現(xiàn)代有軌電車嵌入式軌道板的研究與設(shè)計(jì)

陳 鵬，劉 薇，楊 剛

（1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；2. 成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司，成都 611430）

國(guó)內(nèi)針對(duì)現(xiàn)代有軌電車軌道系統(tǒng)的方案與傳統(tǒng)城市軌道交通軌道系統(tǒng)的方案基本一致，1即采用傳統(tǒng)的鋼軌、扣件、軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床等，主要存在的問(wèn)題有：現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋及澆筑道床，施工進(jìn)度慢，工作量大；因工期較緊，尤其是路口地段，若露天環(huán)境下混凝土道床養(yǎng)護(hù)不到位，更易導(dǎo)致道床裂紋的產(chǎn)生；鋼軌防護(hù)材料與鋼軌粘接不牢靠，影響軌道的絕緣性能和鋼軌壽命等。

鑒于此，結(jié)合工程需求研發(fā)了一種新型的現(xiàn)代有軌電車嵌入式預(yù)制道床板軌道結(jié)構(gòu)[1]。

1 嵌入式預(yù)制道床板軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

研發(fā)的嵌入式預(yù)制道床板軌道系統(tǒng)是一種全新的有軌電車軌道系統(tǒng)解決方案，突破了傳統(tǒng)的有軌電車現(xiàn)澆道床的結(jié)構(gòu)形式，突破了城市軌道軌道交通鋼軌與道床必須采用扣件連接的方式（采用高分子材料連接鋼軌和道床，替代傳統(tǒng)扣件）。嵌入式預(yù)制道床板分為綠化段 XB-I型軌道板及硬化段 XB-Ⅱ型軌道板兩類（見(jiàn)圖1～2）。軌道板下部設(shè)置100 mm厚的自密實(shí)混凝土調(diào)整層，調(diào)整層內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片。XB-I型軌道板之間設(shè)200 mm板縫，用于道床排水，板縫之間的鋼軌部分采用鋼板焊接成 U型槽向兩側(cè)軌道板搭接；XB-Ⅱ型軌道板之間設(shè)20 mm瀝青木板伸縮縫。承軌槽內(nèi)固定鋼軌時(shí)，在軌下設(shè)置彈性墊板及調(diào)高墊板，軌腰填充調(diào)距塊，采用絕緣性強(qiáng)的高分子復(fù)合材料填充承軌槽，并在上部設(shè)置封閉層。

圖1 XB-I型軌道板道床斷面Fig. 1 Cross section of XB-I slab track

圖2 XB-Ⅱ型軌道板道床斷面Fig. 2 Cross section of XB-II slab track

此軌道結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）“工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械裝配”相結(jié)合，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工中人的因素、技術(shù)因素、環(huán)境因素對(duì)工程質(zhì)量的影響，提高了軌道的施工質(zhì)量，且美觀性更好。

2）快速施工，減小對(duì)城市交通的影響，實(shí)現(xiàn)了“工廠預(yù)制、預(yù)制板運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)安裝”三階段平行流水作業(yè)，有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短軌道施工工期，加快工程建設(shè)進(jìn)度。

3）高分子材料的采用使得軌道系統(tǒng)的絕緣性大幅增強(qiáng)，鋼軌壽命相應(yīng)增加，軌道系統(tǒng)的減振降噪性能也有所提高。

2 設(shè)計(jì)理論研究

本文以所承擔(dān)的有軌電車工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的需求為背景[2]，對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論闡述如下。

2.1 主要輸入條件

2.1.1 參數(shù)選取

1）垂向靜荷載 Pj。道床板的垂向荷載主要來(lái)自于列車荷載或者汽車荷載，分別以Pj1及Pj2表示。綠化地段的道床板僅受列車荷載作用，混行地段的道床板受列車和汽車荷載作用，但是兩種荷載不同時(shí)，計(jì)算選取兩種荷載作用下的最不利工況。

2）垂向設(shè)計(jì)荷載Pd及檢算荷載Pf。因目前對(duì)于有軌電車的設(shè)計(jì)荷載及檢算荷載動(dòng)力系數(shù)的取值缺乏經(jīng)驗(yàn)，參考國(guó)鐵無(wú)砟軌道板的設(shè)計(jì)計(jì)算思路，結(jié)合有軌電車的特點(diǎn)，擬定設(shè)計(jì)荷載取靜軸重的1.5倍，檢算荷載取靜軸重的1.2倍，即

