城市軌道交通中鋼筋桁架軌枕式整體道床配筋設計

黃河山，管吉波，劉玉祥，左一舟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司 廣東分公司，廣東 深圳 518052)

城市軌道交通中鋼筋桁架軌枕式整體道床配筋設計

黃河山，管吉波，劉玉祥，左一舟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司 廣東分公司，廣東 深圳 518052)

結合最新研發的城市軌道交通鋼筋桁架軌枕，采用允許應力法進行了城市軌道交通鋼筋桁架軌枕式整體道床的配筋設計。設計中針對不同地段整體道床特點，采用不同的荷載組合方式，合理確定了不同地段道床配筋。計算結果表明:列車荷載彎矩、翹曲彎矩以及基礎變形附加彎矩是影響配筋的主要因素，特別是基礎變形對配筋的影響最大;相比較而言，溫度力影響相對較小。因此，嚴格控制基礎變形，特別是路基地段的路基沉降，能夠有效地減少配筋量。

城市軌道交通 鋼筋桁架軌枕 配筋設計

目前，在國內城市軌道交通中應用的整體道床形式主要有:無枕式、短軌枕式和長軌枕式三種，其中以后兩者為主。但是在實際運用的過程當中，上述三種類型的整體道床都曾出現過一些問題，較為突出的是無枕式整體道床承軌臺抹面精度不易保證，短軌枕式整體道床軌底坡不易保證，長軌枕式整體道床易出現較多的道床裂縫等。針對上述問題，依托深圳市城市軌道交通三期工程，在充分吸收國鐵領域的相關研究成果的基礎上，參考德國雷達型軌枕，鐵道第三勘察設計院設計研發了適用于城市軌道交通的鋼筋桁架式軌枕。本文結合此次新設計的軌枕，充分考慮城市軌道交通建設設計標準、車輛等方面與國鐵的不同并滿足經濟性和安全性的前提下，對鋼筋桁架軌枕式整體道床進行配筋設計。

1 鋼筋桁架式整體道床的構造

鋼筋桁架式軌枕及相應整體道床的構造分別如圖1、圖2所示。

2 計算參數

1)列車豎向荷載:地鐵A型車軸重16 t，考慮一定的安全余量，設計輪載取160 kN。

2)溫度梯度:正溫度梯度取90℃/m，負溫度梯度取45℃/m。

3)整體升降溫:根據深圳地區的歷年溫度變化統計結果，考慮一定余量，取路基及橋梁地段整體溫度變化幅度40℃，隧道地段整體溫度變化幅度15℃。

圖1 城市軌道交通鋼筋桁架式軌枕

圖2 城市軌道交通鋼筋桁架軌枕式整體道床示意(地下段圓形隧道)

4)混凝土收縮:按照降溫10℃處理。

5)基礎變形取值:路基不均勻沉降按15 mm/20 m半波正弦曲線取值;橋梁撓曲變形按梁端轉角1‰取值［1］。

6)扣件:扣件垂向及橫向動剛度取56 kN/mm，縱向動剛度取100 kN/mm。扣件間距取600 mm。

7)道床板材料參數:道床板采用C35，彈性模量為31 500 MPa，泊松比為 0.2，線膨脹系數為 1.0× 10－5/℃。

8)支承層參數:路基上整體道床設有板下支承

層。假定支承層在長期運營后將會出現大范圍開裂，取支承層彈性模量5 000 MPa。

9)軌道結構下部地基系數:路基地基系數取75 MPa/m;橋梁地基系數取1 000 MPa/m;隧道地基系數取1 200 MPa/m［1］。

10)鋼筋材料參數:縱向及橫向鋼筋均采用HRB400，彈性模量2.0×105MPa，泊松比0.15，線膨脹系數1.08×10－5/℃。

11)道床尺寸:路基地段道床板橫斷面尺寸取為2.6 m×0.3 m;橋梁地段道床板橫斷面尺寸取為2.5 m×0.28 m;隧道段道床板橫斷面尺寸取為2.6 m ×0.3 m。道床統一以6 m長為一個計算單元。

