陳宏富，王堯周

(1．中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017 )

1 道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程淺析

以容許應(yīng)力法為基礎(chǔ)進(jìn)行無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在彎矩作用下，其正截面應(yīng)力計(jì)算采用如下基本假定：(1)截面應(yīng)變保持平面；(2)受壓區(qū)混凝土的法向應(yīng)力圖形取為三角形；(3)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件，受拉區(qū)混凝土不參與工作，拉力全部由縱向鋼筋承受；對(duì)要求不出現(xiàn)裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，受拉區(qū)混凝土的法向應(yīng)力圖形也取為三角形。

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要過(guò)程是：

(1)根據(jù)無(wú)砟軌道的荷載情況、使用條件、環(huán)境狀況構(gòu)造需要及擬采用的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，確定各結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)尺寸(寬度B與厚度h)和材料性質(zhì)(彈性模量E)；

(2)根據(jù)已知的E、B和h值分別對(duì)列車(chē)荷載、溫度變化、收縮徐變、基礎(chǔ)變形等因素對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行初步計(jì)算并進(jìn)行最不利荷載組合，從而得到各結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)內(nèi)力；

(3)根據(jù)內(nèi)力或應(yīng)力水平進(jìn)行配筋計(jì)算，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的配筋采用容許應(yīng)力法及平衡設(shè)計(jì)原則，分別對(duì)鋼筋混凝土道床板的縱向及橫向的上、下側(cè)進(jìn)行截面配筋計(jì)算；

(4)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面應(yīng)力及裂縫寬度檢算，直到滿(mǎn)足規(guī)范要求為止。

主要設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

2 道床結(jié)構(gòu)各參數(shù)研究分析

無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮多種因素對(duì)其受力的影響，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、路基不均勻沉降、橋梁變形、溫度荷載、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、疲勞特性等等。

本次建立的無(wú)砟軌道靜力有限元分析模型，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)、路基不均勻沉降及橋梁變形對(duì)無(wú)砟軌道受力的影響，并依次對(duì)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)提出建議。

以下針對(duì)板式道床形式進(jìn)行分析計(jì)算。

梁一板一板有限元模型：計(jì)算模型采用Midas/civil建模。

模型中鋼軌采用彈性點(diǎn)支承梁模型，扣件采用線(xiàn)性彈簧模擬，軌道板與支承層采用板殼單元進(jìn)行模擬，為模擬下部基礎(chǔ)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的支承作用，支承層采用彈性地基板進(jìn)行模擬，為消除邊界效應(yīng)，模型選取三塊軌道板進(jìn)行計(jì)算，以中間單元板作為研究對(duì)象，基本計(jì)算條件為：扣件剛度30 kN/mm，軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，長(zhǎng)6.25 m，寬2.4 m，厚0.25 m，支承層混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，厚0.15 m，寬2.8 m，地基系數(shù)180 MPa/m。

3 道床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)結(jié)構(gòu)層厚度組合

以單元板式軌道為例，進(jìn)行單元式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，軌道結(jié)構(gòu)層厚度往往受到限制，本文以結(jié)構(gòu)層總厚度為0.4m進(jìn)行測(cè)算，以確定合理的結(jié)構(gòu)厚度。根據(jù)以上計(jì)算分析，總共分析以下5種組合情況。

表2 各結(jié)構(gòu)層厚度組合表

軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，長(zhǎng)6.25 m，寬2.4 m，支承層混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，寬2.8 m，地基系數(shù)180 MPa/m；扣件靜剛度取30 kN/mm，構(gòu)件間接為0.625 m。

輪載取250 kN；軌道板沿板厚溫度升溫梯度按+12.5 ℃、降溫梯度取-6.25 ℃；路基不均勻沉降按3 mm/10 m。

(2)各結(jié)構(gòu)內(nèi)力

荷載組合按主力及主力+附加力組合；主力組合：自重+輪載+溫度梯度；主力+附加力組合：自重+輪載+溫度梯度+不均勻沉降。建立模型，進(jìn)行荷載組合，提取各種組合最大內(nèi)力值，見(jiàn)表3。

表3 單元板式軌道組合內(nèi)力表(kN·m/m)

(3)結(jié)構(gòu)配筋驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按容許應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，裂縫寬度計(jì)算公式參照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 單元板式軌道板驗(yàn)算結(jié)果表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，組合1(軌道板厚0.1 m)鋼筋用量最少；組合5(軌道板厚0.3 m)鋼筋用量最多；組合4(軌道板厚0.25 m)配筋率最低。

表5 單元板式支承層驗(yàn)算結(jié)果表

續(xù)表5

對(duì)于軌道板支承層，在板頂?shù)着渲娩摻罹W(wǎng)，根據(jù)計(jì)算，組合1、2不滿(mǎn)足要求，其他基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從施工工藝上與構(gòu)造上對(duì)軌道板的要求上說(shuō)，軌道板厚度不宜少于0.2 m。故組合1、2不論從軌道板上講還是支承層上講，兩者都不太適合。

組合5鋼筋用量最多，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，是不經(jīng)濟(jì)的。組合3與組合4配筋量基本相當(dāng)，從施工工藝方面來(lái)說(shuō)，軌道板越厚，可操作空間大，施工較方便。

根據(jù)以上對(duì)比分析，建議各結(jié)構(gòu)層厚度的取值按組合4進(jìn)行。

本項(xiàng)目的研究成果應(yīng)用于南京河西新城區(qū)現(xiàn)代有軌電車(chē)的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，軌道板厚度取0.25 m,支撐層厚度取0.15 m,可滿(mǎn)足軌道結(jié)構(gòu)的承載要求。

4 結(jié)論及建議

(1)分析了各種荷載對(duì)結(jié)構(gòu)層的影響，其中溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小，可以忽略不計(jì)；溫度梯度、不均勻沉降、輪載作用影響大，是設(shè)計(jì)時(shí)的主要荷載。

(2)分析了結(jié)構(gòu)層截面尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，支承層厚度增加，會(huì)加大列車(chē)集中力對(duì)支承層的效應(yīng)，減小對(duì)軌道板的效應(yīng)，這樣對(duì)支承層不利，建議軌道板厚度不小于支承層厚度。

(3)分析了結(jié)構(gòu)層寬度及基床剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，結(jié)構(gòu)層寬度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小，可忽略；地基剛度變化對(duì)列車(chē)集中力、溫度梯度、整體溫度影響很??；對(duì)由輪載引起附加基礎(chǔ)不均勻沉降有較大影響，隨地基系數(shù)增加，不均勻沉降對(duì)板內(nèi)力影響增大。

(4)軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，長(zhǎng)6.25 m，寬2.4 m，支承層混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，寬2.8 m，地基系數(shù)120 MPa/m，扣件靜剛度取30 kN/mm，構(gòu)件間接為0.625 m；在上述條件下經(jīng)過(guò)測(cè)算各結(jié)構(gòu)層厚度，并考慮施工工藝等條件下，建議軌道板厚度取0.25 m，支承層厚度取0.15 m。

[1] 王其昌，韓啟孟．板式軌道設(shè)計(jì)與施工[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

[2] 張慶，張立國(guó)，冉蕾，等．秦沈客專(zhuān)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2002，(6)：9-12.