3）橫向設(shè)計(jì)荷載Q。橫向設(shè)計(jì)荷載參考國(guó)鐵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，取為0.8倍的靜荷載，即

4）溫度梯度。軌道板受到溫度梯度作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生翹曲，由于外部條件的作用，軌道板的翹曲變形被約束，因此在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。溫度梯度分正溫度梯度和負(fù)溫度梯度兩種情況，參考公路的相關(guān)規(guī)范取值[4]。

5）基礎(chǔ)不均勻沉降。沉降形式為弦曲線[5]，計(jì)算如下：

式中，x代表20 m范圍內(nèi)的不同位置，f0為不均勻沉降值（15 mm），l為沉降長(zhǎng)度（20 m）。

6）高分子材料的性能指標(biāo)參考扣件的剛度取值范圍、高聚物多孔彈性材料的相關(guān)規(guī)范等研究出不同性能的產(chǎn)品。計(jì)算時(shí)高分子材料按實(shí)體單元進(jìn)行模擬，按線彈性體考慮，彈性模量為18 MPa，密度為0.94 g/mm3。

2.1.2 設(shè)計(jì)取值

本工程鋼軌為槽型軌，規(guī)格采用德國(guó)的 59R2槽型軌[6]。

道床板分兩種形式，分別用于混行及綠化地段，綠化地段為XB-I型，混行地段為XB-II。道床板根據(jù)工程情況（除考慮板的自身構(gòu)造設(shè)計(jì)需求外，還需考慮高分子材料與鋼軌的粘接面、混行地段的鋪面要求等）擬定的規(guī)格（見(jiàn)表1）。

列車荷載加載時(shí)，分別施加于道床板的中部和邊緣，取兩種工況的最不利情況。對(duì)于混行地段的道床板（XB-Ⅱ），除列車荷載外，還會(huì)受到汽車荷載的作用，汽車荷載偏安全考慮采用公路I級(jí)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 擬定的軌道板主要尺寸Tab. 1 The main dimensions of slab mm

鋪設(shè)于路基上的道床板，需要考慮路基不均勻沉降的影響。參考客專不均勻沉降對(duì)道床板影響的計(jì)算方法[7]，路基沉降曲線擬定為弦曲線，沉降幅值f0=15 mm，長(zhǎng)度l=20 m。

因軌道板在寬度方向的尺寸比公路路面小得多，需結(jié)合國(guó)內(nèi)外高速鐵路無(wú)砟軌道對(duì)溫度梯度的取值，參考客專軌道板的取值方法按45℃/m考慮。

設(shè)計(jì)垂向荷載僅考慮列車或汽車荷載，檢算荷載考慮車輛荷載+路基沉降或車輛荷載+溫度梯度，取二者的較大值。設(shè)計(jì)橫向荷載僅考慮0.8倍的垂向荷載。軌道板縱向不受約束，邊界條件自由，可認(rèn)為不必進(jìn)行縱向力檢算。縱向力作用下主要檢算高分子材料的撕裂強(qiáng)度是否滿足限值。

2.2 XB-I型預(yù)制道床板的受力分析

1）設(shè)計(jì)及檢算荷載作用下的彎矩值見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)荷載、檢算荷載彎矩Tab. 2 Bending moment of slab under design load kN·m/m

2）配筋及承載力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4，由表3可見(jiàn)，配筋方案滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

表3 橫截面鋼筋量計(jì)算Tab. 3 Reinforcement calculation of cross section

表4 縱截面鋼筋量計(jì)算Tab. 4 Reinforcement calculation of longitudinal section

由表4可見(jiàn)，縱截面彎矩值較小，擬配置的普通構(gòu)造鋼筋間距為200 mm，直徑10 mm，上下層各32根，配筋率為0.25%及0.31%，符合最小配筋率0.2%的要求。

3）結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出，混凝土及鋼筋應(yīng)力檢算滿足要求。另外，對(duì)應(yīng)的裂縫寬度不大于0.2 mm，裂縫檢算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4）橫向力作用下凸臺(tái)剪切應(yīng)力計(jì)算。在橫向力作用下，凸臺(tái)最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于容許的剪應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果Tab. 5 Results of stucture calculation

2.3 XB-II型預(yù)制道床板的受力分析

設(shè)計(jì)及檢算過(guò)程與 XB-I制道床板的計(jì)算思路基本相同，主要區(qū)別在于XB-II型除列車荷載外，還會(huì)受到汽車荷載的作用，汽車荷載偏安全考慮采用公路I級(jí)荷載[8]。汽車荷載不與列車荷載進(jìn)行疊加，按照計(jì)算的彎矩取兩者中的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要計(jì)算結(jié)果如下。

