客運專線橋梁段雙塊式無砟軌道底座優化設計

黃小華，周　帥，楊吉忠（.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都　6003；.西南交通大學機械工程學院，四川成都　6003）

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客運專線橋梁段雙塊式無砟軌道底座優化設計

黃小華1，周帥2，楊吉忠1
（1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031；2.西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

摘要雙塊式無砟軌道是客運專線鐵路較常用的一種軌道結構形式，底座作為這種軌道結構在橋梁地段的重要組成部分，目前其設計基本參照通用圖采用普通鋼筋混凝土結構。在工程實踐中，由于普通鋼筋混凝土結構自身存在一定缺點而不能保證無砟軌道結構底座強度和耐久性。因此，本文結合成渝客專鐵路，從配筋率、混凝土強度、裂縫寬度及經濟性4個方面對底座優化設計方案進行研究與分析，結果表明:底座采用縱橫向鋼筋直徑10 mm，縱向38根，橫向80根（間距160 mm）的鋼筋焊網結構配筋方案最優，可作為底座優化設計推薦方案。

關鍵詞客運專線；橋梁；雙塊式無砟軌道；底座；鋼筋焊網

目前，雙塊式無砟軌道結構基本按照《鐵路工程建設通用參考圖——高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道》（圖號：通線［2011］2351）為依據進行設計，在橋梁地段，雙塊式無砟軌道結構主要由鋼軌、扣件、道床板、底座組成，其中底座為分塊式C40鋼筋混凝土結構，采用縱向28根、橫向66根（間距200 mm）的HRB400φ12鋼筋，底座寬度為2 800 mm，長度一般為5 750，6 400，6 440 mm等。這種底座結構存在很多自身特點，底座在施工時，需將縱橫向鋼筋綁扎成網片后再澆筑混凝土，鋼筋網片綁扎純為人工綁扎，隨意性較大，不能夠嚴格控制鋼筋縱橫向間距、保證鋼筋保護層厚度；在澆筑混凝土、振搗密實過程中，易導致絕緣卡斷裂，縱橫向鋼筋間距進一步加大，鋼筋保護層厚度將進一步加大或不足；鋼筋間距偏大會影響鋼筋混凝土強度，鋼筋保護層厚度偏大，混凝土裂縫寬度就越大，而鋼筋保護層厚度不足，易導致混凝土掉塊和露筋，影響無砟軌道結構底座耐久性，進而影響整個無砟軌道結構系統的耐久性與安全性。

在橋梁地段，底座作為雙塊式無砟軌道結構的重要組成部分，其耐久性在設計中是一項非常關鍵的指標，而國內目前針對以上影響底座耐久性的不足，進行底座優化設計的相關研究甚少。因此，開展對客運專線鐵路橋梁地段雙塊式無砟軌道底座優化設計的研究很有必要。本文以成渝客專為例，提出了底座優化設計的多種方案，并從底座配筋率、混凝土強度、裂縫寬度和經濟性四方面進行了比較分析研究，優化后的設計方案能夠彌補底座上述缺點，保證底座混凝土強度和耐久性，也為以后客運專線鐵路設計提供了相關技術借鑒。

1底座優化設計方案

1. 1采用鋼筋焊網結構

成渝客專是成都至重慶速度為300 km/h的客運專線鐵路，樞紐范圍以外正線均鋪設雙塊式無砟軌道結構，橋梁段采用WJ-8小阻力扣件，橋臺范圍鋪設常阻力扣件，按跨區間無縫線路設計。

在橋梁地段，針對底座通用參考圖采用普通鋼筋結構方案的各種缺點，成渝客專在保證底座幾何尺寸不變的情況下，采用整體性較強的鋼筋焊網結構代替普通鋼筋結構方案。鋼筋焊網結構有如下特點。

1）鋼筋焊網由全自動、智能化生產線制造而成，在工廠嚴格質量控制下制定網格尺寸、鋼筋規格和品質，避免了人工綁扎網不堅固、隨意、綁扎錯誤和偷工減料等情況發生，大大提高了工程質量。

