孫立

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430063）

1 概述

軌道技術(shù)是高速鐵路的核心技術(shù)之一, 軌道跨越路、橋、隧不同線下基礎(chǔ), 直接承受列車活載、溫度荷載、線下基礎(chǔ)變形, 是保障列車安全、平穩(wěn)和舒適運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。自2005年起, 通過(guò)無(wú)砟軌道技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新研究, 并結(jié)合工程實(shí)踐應(yīng)用, 目前我國(guó)形成的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式主要有雙塊式無(wú)砟軌道和CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道[1］。經(jīng)過(guò)10余年的高鐵運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)積累, 目前我國(guó)新建高鐵主要應(yīng)用雙塊式無(wú)砟軌道及CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道[2］。

不同于路基、橋梁地段, 橋上無(wú)砟軌道受橋梁溫度荷載、橋梁撓曲變形、收縮徐變等復(fù)雜荷載影響, 其受力體系更加復(fù)雜[3］, 因此, 橋上無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)是軌道設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)及重點(diǎn)。橋上無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)時(shí), 橋梁與軌道專業(yè)間接口較多, 例如橋梁專業(yè)需根據(jù)軌道專業(yè)要求預(yù)埋無(wú)砟軌道底座連接鋼筋[4］, 橋梁墩臺(tái)設(shè)計(jì)需考慮無(wú)砟軌道-無(wú)縫線路附加力[5-6］, 軌道專業(yè)布置無(wú)砟軌道需結(jié)合橋梁專業(yè)設(shè)計(jì)梁縫值等。

目前無(wú)砟軌道均采用底座現(xiàn)澆在橋梁梁面的方式, 但在實(shí)際工程中難免出現(xiàn)設(shè)計(jì)返工, 甚至施工后需花費(fèi)大量人力、物力重新調(diào)整的問(wèn)題。例如：

（1）某項(xiàng)目由于施工誤差, 導(dǎo)致橋梁梁面高于設(shè)計(jì)值, 造成CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)高度不足, 底座厚度低于設(shè)計(jì)值。為了調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)高度到設(shè)計(jì)值, 建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位及施工單位需耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行專項(xiàng)論證, 但可采取的措施往往有限。例如將橋面保護(hù)層鑿除2~3 cm后澆筑底座板, 但梁面可鑿除厚度有限, 當(dāng)超過(guò)一定限值時(shí), 往往需要線路專業(yè)進(jìn)行局部調(diào)線調(diào)坡, 這種做法耗時(shí)耗力, 嚴(yán)重影響施工工期。

（2）某項(xiàng)目由于施工誤差, 梁面預(yù)埋鋼筋位置有誤, 導(dǎo)致L形鋼筋與道床板內(nèi)鋼筋沖突, 植筋不滿足要求, 施工單位需進(jìn)行大面積植筋調(diào)整。

（3）目前雙塊式無(wú)砟軌道及CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道底座均采用現(xiàn)澆方式, 通過(guò)植筋與梁面連接。對(duì)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu), 底座板底部與橋面間隙施工難以控制, 在降雨量大、梁面排水坡坡度不足的情況下, 雨水不能及時(shí)排出易導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)受水害侵蝕。

由以上可知, 橋梁與軌道專業(yè)間的接口處理不當(dāng)、施工精度不足等問(wèn)題, 是造成設(shè)計(jì)項(xiàng)目出現(xiàn)瑕疵的重要因素。針對(duì)橋梁軌道接口處理, 我國(guó)開展過(guò)相關(guān)研究, 例如20世紀(jì)50年代, 我國(guó)很多鐵路局修建了無(wú)砟無(wú)枕梁, 其特點(diǎn)是借助扣件將鋼軌直接固定于橋梁上[7］, 其可視為橋軌一體化的早期型式；張政等[8］研發(fā)了明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu), 其特點(diǎn)是在軌枕板與鋼梁之間設(shè)置調(diào)整墊層, 并采用垂向高強(qiáng)螺栓將軌枕板與橋梁連接為一體。

