng)性強(qiáng)。

(4)取消了傳統(tǒng)意義的混凝土底座，降低了軌道結(jié)構(gòu)高度，減小了橋梁二期恒載，具有更好的適應(yīng)性[10]。

(5)自密實底座寬于軌道板，有利于軌道板下自密實混凝土的充分流動，以確保灌注密實性；同時，寬出部分可設(shè)置3%的排水橫坡，確保軌道板下無積水。

3 車輛—預(yù)制板式軌道—高架橋動力模型的建立

參考國鐵無砟軌道設(shè)計方法[11-12]，基于車輛—軌道動力學(xué)耦合理論[13]，建立車輛—預(yù)制板式軌道—高架橋動力空間耦合動力模型。模型包括車輛、預(yù)制板式軌道、高架橋梁、輪軌接觸以及軌道不平順5個部分。

車輛模型：采用整車剛體模型，考慮車體與轉(zhuǎn)向架沉浮、橫擺、點頭、搖頭、側(cè)滾，以及輪對的沉浮、搖頭、橫擺和側(cè)滾(共計31個自由度)。車體、轉(zhuǎn)向架、輪對之間的懸掛采用彈簧-阻尼單元模擬。車輛參數(shù)采用基于CRH6型城際動車組平臺優(yōu)化設(shè)計后的市域列車參數(shù)。

預(yù)制板式軌道模型：鋼軌、預(yù)制軌道板和自密實層均采用實體單元模擬。鋼軌、軌道板、自密實層的材料屬性見表1。扣件型號為WJ-8B，靜剛度為30 kN/mm，動靜比取1.4，采用彈簧-阻尼單元模擬。為避免邊界反射引起的計算誤差，模型長度取為108 m(20塊軌道板長度)。

表1 軌道各部件材料設(shè)計參數(shù)

輪軌間接觸遵循Hertz非線性接觸理論，選取適用于時速144 km及以上客運線路的美國六級譜作為軌道不平順激勵并施加于鋼軌表面。建立車輛—預(yù)制板式軌道—高架橋動力空間耦合動力模型(如圖2所示)。

圖2 車輛-軌道耦合動力分析模型

4 高架預(yù)制板整體道床動力特性評估

取列車運行速度為160 km/h，部分車輛及預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)時程曲線如圖3～圖8所示。

圖3 鋼軌垂向位移時程

圖4 鋼軌垂向加速度時程

圖5 預(yù)制板垂向位移時程

圖6 預(yù)制板垂向加速度時程

圖7 鋼軌動彎應(yīng)力時程

圖8 預(yù)制板縱向應(yīng)力時程

由圖3～圖8可以看出，在動態(tài)過車狀態(tài)下，各動力學(xué)指標(biāo)隨時間呈規(guī)律性變化，其最大值統(tǒng)計如表2。以文獻(xiàn)[14]、[15]、[16]中對車輛和軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的限值要求為標(biāo)準(zhǔn)，對高架預(yù)制板整體道床動力響應(yīng)進(jìn)行評定。

表2 高架預(yù)制板整體道床動力響應(yīng)匯總

由表2可知，當(dāng)列車以最高設(shè)計速度160 km/h通過時，高架橋上預(yù)制板整體道床結(jié)構(gòu)各動力學(xué)指標(biāo)最大值均位于安全限值之內(nèi)，且安全余量較大，軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性、行車的平穩(wěn)性和安全性均處于安全狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

以北京新機(jī)場線為工程背景，提出了一種具有新型限位結(jié)構(gòu)的裝配式雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板整體道床結(jié)構(gòu)。為降低橋梁二期恒載，取消了傳統(tǒng)預(yù)制板結(jié)構(gòu)中的底座設(shè)計，在軌道板與高架橋面間直接以自密實混凝土填充，可同時起到底座與調(diào)整層的作用，軌道結(jié)構(gòu)高度可降低至600 mm。三維空間有限元分析表明，高架預(yù)制板整體道床各項動力特性評價指標(biāo)均滿足規(guī)范限值，并且安全余量較大，該高架預(yù)制板整體道床安全可靠，可適用于時速160 km的軌道交通線路。