新型市域快線裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳 帥

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010)

目前，中心城市正逐漸向外拓展，外圍組團(tuán)、新城或新交通樞紐的建立，導(dǎo)致城市軌道交通線路由市區(qū)逐漸向外圍拓展和延伸，兼具高速度等級(jí)和高密度服務(wù)的市域快線應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。廣州市軌道交通18號(hào)線是一條設(shè)計(jì)速度160 km/h的市域快線，具有速度快、軸重大、公交化運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn)，以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)難以照搬，需結(jié)合其工程特點(diǎn)開展軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

相較于現(xiàn)澆道床，裝配式無(wú)砟軌道具有施工精度高、綠色環(huán)保、可維修性好、普通地段與減振地段斷面統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。已有許多學(xué)者開展裝配式無(wú)砟軌道應(yīng)用，曹德志以上海12號(hào)線為工程背景，提出地鐵預(yù)制道床板合理的設(shè)計(jì)尺寸，并針對(duì)預(yù)制道床板施工工藝進(jìn)行相關(guān)研究[4]；劉偉斌等結(jié)合我國(guó)高速鐵路板式軌道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一種適用于地鐵運(yùn)營(yíng)條件的新型板式軌道結(jié)構(gòu)方案[5]；葉軍等提出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)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析[6]；劉雪峰等優(yōu)化預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)試制試驗(yàn)[7]；鄭強(qiáng)在CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的基礎(chǔ)上研發(fā)適用于城市軌道交通的預(yù)制板式軌道，并在制造工藝及施工工藝等方面進(jìn)行研究[8]。

以下針對(duì)廣州市軌道交通18號(hào)線工程特點(diǎn)，提出一種新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，綜合考慮裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的功能、制造、運(yùn)輸、施工和服役狀態(tài)，采用極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

新型裝配式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、預(yù)制道床板、土工布/減振墊隔離層、限位凸臺(tái)、自密實(shí)混凝土、混凝土底座等部分組成，見圖1。

圖1 新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成

1.2 設(shè)計(jì)理念

在確保結(jié)構(gòu)安全可靠前提下，結(jié)合裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的功能、施工、服役狀態(tài)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)理念如下[9-10]。

(1)結(jié)構(gòu)分層，便于養(yǎng)護(hù)維修

新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)分為預(yù)制道床板、自密實(shí)混凝土、混凝土底座3層，預(yù)制道床板采用C60混凝土，自密實(shí)混凝土采用C40，鋼筋混凝土采用C35，剛度逐層遞變。根據(jù)減振需求，在預(yù)制道床板和自密實(shí)混凝土層間設(shè)置土工布或減振墊作為隔離層，便于特殊情況下的養(yǎng)護(hù)維修。

(2)一次澆筑，優(yōu)化施工步驟

每塊預(yù)制道床板預(yù)留2個(gè)限位孔，將自密實(shí)混凝土從中間灌注孔灌入后，在限位孔里自然形成限位凸臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的限位。相較于CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，解決了下凹限位結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量難以保證的難點(diǎn)，使限位凸臺(tái)和調(diào)整層可一次澆筑完成。

(3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受力明確

新型裝配式無(wú)砟軌道作為分層結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層協(xié)同受力，共同承受并傳遞所有荷載，抵抗下部基礎(chǔ)的不良變形，以保證軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.3 主要部件分析

(1)預(yù)制道床板

預(yù)制道床板作為軌道結(jié)構(gòu)主要承載層，承受并傳遞上部荷載，同時(shí)為扣件系統(tǒng)提供穩(wěn)定的支承平臺(tái)，故預(yù)制道床板應(yīng)具有較高的承載力和耐久性。

(2)土工布/減振墊

土工布/減振墊為軌道結(jié)構(gòu)提供一定的彈性支承，達(dá)到減振降噪的目的；同時(shí)，協(xié)調(diào)道床板和自密實(shí)混凝土間的變形差異，以達(dá)到道床板和自密實(shí)混凝土之間的緩沖受力和均勻受力。