2）鋼筋焊網按設計要求鋪設后即可澆筑混凝土，省去鋼筋現場裁剪及綁扎等過程，加快施工進度，大大縮短施工周期。

3）鋼筋焊網縱橫向鋼筋形成網狀結構，加強了與混凝土黏結性，均勻分布所承受的荷載，提高了鋼筋混凝土結構的抗裂性能。

4）鋼筋焊網施工工藝簡單，施工人員在短時間內即可掌握鋼筋焊網的施工工藝。

通過分析上述鋼筋焊網結構特點可知，底座采用鋼筋焊網結構不僅能夠彌補采用普通鋼筋結構的不足，還有很多自身優點，因此，成渝客專橋梁地段CRTSⅠ雙塊式無砟軌道結構中底座采用鋼筋焊網結構具有可行性。

1. 2鋼筋焊網結構底座配筋方案

通用圖中底座縱橫向鋼筋均采用普通螺紋HRB400φ12鋼筋，縱向28根，橫向鋼筋66根（間距200 mm）。通過對比通用圖底座采用普通鋼筋設計，在保證底座尺寸不變、鋼筋間距不小于通用圖和配筋率不大于通用圖的情況下，提出了12種鋼筋焊網結構底座配筋方案，見表1。

表1　底座配筋方案

2　底座優化設計方案比選

在橋梁地段，無砟軌道主力荷載組合主要有列車設計荷載、混凝土收縮荷載和橋梁撓曲荷載。在荷載組合作用下，底座混凝土應力必須小于規范C40混凝土強度設計限值19. 1 MPa，底座裂縫寬度必須小于規范限值0. 2 mm。除混凝土強度和裂縫寬度作為底座優化設計的兩個主要技術指標外，工程造價作為工程建設的一個重要指標，經濟性比較也應作為底座優化設計的一個指標。

因此，須從配筋率、混凝土強度、裂縫寬度和經濟性四方面對成渝客專橋梁地段雙塊式無砟軌道結構中底座優化方案進行比較分析，得出最優方案。

2. 1配筋率比較

通用圖與表1中各方案縱橫向配筋率詳見表2。

表2　底座配筋率計算

從表2可知，縱向采用32根直徑為10 mm、橫向采用66根直徑為10 mm和橫向采用72根直徑為10 mm的方案配筋率比通用圖中配筋率小很多，其他方案配筋率均與通用圖中配筋率大致相同。因此，與通用圖相比，只有縱橫向鋼筋直徑為10 mm（縱向分別為36根和38根、橫向為80根）和縱橫向鋼筋直徑為11 mm的鋼筋焊網結構方案滿足要求，即方案⑥，⑨，⑩，○11，○12滿足配筋要求。

2. 2混凝土強度和裂縫寬度比較

2. 2. 1計算參數

1）列車荷載［1-2］

靜軸重P0= 170 kN，動載系數α= 3，脫軌系數Crp= 0. 8。最大垂向動荷載Pd=αP0/2 = 255 kN，橫向設計荷載Q = P0Crp/2 = 68 kN。

2）混凝土收縮影響參數

混凝土收縮以等效降溫10℃取值。

3）橋梁變形參數

橋梁豎向撓度、梁端轉角θ、墩臺沉降按《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2009）取值。

4）橋上雙塊式無砟軌道結構參數

鋼軌為60 kg/m新軌，扣件節點間距650 mm，扣件動剛度50 kN/mm。道床板和底座采用分塊結構，其長度均為6 400 mm，寬度均為2 800 mm，道床板厚度260 mm，底座厚度為210 mm，混凝土等級均為C40，彈性模量Ec為34 000 MPa。底座應力計算時考慮無砟軌道自重荷載，混凝土密度為2 500 kg/m3，鋼軌密度為7 850 kg/m3，重力加速度為10 m/s2。

2. 2. 2底座應力計算

橋上雙塊式無砟軌道采用梁-板-板有限元計算模型，進行列車荷載底座受力計算分析。其中鋼軌采用梁單元；扣件采用彈簧單元；道床板采用彈性殼單元；底座采用具有彈性地基剛度的殼單元。道床板殼單元與底座殼單元之間采用彈簧連接，該彈簧單元能夠傳遞垂向壓力，但不能傳遞拉力；橋梁采用彈性地基模擬，在底座的殼單元中輸入彈性地基剛度參數。