基于上述設(shè)計(jì), 提出橋軌一體化無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)思路, 在橋梁預(yù)制階段, 將無(wú)砟軌道凸臺(tái)或底座直接與橋梁預(yù)制為一體, 減少橋梁軌道專業(yè)間接口, 將軌道橋梁一體化施工, 保證在橋梁施工時(shí)軌道精度, 減少后期梁面成型后軌道高度不足等問(wèn)題。

2 橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

提出2種橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案, 即取消底座, 凸臺(tái)與橋梁一體化方案, 以及保留底座, 底座與橋梁一體化方案。方案1：橋軌一體化無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床板、隔離墊層及橋梁（帶凸臺(tái)）等組成；方案2：橋軌一體化無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床板、隔離墊層及橋梁（帶底座）等組成。橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 具體方案

（1）在具備更高精度和智能化水平的系列橋梁預(yù)制裝備前提下, 標(biāo)準(zhǔn)跨度橋上無(wú)砟軌道的限位凸臺(tái)（方案1）、混凝土底座（方案2）鋼筋在工廠預(yù)制時(shí)與橋梁綁扎為一體, 灌注混凝土后直接與橋梁一體化預(yù)制, 對(duì)于曲線地段, 可根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)打磨到設(shè)計(jì)要求。

（2）為方便施工時(shí)鋼筋綁扎, 凸臺(tái)采取向上突出方式, 為優(yōu)化凸臺(tái)受力, 凸臺(tái)四周均鋪設(shè)彈性緩沖墊層并進(jìn)行倒圓角處理。

（3）橋上混凝土道床采用分塊式結(jié)構(gòu), 分塊道床板的長(zhǎng)度宜為5.0～7.5 m, 相鄰道床板間距100 mm左右, 道床板寬度為2 800 mm。道床板厚度、底座厚度需經(jīng)專項(xiàng)研究確定。

（4）對(duì)于方案1、方案2, 為保證無(wú)砟軌道不受水害侵蝕, 線間采用有機(jī)硅酮嵌縫, 做好防水處理, 為方便后期維修, 道床板與凸臺(tái)、道床板與底座之間設(shè)置土工布隔離層。

（5）直線地段上, 橋梁凸臺(tái)或底座按照線路中心線兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì), 凸臺(tái)間距及數(shù)量根據(jù)軌道專業(yè)設(shè)計(jì)的布板數(shù)據(jù)確定。曲線地段上, 方案1凸臺(tái)與橋梁梁面現(xiàn)澆時(shí)需根據(jù)曲線半徑確定凸臺(tái)偏移量, 方案2底座與橋梁梁面現(xiàn)澆時(shí)需根據(jù)曲線半徑確定偏移量及道床超高值。

（6）方案1凸臺(tái)及方案2底座在工廠預(yù)制, 其相對(duì)于橋面的位置可以得到保證。軌道的精度主要取決于橋梁架設(shè)精度, 因此建議針對(duì)不同等級(jí)鐵路, 橋梁架設(shè)精度高于對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn), 軌道鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)可采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

（1）橋梁與軌道結(jié)構(gòu)鋼筋一體化綁扎澆筑, 可在橋梁建設(shè)階段控制軌道建造精度, 減少軌道與橋梁間的設(shè)計(jì)接口。

（2）方案1凸臺(tái)或方案2底座與橋梁一體化, 其結(jié)構(gòu)間強(qiáng)度更高, 軌道結(jié)構(gòu)限位能力得到加強(qiáng)。

（3）方案2底座直接與橋梁現(xiàn)澆為一體, 不存在新老混凝土結(jié)合面, 底座耐久性可有較大提高。此外, 方案2底座與橋梁一體化, 不存在底座下滲水問(wèn)題。

（4）橋軌一體化建設(shè)可減少設(shè)計(jì)接口導(dǎo)致的施工問(wèn)題, 加快高速鐵路施工進(jìn)度, 對(duì)于無(wú)底座方案, 軌道結(jié)構(gòu)高度可適當(dāng)降低, 減小橋梁二期恒載, 降低橋梁及軌道工程造價(jià)。

