現代有軌電車無砟軌道道床設計淺析

繆歡

摘 要：當前，現代有軌電車在國內的得到了快速發展，但針對承載基礎的無砟軌道的研究不多，而道床的設計又是其中的一個難點。本文結合現代有軌電車荷載小、速度低的特點，簡要介紹無砟軌道道床結構設計基本思路，并分析道床結構的受力特點和結構設計。

關鍵詞：現代有軌電車；無砟軌道；整體道床

1、概述

在國內，現代有軌電車剛起步，專門針對無砟軌道道床的研究較少，無砟軌道道床設計大部分針對高鐵及地鐵，這三者之間存在較大的差異性，設計時不能完全參照高鐵或地鐵的道床的設計。現代有軌電車最高速度一般在70～80 km/h，最大軸重一般在110～130kN，與高鐵差距較大，比地鐵較小，現代有軌電車無砟軌道道床設計可近似參照地鐵道床的設計，但現代有軌電車大部分為地面線與地鐵地下段還有一定的差距，地鐵一般支承層為盾構的底板或U型槽底板為支承層，而現代有軌電車需單獨設計支承層。現針對現代有軌電車荷載小、速度低的特點，提出現代有軌電車無砟軌道道床結構設計的思路。

2、無咋軌道道床類型介紹

整體道床根據結構形式一般可分兩類：板式整體道床及雙塊式整體道床。板式軌道結構由軌道板、混凝土底座及配套扣件組成，一般適用于路基段及地下段，現代有軌電車基本沿地面敷設，板式軌道結構適用性較強。雙塊式軌道結構由軌道板及配套扣件組成，一般適用于橋梁地段。

圖1 板式整體道床 圖2 雙塊式整體道床

整體道床根據受力方式不同也可分兩類：連續式道床及單元式道床。兩者區別在于受力方式的不同，連續式道床整體性好，但溫度對其影響大；單元式道床結構簡單，受力明確，現代有軌電車速度低、荷載小，單元式道床適應性更強。

圖3 單元式及連續式道床區別

3、無咋軌道道床的設計原理

3.1 道床結構設計方法淺析

無砟軌道結構的計算方法大體可分為以下三種：容許應力法、破壞階段法、極限狀態法。我國工業與民用建筑方面的設計規范中目前采用的是極限狀態法，我國鐵路工程方面對不同類型的結構采用不同的計算方法。普通鋼筋混凝土橋梁基本上按容許應力法設計，預應力混凝土橋梁的設計則除彈性分析外還須考慮塑性的計算原理，而無砟軌道結構以承受反復動力荷載為主，確定各項分項系數十分復雜，在目前國內無砟軌道結構設計和運營經驗還不足的情況下難以合理確定，因此目前采用極限狀態法來進行無砟軌道結構的設計還為時尚早，考慮到有軌電車無砟軌道結構的具體特點主要是承受反復荷載作用，因此應該主要考慮使用荷載下的疲勞問題，故宜按彈性工作分析并取較大的安全系數，而容許應力法的計算假定反映的正是受拉區混凝土開裂后，鋼筋尚處在彈性工作時的應力狀態，因此在無砟軌道結構設計中采用容許應力法是適宜的。

3.2 道床結構設計荷載淺析

在容許應力法中，按性質和發生的機率將荷載分為主力、附加力和特殊荷載。主力是經常作用的；附加力不是經常發生的，或者其最大值發生幾率較小；特殊荷載是暫時的或者屬于災害性的，發生的幾率是極小的。

表1 無砟軌道荷載分類

根據各種荷載不同的發生機率，設計時有三種荷載組合情況：

（1）僅計算主力；

（2）主力和附加力同時作用；

（3）考慮特殊荷載。

3.3 道床結構設計流程淺析

進行無砟軌道結構設計的主要流程是：

（1）根據無砟軌道的荷載情況、使用條件、環境狀況構造需要及擬采用的無砟軌道結構形式，確定各結構層的結構尺寸（寬度B與厚度h）和材料性質（彈性模量E）；

（2）根據已知的E、B和h值分別對列車荷載、溫度變化、收縮徐變、基礎變形等因素對無砟軌道結構的影響進行初步計算并進行最不利荷載組合，從而得到各結構層的設計內力；

（3）根據內力或應力水平進行配筋計算，無砟軌道結構的配筋采用容許應力法及平衡設計原則，分別對鋼筋混凝土道床板的縱向及橫向的上、下側進行截面配筋計算；

（4）對無砟軌道結構進行截面應力及裂縫寬度檢算，直到滿足規范要求為止。

3.4 道床結構設計簡化分析

根據無砟軌道結構分層特點，一般采用梁一板一板有限元模型：計算模型中鋼軌采用彈性點支承梁模型，扣件采用線性彈簧模擬，軌道板與支承層采用板殼單元進行模擬，為模擬下部基礎對軌道結構的支承作用，支承層采用彈性地基板進行模擬，為消除邊界效應，模型選取三塊軌道板進行計算，以中間單元板作為研究對象。