1）荷載組合下的彎矩見(jiàn)表6。

表6 設(shè)計(jì)荷載彎矩Tab. 6 Bending moment of slab under design load kN·m/m

2）配筋及承載力計(jì)算見(jiàn)表7、表8。

由表可見(jiàn)，配筋方案滿足設(shè)計(jì)荷載要求。縱截面彎矩值較小，擬配置的普通構(gòu)造鋼筋間距為200 mm，直徑 10 mm，上下層各 32根，配筋率為 0.24%及0.27%，符合最小配筋率0.2%的要求。

表7 橫截面最小鋼筋量計(jì)算Tab. 7 Reinforcement calculation of cross section

表8 縱截面鋼筋量計(jì)算Tab. 8 Reinforcement calculation of longitudinal section

3）結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果Tab. 9 Results of stucture calculation MPa

混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度及裂縫寬度檢算均滿足設(shè)計(jì)要求。

4）橫向力作用下凸臺(tái)剪切應(yīng)力計(jì)算。橫向力作用下，凸臺(tái)最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于容許的剪應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 縱向制動(dòng)力下的高分子材料受力分析

列車制動(dòng)時(shí)，軌道提供給車輪制動(dòng)力，使得鋼軌產(chǎn)生平動(dòng)位移，壓縮應(yīng)變以及填充材料的剪切變形。計(jì)算得出，在制動(dòng)力作用下，鋼軌的縱向位移最大為0.6 mm，高分子彈性材料的縱向最大位移為0.48 mm，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.32%，最大剪切應(yīng)力為0.02 MPa，未超出與鋼軌的黏著強(qiáng)度，因此高分子材料不會(huì)被撕裂或剪切破壞（見(jiàn)圖3）。

2.5 無(wú)縫線路的穩(wěn)定性分析

因高分子材料鎖固鋼軌后形成的無(wú)縫線路與傳統(tǒng)的無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理念完全不同[9]，相關(guān)的無(wú)縫線路設(shè)計(jì)方法無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循。此系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析參照傳統(tǒng)無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的穩(wěn)定性分析方法，通過(guò)建立有限元分析模型，分析鋼軌豎向存在初彎矢度條件下，鋼軌溫度變化后對(duì)鋼軌彎曲矢度的影響。計(jì)算條件采用比較困難的條件進(jìn)行模擬，即軌道板鋪設(shè)于半徑R=50 m的曲線地段，豎曲線半徑為1 000 m。因鋼軌在橫向方向右混凝土槽的約束，故橫向不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題。非線性彈簧單元模擬彈性填充材料的豎向剛度。豎向剛度采用彈性填充材料的垂向拉裂試驗(yàn)位移——荷載曲線實(shí)測(cè)值進(jìn)行模擬。

圖3 制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果云圖Fig. 3 Calculation result under braking force

假設(shè)軌道在零應(yīng)力狀態(tài)時(shí)存在原始彎曲，其線性函數(shù)為：

式中，f0為軌道原始彎曲矢度，取f0=0.02 cm；l0為軌道原始彎曲波長(zhǎng)，取l0=720 cm。

計(jì)算鋼軌升溫40℃、45℃、50℃、55℃、60℃條件下的鋼軌垂向變形見(jiàn)表10。

表10 不同鋼軌升溫條件下鋼軌垂向位移計(jì)算結(jié)果Tab. 10 Rail vertical deformation under different temperature

由表中計(jì)算結(jié)果可知，隨著鋼軌升溫幅度的增大，鋼軌的垂向變形也逐漸增大。但是由于槽型鋼軌周圍填充的彈性材料剛度較大，鋼軌變形絕對(duì)值很小，最大值未超過(guò)1×10–3mm，參考無(wú)砟軌道無(wú)縫線路評(píng)定安全可靠的要求（應(yīng)滿足 f0≤0.2 cm）可知，槽型鋼軌的垂向變形量遠(yuǎn)小于該標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)發(fā)生明顯失穩(wěn)，表明有軌電車槽型鋼軌周圍填充彈性材料后的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)扣件鎖定鋼軌的結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，本計(jì)算的前提是槽型鋼軌周圍填充的彈性材料處于良好工作狀態(tài)，若高分材料性受外界條件影響不能達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的工作狀態(tài)，有可能對(duì)軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 相關(guān)的測(cè)試結(jié)果及分析

