鋼桁梁明橋面軌枕板式軌道結構設計研究

李 子 杰

(中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075)

隨著我國鐵路建設的高速發展和鋼結構橋梁技術的日益完善，大跨度鋼結構橋梁技術已廣泛應用在鐵路橋梁上。大跨度鋼橋與混凝土橋相比對軌道結構要求較高，軌道結構形式可采用木枕明橋面軌道、有砟軌道、合成樹脂枕軌道及軌枕板式軌道等，這幾種軌道結構形式各有優缺點。受橋梁變形限制，特大跨度鋼桁梁橋梁一般選擇鋪設有砟軌道，如滬蘇通長江大橋、五峰山長江大橋、銅陵長江大橋、京滬大勝關長江大橋等，其具有調整能力強、便于維修的特點，但有砟軌道自重較大，將大幅增加橋梁工程造價。鋼桁梁橋梁采用明橋面時早期一般采用木枕明橋面軌道，隨著軌道技術發展，合成樹脂枕軌道和軌枕板式軌道已成為發展方向。相較于木枕明橋面軌道和合成樹脂枕軌道，軌枕板式軌道降低了軌道結構質量，可有效減少橋梁設計荷載及用鋼量，提高了橋梁經濟性，其在大跨度鋼桁梁明橋面上鋪設具有廣闊的應用前景。

目前國內學者對大跨度鋼橋明橋面軌道結構有了一定的研究，但主要集中在軌道結構選型[1-4]、合成樹脂枕[5，6]、明橋面無縫線路[7，8]及病害整治[9，10]等方面，尚無針對軌枕板式軌道結構受力特性及配筋設計進行研究。本文以某工程(1-112 m)鋼桁梁為例，研究了一種新型明橋面軌枕板式無砟軌道，并分析了其力學特性，完成了結構設計。

1 軌道設計概況

該1-112 m鋼桁梁上軌枕板式軌道結構由50 kg/m鋼軌、MQ-2型扣件、預制軌枕板、板下混凝土墊層以及連接螺栓組成，詳見圖1。標準預制軌枕板長1 570 mm，寬度為3 200 mm，板厚度240 mm，混凝土等級C60。軌枕板的扣件縱向間距為550 mm，兩扣件之間橫向靠近板端位置預留長圓螺栓孔，詳見圖2。

軌枕板下和鋼桁梁縱梁之間設置混凝土調整墊層，墊層寬度與鋼桁梁翼緣板同寬560 mm，長度與軌道板長度保持一致1 570 mm，厚度設計為126 mm。

軌枕板和鋼桁梁連接采用10.9級M27高強螺栓，螺栓總長470 mm。軌枕板上方連接螺栓螺母下分別設置鋼墊板和絕緣緩沖墊板，螺母扭矩。

2 受力特性研究

2.1 結構特點

軌枕板為無擋肩、無凸起承軌臺、單向預應力鋼筋混凝土預制板。軌枕板通過高強螺栓直接與縱梁連接，利用板下墊層調整軌道鋪設時的幾何形位；高強度螺栓的主要作用是將軌道板緊壓在縱梁上，增大結構層間摩擦力，以此來限制軌枕板位移和變形；限位圓管焊接在縱梁上，通過彈性墊層與軌枕板連接，限制其縱橫向位移。

2.2 受力分析

根據Q/CR 9130—2018鐵路軌道設計規范(極限狀態法)，單元式結構配筋設計時需考慮列車荷載、溫度作用以及基礎變形三種設計荷載。其中列車豎向荷載效應需通過建模計算，其余荷載效應可根據公式計算。

1)列車豎向荷載效應。

根據明橋面軌枕板式無砟軌道的結構特點和受力特性，建立軌枕板式軌道梁—板靜力學模型。鋼軌采用梁單元模擬，軌枕板采用板單元模擬，扣件和板下墊層采用彈簧單元模擬，扣件垂向剛度100 kN/mm，切向剛度取60 kN/mm；板下墊層單個彈簧剛度通過彈性模量和墊層尺寸換算得到。軌道結構建模尺寸均按實際設計尺寸考慮。為消除邊界效應，模型選取5塊軌枕板進行計算并以中間軌枕板作為研究對象，詳見圖3。

