城市軌道交通高架預制板整體道床設計及動力特性研究

葉 軍 張東風 李 楠 裴愛華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

為滿足人們往返于城市中心區域與周圍衛星城鎮或鄰近城市的需求，運行時速為100～160 km的市域軌道交通得到了迅速發展。這種快速軌道交通具有快速、高密度、公交化的特點[1]，其線路軌道結構若參照城軌鐵路則無法滿足速度需求，若直接照搬高速鐵路又會造成不必要的浪費。因此，應針對這種快速軌道交通的運行條件開展軌道結構的設計。

我國高速鐵路板式無砟軌道多采用預制道床板，可有效避免傳統現澆式道床施工進度緩慢、施工質量不均、易開裂變形等問題，且有利于減振地段與普通地段軌道結構形式的統一。已有許多學者對預制道床板進行了相關研究：文獻[2]、[3]分別對地鐵預制板式軌道的設計優化進行了研究；文獻[4]提出了城際鐵路無砟軌道的選型原則，并對適用于160 km/h及以下的城際鐵路橋上雙塊式無砟軌道進行了優化設計；文獻[5]提出了一種新型軌道板系統，并對其動力性能及減振性能進行了評定；文獻[6]提出可在振動要求較高的地段鋪設土工布預制板軌道結構的建議；文獻[7]針對市域鐵路的特點，提出了分別適用于路基、橋梁和隧道地段的無砟軌道結構設計方案；文獻[8]對北京新機場線高架地段雙塊式無砟軌道道床的結構選型及配筋設計進行了研究。

以下針對時速160 km軌道交通運行條件[9]，提出一種適用于高架線路的新型預制板整體道床結構，建立了車輛—預制板式軌道—高架橋空間耦合動力學模型，對所提出的高架預制板整體道床的行車安全性與運行平穩性進行評定，并對其振動特性進行分析。

2 高架預制板整體道床的設計

2.1 結構組成

該預制板整體道床采用裝配式結構(如圖1所示)，自上而下分別由鋼軌、扣件、預應力預制軌道板(帶凸臺)、自密實混凝土層組成，總高度為600 mm。

(1)鋼軌及扣件

采用60 kg/m鋼軌和WJ-8B型有擋肩扣件。

(2)軌道板

軌道板為單元式結構，配合WJ-8B型有擋肩扣件，采用C60混凝土工廠預制(2+2雙層雙向先張預應力體系)，標準軌道板長度有5 300 mm和3 500 mm兩種，寬度為2 500 mm，厚度為200 mm。

軌道板底部的鋼筋混凝土限位凸臺(700 mm×400 mm×140 mm)為一體化預制，采用一板雙凸臺結構。

(3)自密實混凝土層

在軌道板與高架橋面間灌注自密實混凝土層(鋼筋混凝土結構)，寬2 800 mm，長度與軌道板分塊長度一致。厚度以軌道板與橋面之間填充密實為準，可同時起到底座與調整層的作用。在設計軌道結構高度為600 mm時，該層的基準厚度為152 mm。

圖1 高架橋上預制板式無砟軌道橫斷面(單位：mm)

2.2 結構特點

(1)預制軌道板采用2+2雙層雙向先張預應力體系結構，受力合理、強度高，可有效防止軌道板表面開裂，同時可減少軌道板配筋量。

(2)在每塊軌道板底部一體化預制2個限位凸臺，形成新型限位結構，相較于傳統側向限位、端部限位以及Ⅲ型板門型筋結構，可有效限制軌道板由于列車運動和其他因素引起的縱、橫向位移。

(3)通過調整自密實混凝土層厚度，可在一定限度內應對高架橋施工誤差乃至橋梁沉降引起的各類特殊工況，適應性強。

(4)取消了傳統意義的混凝土底座，降低了軌道結構高度，減小了橋梁二期恒載，具有更好的適應性[10]。

(5)自密實底座寬于軌道板，有利于軌道板下自密實混凝土的充分流動，以確保灌注密實性；同時，寬出部分可設置3%的排水橫坡，確保軌道板下無積水。

3 車輛—預制板式軌道—高架橋動力模型的建立

參考國鐵無砟軌道設計方法[11-12]，基于車輛—軌道動力學耦合理論[13]，建立車輛—預制板式軌道—高架橋動力空間耦合動力模型。模型包括車輛、預制板式軌道、高架橋梁、輪軌接觸以及軌道不平順5個部分。

車輛模型：采用整車剛體模型，考慮車體與轉向架沉浮、橫擺、點頭、搖頭、側滾，以及輪對的沉浮、搖頭、橫擺和側滾(共計31個自由度)。車體、轉向架、輪對之間的懸掛采用彈簧-阻尼單元模擬。車輛參數采用基于CRH6型城際動車組平臺優化設計后的市域列車參數。

預制板式軌道模型：鋼軌、預制軌道板和自密實層均采用實體單元模擬。鋼軌、軌道板、自密實層的材料屬性見表1。扣件型號為WJ-8B，靜剛度為30 kN/mm，動靜比取1.4，采用彈簧-阻尼單元模擬。為避免邊界反射引起的計算誤差，模型長度取為108 m(20塊軌道板長度)。

表1 軌道各部件材料設計參數

輪軌間接觸遵循Hertz非線性接觸理論，選取適用于時速144 km及以上客運線路的美國六級譜作為軌道不平順激勵并施加于鋼軌表面。建立車輛—預制板式軌道—高架橋動力空間耦合動力模型(如圖2所示)。

圖2 車輛-軌道耦合動力分析模型

4 高架預制板整體道床動力特性評估

取列車運行速度為160 km/h，部分車輛及預制板式軌道結構的動力學響應時程曲線如圖3～圖8所示。

圖3 鋼軌垂向位移時程

圖4 鋼軌垂向加速度時程

圖5 預制板垂向位移時程

圖6 預制板垂向加速度時程

圖7 鋼軌動彎應力時程

圖8 預制板縱向應力時程

由圖3～圖8可以看出，在動態過車狀態下，各動力學指標隨時間呈規律性變化，其最大值統計如表2。以文獻[14]、[15]、[16]中對車輛和軌道結構動態響應的限值要求為標準，對高架預制板整體道床動力響應進行評定。

表2 高架預制板整體道床動力響應匯總

由表2可知，當列車以最高設計速度160 km/h通過時，高架橋上預制板整體道床結構各動力學指標最大值均位于安全限值之內，且安全余量較大，軌道結構強度與穩定性、行車的平穩性和安全性均處于安全狀態，滿足規范要求。

5 結束語

以北京新機場線為工程背景，提出了一種具有新型限位結構的裝配式雙向先張預應力軌道板整體道床結構。為降低橋梁二期恒載，取消了傳統預制板結構中的底座設計，在軌道板與高架橋面間直接以自密實混凝土填充，可同時起到底座與調整層的作用，軌道結構高度可降低至600 mm。三維空間有限元分析表明，高架預制板整體道床各項動力特性評價指標均滿足規范限值，并且安全余量較大，該高架預制板整體道床安全可靠，可適用于時速160 km的軌道交通線路。