此類結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了系統(tǒng)的室內(nèi)及室外試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)主要包括疲勞性能及高分子材料本身的一些物理機(jī)械性能等方面的測(cè)試，線上主要進(jìn)行了動(dòng)力性能測(cè)試（見(jiàn)圖4）。

圖4 第三方室內(nèi)疲勞試驗(yàn)Fig. 4 Slab fatigue test of the third-party

3.1 疲勞試驗(yàn)

1）道床板疲勞試驗(yàn)前后未出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。

2）試驗(yàn)過(guò)程中在疲勞荷載作用下軌道系統(tǒng)存在重復(fù)橫向力作用。在橫向力作用下軌道系統(tǒng)發(fā)生橫向變形，300萬(wàn)次疲勞作用后實(shí)測(cè)軌道系統(tǒng)軌距未發(fā)生明顯變化，變化量控制在0～1 mm之間，疲勞過(guò)程中橫向變形穩(wěn)定。豎、橫向剛度疲勞前后變化均小于5%，性能穩(wěn)定。

3）疲勞試驗(yàn)前后鋼軌、高分子填充材料未出現(xiàn)明顯高溫區(qū)域，整個(gè)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，300萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)結(jié)束后高分子填充材料無(wú)微裂紋、剝離、推擠等現(xiàn)象。

4）各滿載工況下槽型軌相對(duì)最大豎向位移為–0.59～–0.741 mm，槽型軌相對(duì)最大橫向位移為0.658～1.281mm；各靜載工況下測(cè)點(diǎn)荷載—變形曲線呈線性變形，表明軌道系統(tǒng)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 高分子材料物理機(jī)械性能試驗(yàn)

1）高分子材料物理機(jī)械性能優(yōu)異，具有很高的絕緣電阻（實(shí)測(cè)達(dá)7.9×109Ω，遠(yuǎn)高于地鐵中扣件零部件的絕緣電阻108Ω的要求），能有效保障軌道系統(tǒng)的絕緣性，防止鋼軌因迷散電流導(dǎo)致的銹蝕。

2）高分子材料還具有優(yōu)良的耐水性，吸水膨脹率低。

3）耐老化性能優(yōu)良，并滿足300萬(wàn)次疲勞后，材料未出現(xiàn)裂紋、粘接失效等問(wèn)題，有效保證了線路在各種氣候情況下的使用壽命。

3.3 減振降噪性能試驗(yàn)方面

嵌入式道床軌道系統(tǒng)（見(jiàn)圖5），其系統(tǒng)一階固有頻率為200 Hz左右，結(jié)構(gòu)阻尼比達(dá)0.18。疲勞試驗(yàn)完成 300萬(wàn)次疲勞加載后各階頻率及模態(tài)阻尼比沒(méi)有發(fā)生明顯改變。表明結(jié)構(gòu)有足夠的耐久性，性能穩(wěn)定，能有效抑制鋼軌的振動(dòng)，主要可降低鋼軌的振動(dòng)輻射噪聲。

因本工程線路較短，且預(yù)制地段均鋪設(shè)在直線上，故線上測(cè)試時(shí)，安全性指標(biāo)較好。降噪效果的測(cè)試是重點(diǎn)內(nèi)容之一，從此類結(jié)構(gòu)的特征來(lái)看，對(duì)于降低鋼軌的振動(dòng)輻射噪聲應(yīng)有一定效果，測(cè)試結(jié)果也很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在車外距軌道中心7.5 m，軌面1.2 m高度處，相同速度下嵌入式軌道結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)扣件式軌道降低約5 dB（A），降噪效果與地鐵中的阻尼鋼軌相當(dāng)。

圖5 線上試鋪的嵌入式軌道板結(jié)構(gòu)Fig. 5 Embedded slab tack under construction

4 結(jié)語(yǔ)

嵌入式道床板軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，是根據(jù)目前傳統(tǒng)地鐵和有軌電車軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工中存在的一些問(wèn)題，并借鑒國(guó)外的相關(guān)設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行的一種創(chuàng)新性嘗試。此類軌道結(jié)構(gòu)在加快軌道系統(tǒng)的施工進(jìn)度、增強(qiáng)軌道系統(tǒng)的絕緣性，延長(zhǎng)鋼軌壽命，提高軌道系統(tǒng)減振降噪性能等多方面具有一定優(yōu)勢(shì)，目前已在四川新津、成都，云南蒙自、海南三亞等地有軌電車工程中推廣應(yīng)用。此類結(jié)構(gòu)的研發(fā)為后續(xù)有軌電車軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究提供了很好的借鑒和參考。

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