在列車豎向荷載作用下，軌枕板的縱、橫向彎矩分布詳見圖4,圖5。

列車豎向荷載作用下，軌枕板彎矩匯總詳見表1。

表1 列車豎向荷載效應 kN·m/m

2)其余荷載效應。

根據Q/CR 9130—2018鐵路軌道設計規范(極限狀態法)，列車橫向荷載效應、溫度梯度作用效應、基礎變形作用效應見表2。

表2 其余荷載效應 kN·m/m

3)荷載組合。

基于承載能力極限狀態下軌枕板設計彎矩基本組合和偶然組合，可得到最不利荷載組合，詳見表3。

表3 軌枕板最不利荷載組合 kN·m/m

3 配筋設計

軌枕板置于鋼梁上，橫向為兩點支撐，受力類似于梁結構，長度方向較短，需在橫向上設置預應力筋來抵抗彎矩和控制裂紋。軌枕板橫向初步擬定布置36根φ7預應力鋼筋。

普通鋼筋參考《混凝土結構設計原理》，按照極限狀態法進行設計。普通鋼筋采用HRB400，抗拉強度設計值為360 N/mm2，彈性模量為2×105N/mm2，軌枕板混凝土等級為C60，抗壓強度設計值為27.5 N/mm2，抗拉強度設計值為2.04 N/mm2，彈性模量為3.6×104N/mm2，縱向鋼筋直徑采用φ12 mm，橫向鋼筋直徑采用φ18 mm，混凝土保護層厚度取為35 mm，擬定軌枕板中縱、橫向普通鋼筋，詳見表4。

表4 軌枕板普通鋼筋配置表

4 軌枕板式軌道配筋檢算

軌枕板為單向預應力結構。縱向上基于承載能力極限狀態和正常使用極限狀態對軌枕板承載力和裂紋寬度進行檢算；橫向上考慮布設預應力筋條件下，對預應力損失和鋼筋、混凝土應力進行檢算。

4.1 軌枕板縱向承載力及裂紋寬度檢算

1)軌枕板縱向承載力檢算。基于軌枕板縱向鋼筋的配筋方案，考慮承載能力極限狀態，進行正截面承載力計算。具體計算過程詳見表5。

表5 軌枕板縱向承載力檢算

從表5可知，軌枕板縱向配筋滿足最小配筋率要求，受壓區高度小于臨界受壓區高度，承載能力滿足要求。

2)軌枕板縱向裂紋寬度檢算。

基于軌枕板縱向鋼筋的配筋方案，考慮正常使用極限狀態，進行鋼筋應力、混凝土應力、裂縫寬度計算，荷載采用標準組合，對于鋼筋混凝土結構裂紋寬度，參考混凝土結構設計規范，保護層厚度c為30 mm時，室外環境以及室內潮濕環境條件下的裂紋寬度容許值0.2 mm，室內正常環境下的裂紋寬度容許值為0.3 mm。當保護層厚度變化時，裂紋寬度容許值按0.2(0.3)c/30進行換算，取為0.23 mm。具體計算過程見表6。

表6 軌枕板縱向裂紋寬度檢算

從表6可知，軌枕板縱向鋼筋應力、混凝土應力以及裂縫寬度均滿足要求。

4.2 軌枕板橫向預應力損失及應力檢算

軌枕板橫向布置36根φ7預應力鋼筋，預應力鋼筋采用高強螺旋肋鋼絲，彈性模量為2.05×105MPa，采用先張法施加預應力，單根控制張拉力為30 kN，控制張拉應力為1 104 MPa。軌枕板橫向預應力損失及混凝土、鋼筋應力檢算詳見表7。

表7 軌枕板橫向檢算匯總表

從表7可知，軌枕板混凝土應力、預應力筋、普通鋼筋中的應力均小于相應設計強度值，橫向預應力筋及普通鋼筋設置滿足要求。

4.3 軌枕板配筋方案

根據檢算結果，最終確定的配筋方案如表8所示。

表8 軌枕板配筋匯總表

5 結論

軌枕板式軌道配筋設計及檢算結果表明：

1)軌枕板縱向配筋42根φ12鋼筋，滿足最小配筋率要求，受壓區高度小于臨界受壓區高度，承載能力滿足要求。2)軌枕板縱向最大裂紋寬度計算值為0.21 mm，小于均裂紋寬度容許值0.23 mm。3)軌枕板橫向布置36根φ7預應力鋼筋，軌枕板混凝土應力、預應力筋、普通鋼筋中的應力均小于相應設計強度值。