3 橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算

3.1 計(jì)算模型

基于上述設(shè)計(jì)方案, 在Ansys環(huán)境下建立橋軌一體化無(wú)砟軌道精細(xì)化三維實(shí)體模型（見圖2、圖3）。

圖2 方案1無(wú)砟軌道有限元模型

圖3 方案2無(wú)砟軌道有限元模型

方案1模型中, 道床板、凸臺(tái)、橋面以Solid45實(shí)體單元模擬, 鋼軌選用Beam188梁?jiǎn)卧M；扣件用Combin14彈簧單元模擬, 底座板與道床板采用接觸單元Conta173模擬, 法向以接觸剛度模擬, 切向考慮摩擦系數(shù)0.7。方案2模型仍采用相同實(shí)體單元模擬, 其中底座板與橋面板間采用綁定約束, 方案1、2模型中凸臺(tái)均考慮100 mm倒圓角, 凸臺(tái)高度取100 mm, 橋面板底部采用固定約束。模型計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算參數(shù)及工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研, 列車荷載、溫度變化是導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工及后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中道床板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、離縫等病害的重要原因。根據(jù)TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9］, 溫度荷載取整體溫降25℃, 溫度梯度取負(fù)溫度梯度45℃/m, 列車荷載取3倍靜輪載255 kN加載。

為了對(duì)比方案1道床板厚度、方案2底座厚度對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響, 方案1道床板厚度分別考慮200、300、400 mm三種工況, 方案2底座厚度分別考慮210、180、150 mm三種工況。工況情況見表2。

表2 工況情況 mm

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 列車荷載

列車活載加載在道床板中部, 左右2股鋼軌分別承受255 kN的垂向力（見圖4）。典型工況2下, 無(wú)砟軌道道床板、凸臺(tái)位移與受力云圖見圖5。

圖4 列車垂向荷載板中加載示意圖

圖5 列車荷載下道床板、凸臺(tái)位移與受力云圖

方案1、方案2下, 道床板、橋面位移及拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 列車荷載下最大位移與拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表3可知, 列車荷載下, 各工況計(jì)算的最大拉應(yīng)力為1.642 MPa, 遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度2.390 MPa, 證明橋軌一體化設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可滿足列車運(yùn)行需求。

對(duì)比表3中工況1—工況3、工況4—工況6可知, 不同工況下方案2中結(jié)構(gòu)受力及變形基本不變；方案1中, 隨著道床板厚度減小, 道床板拉應(yīng)力和位移逐漸增大, 因此對(duì)于方案1, 道床板厚度不宜太小。

3.3.2 溫度荷載

橋上道床、底座板為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu), 受溫度荷載影響較為明顯。典型工況2下, 計(jì)算橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受整體溫降、溫度梯度荷載作用下的受力變形, 道床板、凸臺(tái)應(yīng)力云圖見圖6。

由圖6可知, 降溫工況下, 道床板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在板四角處；溫度梯度下, 道床板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在板凹槽四角處。計(jì)算的道床板最大拉應(yīng)力為2.28 MPa, 橋面凸臺(tái)最大拉應(yīng)力為1.82 MPa, 均低于混凝土抗拉強(qiáng)度2.39 MPa。

圖6 溫度荷載下道床板、凸臺(tái)應(yīng)力云圖

2種方案在整體溫降25℃、負(fù)溫度梯度45℃/m下, 道床板及橋面凸臺(tái)最大拉應(yīng)力見表4。

表4 溫度荷載下最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出, 橋面凸臺(tái)在整體溫降、負(fù)溫度梯度荷載作用下, 方案1、方案2中最大拉應(yīng)力為1.94 MPa, 低于混凝土最大拉應(yīng)力。

隨著道床板和底座板厚度增加, 道床板受力變形也隨之增大, 方案1中道床板厚度為400 mm, 方案2中底座厚度為210 mm時(shí), 道床板最大拉應(yīng)力均超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度2.39 MPa。因此, 建議方案1考慮道床板厚度在300 mm以下, 方案2考慮底座板厚度在180 mm以下, 并且在道床板四角凹槽和橋面凸臺(tái)處進(jìn)行配筋加強(qiáng)設(shè)計(jì), 現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工時(shí)應(yīng)關(guān)注振搗密實(shí)度等關(guān)鍵工藝[10-11］, 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù), 提高混凝土結(jié)構(gòu)抗裂能力和整體質(zhì)量。