3 荷載計算

3.1 荷載計算方法

本文在進行荷載計算時，依據彈性地基梁板理論建立了軌道結構梁板模型［2-3］，整個無砟軌道模型由

3塊道床板組成，以中間道床板作為計算板。鋼軌采用梁單元模擬，扣件、道床板與支承層的層間連接以及軌下基礎采用線性彈簧單元模擬，道床板及支承層采用殼單元模擬。

列車荷載彎矩采用有限元方法計算，翹曲彎矩、基礎變形引起的軌道板彎矩以及伸縮應力按文獻［1］計算。

在進行道床配筋計算時采用的荷載組合:

1)路基上，列車荷載+溫度梯度+整體溫差及混凝土收縮;

2)橋上，列車荷載+溫度梯度+橋梁撓曲;

3)隧道內，列車荷載+整體溫差及混凝土收縮。在進行道床板結構強度檢算及裂縫寬度檢算時，按下列荷載組合進行:

1)路基上，列車荷載+溫度梯度+路基沉降+溫度力及混凝土收縮;

2)橋上，列車荷載+溫度梯度+橋梁撓曲; 3)隧道內，列車荷載+溫度力及混凝土收縮。

3.2 荷載計算結果

采用上述計算方法，確定道床板配筋設計荷載組合值及檢算荷載組合值，如表1、表2所示。

表1 道床板配筋設計荷載組合值

表2 道床板強度檢算荷載組合值

4 配筋計算

根據整體道床結構內力計算結果，按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》采用容許應力法進行配筋計算［4］。

1)抗彎計算

由表1可知，路基上整體道床結構在橫向上設計正彎矩28.132(kN·m)/m，設計負彎矩為 －40.501 (kN·m)/m，溫度變化及混凝土收縮導致的軸向拉力為513 kN/m。選用 HRB400鋼筋，容許應力［σs］= 274 MPa，C35混凝土容許應力［σb］=15.2 MPa。假定縱向主筋采用φ16鋼筋，橫向鋼筋采用 φ14鋼筋，混凝土保護層厚度取為35 mm。則a1=35+14+16/2 =57 mm，截面有效高度h0=300－57=243 mm。內力偶臂z=0.88h0=0.88×243=214 mm。

負彎矩截面計算配筋面積 As=M/(［σs］Z)=

1 796 mm2。

正彎矩截面計算配筋面積 As1=M/(［σs］Z)= 1 247 mm2。

根據上述計算，道床板下層縱向選取鋼筋15根，實際鋼筋面積3 016 mm2;道床板上層縱向選取鋼筋8根，實際鋼筋面積1 608 mm2。

經驗算，配筋率 μ下=As/(bh0)=0.5%

μ上=As1/(bh0)=0.26%

相對受壓區高度

內力偶臂 Z下=225 mm，Z上=229 mm

則鋼筋應力 σs下=259.5 MPa≤［σs］=274 MPa

σs上=199.17 MPa≤［σs］=274 MPa

混凝土應力 σb下=11.48 MPa≤［σb］=15.20 MPa

σb上=6.22 MPa≤［σb］=15.20 MPa鋼筋及混凝土強度驗算合格。

2)裂縫寬度驗算

對于鋼筋混凝土結構裂縫寬度，參考混凝土結構設計規范［5］，保護層厚度為30 mm時，室外環境的裂縫寬度容許值為0.2 mm。

以同樣的方法可以計算路基上道床板橫向配筋以及橋梁上、隧道內的道床板配筋。將道床板配筋結果列于表3。

表3 道床板配筋

5 結論

1)綜合比較不同區段鋼筋桁架軌枕式整體道床配筋量，路基地段配筋量最大，橋梁地段次之，隧道區段配筋量最小。

2)在各種影響因素中，基礎變形附加彎矩對配筋的影響最大，特別是在路基上，發生路基沉降將對道床受力產生較大影響。正因如此，應特別注意控制路基地段的道床沉降。

［1］趙坪銳.客運專線無砟軌道設計理論與方法［D］.成都:西南交通大學，2008.

［2］趙坪銳，章元愛，劉學毅，等.無砟軌道荷載彎矩計算方法［J］.中國鐵道科學，2009，30(5):1-4.

［3］王新敏.Ansys工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50010—2010 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

(責任審編 孟慶伶)

U213.2+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.31

2015-04-21;

:2015-05-14

黃河山(1989— )，男，江西贛州人，助理工程師，工學碩士。

1003-1995(2015)09-0111-03