(3)自密實(shí)混凝土調(diào)整層

新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)采用自上而下的施工順序，自密實(shí)混凝土作為預(yù)制道床板與底座板之間的調(diào)整層，不僅起著保證軌道結(jié)構(gòu)空間位置的作用，還要承受軌道結(jié)構(gòu)部分縱向和橫向彎矩。

(4)鋼筋混凝土底座

底座是新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其主要功能是承受上部荷載，抵抗下部基礎(chǔ)變形，保證軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(5)限位凸臺(tái)

限位凸臺(tái)是水平力的主要傳力部件，其主要功能是約束預(yù)制道床板的縱橫向位移，傳遞軌道結(jié)構(gòu)的縱橫向力。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

預(yù)制道床板與自密實(shí)混凝土層通過(guò)土工布/減振墊隔離；自密實(shí)混凝土與鋼筋混凝土底座通過(guò)門形鋼筋粘結(jié)，可將其視為結(jié)合板結(jié)構(gòu)[11]。根據(jù)高架減振墊軌道結(jié)構(gòu)，采用彈性地基梁板理論建立計(jì)算模型(見圖2)。鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，扣件、減振墊、下部彈性基礎(chǔ)采用彈簧單元模擬，預(yù)制道床板、自密實(shí)混凝土與底座結(jié)合板采用板殼單元模擬。

圖2 計(jì)算模型

2.2 基本參數(shù)

采用CHN60型鋼軌、SFC扣件，預(yù)制道床板尺寸為3.5 m×2.4 m×0.29 m，自密實(shí)混凝土厚0.09 m，鋼筋混凝土底座厚度根據(jù)限界要求取值(取0.2 m)。新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)

2.3 荷載參數(shù)

(1)列車荷載

根據(jù)Q/CR 9130—2018《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范(極限狀態(tài)法)》相關(guān)規(guī)定[12]，列車豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2倍靜輪重，列車橫向荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為0.8倍靜輪重。廣州18號(hào)線采用市域D型車，軸重17 t，采取單軸雙輪的加載方式，加載位置為板中。

(2)溫度梯度

板厚220 mm時(shí)，最大正溫度梯度取90 ℃/m；最大負(fù)溫度梯度取-45 ℃/m[13-15]，預(yù)制道床板厚290 mm，根據(jù)線性內(nèi)插法，修正系數(shù)取0.815。

(3)基礎(chǔ)變形

路基不均勻沉降按15 mm/20 m半波余弦曲線取值；橋梁翹曲變形按半波余弦曲線取值，梁端轉(zhuǎn)角取σmax=L/1 600。

3 預(yù)制道床板配筋設(shè)計(jì)

3.1 列車荷載效應(yīng)

(1)列車豎向荷載

采用彈性地基梁板模型，計(jì)算列車豎向荷載作用下預(yù)制道床板的縱向彎矩和橫向彎矩，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 列車豎向荷載效應(yīng) kN·m/m

(2)列車橫向荷載

列車橫向荷載效應(yīng)可按式(1)計(jì)算，有

Mh=0.3Q·h

(1)

式中，Mh為列車橫向荷載產(chǎn)生的彎矩；h為道床頂面至軌面距離；Q為列車橫向荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)計(jì)算，列車橫向荷載產(chǎn)生的單位寬度彎矩為1.69 kN·m/m。

3.2 溫度梯度作用效應(yīng)

溫度梯度作用效應(yīng)可按式(2)計(jì)算，有

(2)

式中，Mt為預(yù)制道床板溫度梯度作用彎矩；W為彎曲截面系數(shù)；αt為混凝土線膨脹系數(shù)，取1×10-5/℃；γ為混凝土泊松比0.2；ΔT為溫度梯度取值；Ec為預(yù)制道床板混凝土的彈性模量。

經(jīng)計(jì)算，溫度梯度作用效應(yīng)見表3。

表3 溫度梯度作用效應(yīng) kN·m/m

3.3 基礎(chǔ)變形作用效應(yīng)