4 存在問(wèn)題

提出的橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念可以為高速鐵路未來(lái)的發(fā)展提供新思路, 減少由于橋梁軌道專業(yè)間過(guò)多的設(shè)計(jì)接口帶來(lái)的后期問(wèn)題, 在橋梁現(xiàn)澆階段通過(guò)綁扎鋼筋, 將無(wú)砟軌道與橋梁一起現(xiàn)澆, 可增加無(wú)砟軌道與橋梁連接性能, 消除無(wú)砟軌道在水環(huán)境下的劣化損傷, 可在橋梁建造階段對(duì)無(wú)砟軌道線型進(jìn)行直觀測(cè)量, 防止出現(xiàn)后期軌道結(jié)構(gòu)高度預(yù)留不足等問(wèn)題。這種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念雖有眾多優(yōu)勢(shì), 但也仍存在一些問(wèn)題值得探討。

（1）在直線地段, 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)跨長(zhǎng)梁型, 橋梁預(yù)制時(shí)可結(jié)合軌道布板數(shù)據(jù)布置統(tǒng)一數(shù)量的凸臺(tái)或底座, 但對(duì)于曲線地段, 即使是標(biāo)準(zhǔn)跨長(zhǎng)梁型, 受橋梁所在里程曲線半徑不同, 每一種橋梁又需單獨(dú)設(shè)計(jì), 而對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)梁, 其設(shè)計(jì)工作量將加大。因此, 橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需結(jié)合最新設(shè)計(jì)手段, 例如采用智能化手段, 根據(jù)梁長(zhǎng)及曲線半徑, 自動(dòng)生成每一里程處橋梁的凸臺(tái)或底座布置數(shù)量、布置位置、偏移量、超高值等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù), 并生成三維模型。在智能化手段不斷進(jìn)步的前提下, 橋軌一體化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念才可進(jìn)一步突破。

（2）方案1取消底座后, 可以降低軌道結(jié)構(gòu)高度, 降低橋梁二期恒載, 在經(jīng)濟(jì)性上具有一定優(yōu)勢(shì)。但取消底座后, 軌道結(jié)構(gòu)毫米級(jí)精度的保證是一大難點(diǎn), 該方案軌道結(jié)構(gòu)僅可依靠道床板厚度及扣件調(diào)整量實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整。因此, 發(fā)明更加精細(xì)的施工工法, 研制更先進(jìn)的施工設(shè)備, 是保障該方案順利實(shí)施的一大重要先決條件。

（3）當(dāng)橋梁梁縫較大時(shí), 為減小梁端扣件間距, 保證梁端扣件受力及剛度均勻, 底座往往需要延伸出梁端, 端部底座鋼筋如何與橋梁綁扎, 如何保證澆筑時(shí)的立模, 同樣值得思考。

5 結(jié)論

為加強(qiáng)橋梁軌道專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì), 提出2種高速鐵路橋軌一體化無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)方案并建立了橋軌一體化無(wú)砟軌道精細(xì)化三維實(shí)體模型, 得到以下結(jié)論：

（1）2種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在受力變形角度均可滿足高速鐵路行車要求。方案1中, 道床板厚度宜在300 mm左右；方案2中, 底座厚度宜在180 mm左右。更加精細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸后續(xù)可結(jié)合動(dòng)力學(xué)計(jì)算及試驗(yàn)研究確定。

（2）橋軌一體化無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)方案可以在橋梁施工時(shí)對(duì)無(wú)砟軌道精度進(jìn)行把控, 減少設(shè)計(jì)的接口問(wèn)題, 更好地保障無(wú)砟軌道建造精度。

（3）建議橋軌一體化無(wú)砟軌道適用地段：軌道高度較低, 且無(wú)法設(shè)置底座的特殊地段。

（4）提出的橋軌一體化無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)思路在本階段應(yīng)用還存在一些不足, 需結(jié)合最新的智能化手段進(jìn)一步深化及發(fā)展, 但該思路可為高速鐵路無(wú)砟軌道未來(lái)的發(fā)展提供參考。