計算參數的取值應遵循以下原則進行：

（1）鋼軌作為彈性點支承的梁，支點間距取為扣件間距；

（2）由于無砟軌道所承受的為列車動荷載，扣件支承彈簧的剛度應取為扣件的動剛度，無動剛度時可近似取為靜剛度的1.5倍；

（3）軌道板、支承層為具有彈性模量Ei和泊松比ui的等厚度hi的彈性體（i自上而下依次為1、2……）；

（4）兩層板殼之間彈性體的支承作用以連續均勻的線性彈簧模擬，對板間彈性體連同下層板殼，分別按ki=Ei/hi計算其面支承剛度，然后按照彈簧串聯關系計算板間彈性體面支承剛度，1/k=∑1/ki。

4、工程實例

地鐵軌道板厚度一般為0.25m，支承層一般為盾構底板或U型槽底板，支承層厚度一般較大，而現代有軌電車支承層需單獨設計。由于現代有軌電車荷載小、速度低，軌道結構層有優化的空間，特別是軌道板與支承層兩者厚度的關系。

以某現代有軌電車為例進行結構受力分析，采用無砟軌道靜力有限元分析模型進行分析計算，確定結構尺寸并配筋。以下為該現代有軌電車荷載圖示：

圖4某現代有軌電車軌道結構

圖5 現代有軌電車列車荷載（單位：mm）

道床結構設計時，需要考慮多種因素對其受力的影響，如結構參數、路基不均勻沉降、橋梁變形、溫度荷載、預應力、收縮徐變、疲勞特性等等。

基本計算條件為：扣件剛度30kN/mm，軌道板混凝土強度等級C40，長6.25m，寬2.4m，厚0.25m，支承層混凝土強度等級C30，厚0.15m，寬2.8m，地基系數180MPa/m。

圖6梁一板一板有限元模型立面

圖7 梁一板一板有限元模型三維模型

荷載情況為：輪載取250kN；軌道板沿板厚溫度升溫梯度取+50℃/m、降溫梯度取-25℃/m；路基不均勻沉降按3mm/10m。

荷載組合情況：主力：自重+輪載+溫度梯度；主加附：自重+輪載+溫度梯度+不均勻沉降。

在實際設計中，軌道結構層厚度往往受到限制，本文以結構層總厚度為0.4m進行測算，以確定合理的各結構層厚度。根據分析，總共分以下5種組合情況：

表2各結構層厚度組合表

下圖為組合4軌道板內力圖

圖8 軌道板主力縱向彎矩值

圖9 軌道板主力橫向彎矩值（kN·m/m）

圖10 軌道板主加附縱向彎矩值

圖11 軌道板主加附橫向彎矩值（kN·m/m）

結構設計按容許應力法進行計算，裂縫寬度計算公式參照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》進行計算。計算結果見下表：

表3單元板式軌道板驗算結果表

表4 單元板式支承層驗算結果表

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

對于軌道板支承層，在板頂底配置鋼筋網，根據計算，組合1、2不滿足要求，其他基本滿足設計要求。從施工工藝上與構造上對軌道板的要求上說，軌道板厚度不宜少于0.2m。故組合1、2不論從軌道板上講還是支承層上講，兩者都不適合。

組合5鋼筋用量最多，從經濟角度來講，是不經濟的。組合3與組合4配筋量基本相當，但組合4配筋率較低，再從施工工藝方面來說，軌道板越厚，可操作空間大，施工較方便。

根據以上對比分析，該現代有軌電車各結構層厚度的取值按組合4進行。

5、結論

通過對現代有軌電車特點的分析，簡單介紹了道床結構設計原理，確定道床結構應基于容許應力法進行設計，并且以單元板式道床為實例，對軌道板進行配筋驗算。

（1）現代有軌電車無砟軌道道床結構采用容許應力法是適宜的；

（2）現代有軌電車荷載及速度與地鐵接近，計算原理可參考地鐵，但兩者結構特點不盡相同，計算時應加以區分；

（3）現代有軌電車荷載小、速度低，相對地鐵、高鐵軌道板厚度可減少；

（4）針對結構層總厚度為0.4m進行測算各結構層厚度，并考慮施工工藝等條件下，建議軌道板厚度取0.25m，支承層厚度取0.15m。

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