橋梁變形采用撓度隨動法，即根據橋梁撓曲變形的豎向撓度限值，求出底座撓曲彎矩及撓曲應力［3］。

底座在列車荷載、橋梁撓曲荷載、混凝土收縮荷載同時作用下所產生應力最大。根據以上計算結果，在荷載組合作用下底座最大應力見表3。

2. 2. 3底座混凝土強度和裂縫寬度計算［4-5］

按前文可計算出底座彎矩，以便底座混凝土強度和裂縫寬度計算。

針對上文滿足配筋率要求的⑥，⑨，⑩，○11，○12鋼筋焊網結構設計方案，分別計算底座縱橫向混凝土應力、在保證鋼筋保護層厚度為35 mm時混凝土裂縫寬度，計算結果見表4。

MPa

表3　橋梁段底座應力

表4　底座混凝土應力和裂縫寬度計算結果

從表4可知，以上各方案混凝土壓應力均小于C40混凝土強度設計限值19. 1 MPa，因此，各方案底座混凝土強度滿足規范要求。

縱向采用32根鋼筋直徑為11 mm的配筋方案對應裂縫寬度大于規范限值0. 2 mm［5］，其余方案裂縫寬度均小于規范限值0. 2 mm。因此，方案⑥和方案⑨對應裂縫寬度滿足規范要求。

2. 3經濟性比較

對通用圖、方案⑥和方案⑨進行經濟比較，比較結果見表5。

表5　底座經濟性比較

從表5可知，與通用圖相比，方案⑥總投資比通用圖少72. 784萬元，方案⑨總投資比通用圖增加125. 02萬元，但從表1、表4、表5可知，方案⑥縱向裂縫寬度為0. 15 mm，比通用圖0. 14 mm大，故選用方案⑨，即縱橫向鋼筋直徑為10 mm，縱向38根，橫向80根（間距160 mm）為最優方案。

3　結論

1）針對橋梁地段雙塊式無砟軌道結構中底座采用普通鋼筋方案的特點，以成渝客專為例，提出底座采用整體性較好的鋼筋焊網結構方案的可行性，并通過對比底座普通鋼筋結構方案，得出鋼筋焊網結構12種配筋優化設計方案。

2）從配筋率、混凝土強度、裂縫寬度和經濟性四方面對底座12種方案與通用圖普通鋼筋方案比較分析，得出采用縱橫向鋼筋直徑為10 mm，縱向38根，橫向80根（間距160 mm）的鋼筋焊網結構方案最優。

3）底座采用整體性較好的鋼筋焊網結構在成渝客專鐵路上的應用，克服了采用普通鋼筋結構的不足，可為以后客運專線鐵路設計提供相關技術借鑒。

參考文獻

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（責任審編孟慶伶）

Optimum Design of Double-block Ballastless Track Base in Bridge Section of Passenger Dedicated Railway

HUANG Xiaohua1，ZHOU Shuai2，YANG Jizhong1
（1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Mechanical Engineering College，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractDouble-block ballastless track is a common track structure used in passenger dedicated railway. As an important part of such track structure in bridge section，the existing basic reference frame of base design adopts the ordinary reinforced concrete structure. In engineering practice，the ordinary reinforced concrete structure has some shortcomings and could not guarantee the base strength and durability of ballastless track structure. Combing with Chengdu -Chongqing passenger dedicated railway，the base optimum design schemes were studied and analyzed from four aspects including reinforcement ratio，concrete strength，crack width and economy. T he research results show that steel welded mesh structure reinforcement scheme is optimal，the base of which uses 38 longitudinal and 80 transverse steel bars with 10 mm diameter and 160 mm spacing，and can be used as the recommended scheme for base optimum design.

Key wordsPassenger dedicated railway；Bridge；Double-block ballastless track；Base；Steel welded mesh

中圖分類號U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 34

文章編號：1003-1995（2016）06-0129-04

收稿日期：2015-12-12；修回日期：2016-02-29

作者簡介：黃小華（1984—），女，工程師，碩士。