丁靜波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司軌道院,北京 100055)

1 城市軌道交通高架道床結(jié)構(gòu)簡述

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市規(guī)劃的擴(kuò)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu),它既美觀也可減少工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修量。

上海地鐵軌道交通3號線(也稱明珠線)設(shè)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(jié)構(gòu),2000年通車試運營至今狀況良好。高架上的這種軌道結(jié)構(gòu)形式,它不僅結(jié)構(gòu)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(jī)場線采用了直線電機(jī)運載系統(tǒng),它通過安裝在道床上的感應(yīng)板與車上電機(jī)感應(yīng)牽引運行,具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)的特點,同時直線電機(jī)對安裝在道床上的感應(yīng)板要求較高,因此4號線及機(jī)場線高架上軌道分別采用預(yù)制板式道床和長枕埋入式整體道床結(jié)構(gòu),見圖1。

房山線高架道床采用縱向承軌臺式結(jié)構(gòu),用C40混凝土現(xiàn)場澆筑,通過橋面預(yù)埋鋼筋與橋梁連成一體。設(shè)計軌道結(jié)構(gòu)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(jìn)行分塊布置,其中標(biāo)準(zhǔn)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(cè)間距為476 mm,中間無橫向聯(lián)結(jié),見圖2。

圖2 房山線高架道床結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：mm)

2 高架道床結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個主要方面：列車豎向承載力、溫度翹曲應(yīng)力以及橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降計算方法進(jìn)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(jìn)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(chǔ)支承剛度采用非線性彈簧進(jìn)行模擬,并取3塊道床塊進(jìn)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(yīng)位置進(jìn)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(jié)構(gòu)模型,設(shè)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(yīng)力因素

根據(jù)國外無砟軌道設(shè)計研究表明,不均勻溫度影響對道床結(jié)構(gòu)局部受力影響至關(guān)重要,在長期溫度作用,也影響道床結(jié)構(gòu)的耐久性及承載力,特別對于北方溫差較大地域,更應(yīng)重點考慮。溫度翹曲應(yīng)力按照Westgaard計算理論進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)物厚度；Tg最大溫度梯度；Bx為綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力作用的溫度應(yīng)力系數(shù)。按照北京地區(qū)經(jīng)驗進(jìn)行取值檢算,對應(yīng)的混凝土的線膨脹系數(shù)αc通?？扇?×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(chǔ)不均勻沉降

由于工期較緊,橋梁架設(shè)后收縮徐變未完成,即開始鋪設(shè)軌道,導(dǎo)致產(chǎn)生各種不均勻沉降,增加了工務(wù)后期養(yǎng)護(hù)維修問題,應(yīng)引起建設(shè)部門的重視,設(shè)計中更應(yīng)考慮不均勻沉降的影響。高架道床結(jié)構(gòu)設(shè)計的不均勻沉降值,按《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)相鄰墩臺基礎(chǔ)的沉降之差不應(yīng)超過20 mm。

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

3 高架道床結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)承載力配筋及計算方法

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

另外,在正常使用極限狀態(tài)下,考慮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的裂縫應(yīng)嚴(yán)格控制。參考鐵路的相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),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(yīng)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(jié)構(gòu)承載力計算分析

結(jié)合房山線具體工程實踐進(jìn)行理論計算分析,考慮道床結(jié)構(gòu)主要豎向承載力、溫度翹曲應(yīng)力以及橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降因素,確定道床結(jié)構(gòu)最不利承載力,并進(jìn)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(shè)計考慮,按有限元模型進(jìn)行計算分析,最大拉應(yīng)力為1.23 MPa,道床結(jié)構(gòu)與橋梁間變形位移值為0.018 mm,均小于道床結(jié)構(gòu)設(shè)計允許應(yīng)力值,滿足承載力要求,見圖4。在高架道床結(jié)構(gòu)設(shè)計中,通過在橋面預(yù)留鋼筋,加強(qiáng)了橋梁與軌道結(jié)構(gòu)間的有效連接,避免了縱向承軌臺道床結(jié)構(gòu)與梁面剝離問題,從而提高軌道結(jié)構(gòu)整體的承載能力。

圖4 高架縱向承軌臺動載變形位移及應(yīng)力云圖

(2)高架道床結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計中建議縱向主筋采用φ16 mm的鋼筋,并從道床結(jié)構(gòu)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(dāng)增加配筋率,能提高結(jié)構(gòu)的承載力,控制裂縫程度,這種方法比提高混凝土的強(qiáng)度等級更為有效,更加經(jīng)濟(jì)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(yīng)力為1.19 MPa,道床結(jié)構(gòu)與橋梁變形位移值為0.016 mm。房山線為滿足信號波導(dǎo)管和接觸軌安裝要求,單塊縱向承軌臺寬度應(yīng)不小于920 mm。承軌臺寬度增加,通過計算分析,相應(yīng)引起道床應(yīng)力及變形位移的增大,因此高架道床設(shè)計中應(yīng)結(jié)合具體功能合理確定道床寬度。

4 結(jié)論

高架橋作為解決城市交通主要一種敷設(shè)方式,其橋上軌道也主要采用縱向承軌臺整體道床結(jié)構(gòu)。各個地區(qū)城市高架上軌道道床設(shè)計的形式尺寸受軌道高度、扣件選型及相關(guān)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(jié)合房山線的工程實例,深入研究高架道床結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法,拋磚引玉,供設(shè)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(kuò)大,并且與梁體內(nèi)形成二次輻射噪聲,導(dǎo)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(yuǎn)發(fā)展考慮,橋上應(yīng)采取彈性軌道結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)整體耐久性較為有利。

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