基礎(chǔ)變形作用效應(yīng)可按式(3)計(jì)算，有

Mnq=EIκ

(3)

式中，Mnq為預(yù)制道床板基礎(chǔ)變形作用彎矩；EI為預(yù)制道床板抗彎剛度；κ為下部基礎(chǔ)變形曲線曲率。

橋梁撓曲最大變形曲線曲率為1.926×10-4，則橋梁撓曲變形引起的預(yù)制道床板縱向正彎矩為14.63 kN·m/m。

3.4 荷載組合

預(yù)制道床板的承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)取基本組合和偶然組合中最不利者，對(duì)構(gòu)件正截面承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，普通鋼筋混凝土預(yù)制道床板的正常使用極限狀態(tài)應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行截面裂縫寬度的驗(yàn)算[16]，荷載組合方式見表4。

表4 荷載組合方式

將列車荷載彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mdk、溫度梯度作用彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mtdk、橋梁撓曲變形作用彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mnqk按表4進(jìn)行組合，得到預(yù)制道床板設(shè)計(jì)荷載組合(見表5)。

表5 設(shè)計(jì)荷載組合 kN·m/m

3.5 設(shè)計(jì)荷載配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)單筋矩形截面配筋設(shè)計(jì)原理[17]，按基本組合和偶然組合的最不利彎矩進(jìn)行配筋，采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360 MPa，C60混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為27.5 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.04 MPa?？v橫向鋼筋均采用上下對(duì)稱布置，預(yù)制道床板單層配筋結(jié)果見表6。

由表6可知，當(dāng)預(yù)制道床板縱向單層布置27根φ14 mm的HRB400鋼筋，橫向單層布置29根φ14 mm的HRB400鋼筋時(shí)，縱橫向裂縫寬度均小于0.2 mm，配筋率均大于最小配筋率(0.2%或0.45ft/fy的較大值)，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.6 臨時(shí)荷載配筋檢算

預(yù)制道床板作為工廠預(yù)制件，除進(jìn)行服役狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還需對(duì)制造、運(yùn)輸、施工時(shí)的臨時(shí)荷載進(jìn)行檢算[18]。臨時(shí)荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 臨時(shí)荷載效應(yīng) kN·m

由表7可知，預(yù)制道床板在制造、運(yùn)輸、施工過(guò)程中的荷載效應(yīng)均小于設(shè)計(jì)荷載，按設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行配筋可滿足預(yù)制道床板在制造、運(yùn)輸、施工過(guò)程中的承載能力要求。

4 結(jié)論

在總結(jié)我國(guó)高速鐵路裝配式軌道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合市域快線速度快、軸重大、公交化等特點(diǎn)，提出一種適用于市域快線的新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)方案?；跇O限狀態(tài)法對(duì)高架線減振墊軌道結(jié)構(gòu)的預(yù)制道床板進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，針對(duì)配筋結(jié)果進(jìn)行臨時(shí)荷載檢算，得到如下結(jié)論。

(1)新型裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，由鋼軌、扣件、預(yù)制道床板、土工布/減振墊、限位凸臺(tái)、自密實(shí)混凝土、鋼筋混凝土底座各結(jié)構(gòu)層組成，各結(jié)構(gòu)層協(xié)同受力，共同抵抗變形。

(2)當(dāng)預(yù)制道床板縱向單層布置27根φ14 mm的HRB400鋼筋，橫向單層布置29根φ14 mm的HRB400鋼筋時(shí)，縱橫向裂縫寬度均小于0.2 mm，配筋率均大于最小配筋率(0.2%或0.45ft/fy的較大值)，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(3)預(yù)制道床板制造、運(yùn)輸、施工荷載效應(yīng)均應(yīng)小于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，按設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)進(jìn)行配筋計(jì)算并滿足預(yù)制道床板在制造、運(yùn)輸、施工等臨時(shí)荷載作用下的強(qiáng)度要求。