新型市域快線裝配式無砟軌道結構設計

陳 帥

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010)

目前，中心城市正逐漸向外拓展，外圍組團、新城或新交通樞紐的建立，導致城市軌道交通線路由市區逐漸向外圍拓展和延伸，兼具高速度等級和高密度服務的市域快線應運而生[1-3]。廣州市軌道交通18號線是一條設計速度160 km/h的市域快線，具有速度快、軸重大、公交化運營等特點，以往設計經驗難以照搬，需結合其工程特點開展軌道結構設計。

相較于現澆道床，裝配式無砟軌道具有施工精度高、綠色環保、可維修性好、普通地段與減振地段斷面統一等優點。已有許多學者開展裝配式無砟軌道應用，曹德志以上海12號線為工程背景，提出地鐵預制道床板合理的設計尺寸，并針對預制道床板施工工藝進行相關研究[4]；劉偉斌等結合我國高速鐵路板式軌道實踐經驗，提出一種適用于地鐵運營條件的新型板式軌道結構方案[5]；葉軍等提出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，并對結構進行動力學特性分析[6]；劉雪峰等優化預制鋼彈簧浮置板結構，并對優化后的結構進行場內試制試驗[7]；鄭強在CRTSⅢ型板式無砟軌道的基礎上研發適用于城市軌道交通的預制板式軌道，并在制造工藝及施工工藝等方面進行研究[8]。

以下針對廣州市軌道交通18號線工程特點，提出一種新型裝配式無砟軌道結構，綜合考慮裝配式無砟軌道結構的功能、制造、運輸、施工和服役狀態，采用極限狀態法進行結構設計。

1 總體結構設計

1.1 結構組成

新型裝配式無砟軌道由鋼軌、扣件、預制道床板、土工布/減振墊隔離層、限位凸臺、自密實混凝土、混凝土底座等部分組成，見圖1。

圖1 新型裝配式無砟軌道結構組成

1.2 設計理念

在確保結構安全可靠前提下，結合裝配式無砟軌道結構的功能、施工、服役狀態進行總體結構設計，設計理念如下[9-10]。

(1)結構分層，便于養護維修

新型裝配式無砟軌道結構分為預制道床板、自密實混凝土、混凝土底座3層，預制道床板采用C60混凝土，自密實混凝土采用C40，鋼筋混凝土采用C35，剛度逐層遞變。根據減振需求，在預制道床板和自密實混凝土層間設置土工布或減振墊作為隔離層，便于特殊情況下的養護維修。

(2)一次澆筑，優化施工步驟

每塊預制道床板預留2個限位孔，將自密實混凝土從中間灌注孔灌入后，在限位孔里自然形成限位凸臺，實現上部結構的限位。相較于CRTSⅢ型板式無砟軌道，解決了下凹限位結構施工質量難以保證的難點，使限位凸臺和調整層可一次澆筑完成。

(3)結構穩定，受力明確

新型裝配式無砟軌道作為分層結構，各結構層協同受力，共同承受并傳遞所有荷載，抵抗下部基礎的不良變形，以保證軌道結構的穩定性。

1.3 主要部件分析

(1)預制道床板

預制道床板作為軌道結構主要承載層，承受并傳遞上部荷載，同時為扣件系統提供穩定的支承平臺，故預制道床板應具有較高的承載力和耐久性。

(2)土工布/減振墊

土工布/減振墊為軌道結構提供一定的彈性支承，達到減振降噪的目的；同時，協調道床板和自密實混凝土間的變形差異，以達到道床板和自密實混凝土之間的緩沖受力和均勻受力。

(3)自密實混凝土調整層

新型裝配式無砟軌道結構采用自上而下的施工順序，自密實混凝土作為預制道床板與底座板之間的調整層，不僅起著保證軌道結構空間位置的作用，還要承受軌道結構部分縱向和橫向彎矩。

(4)鋼筋混凝土底座

底座是新型裝配式無砟軌道結構的基礎，其主要功能是承受上部荷載，抵抗下部基礎變形，保證軌道結構穩定。

(5)限位凸臺

限位凸臺是水平力的主要傳力部件，其主要功能是約束預制道床板的縱橫向位移，傳遞軌道結構的縱橫向力。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

預制道床板與自密實混凝土層通過土工布/減振墊隔離；自密實混凝土與鋼筋混凝土底座通過門形鋼筋粘結，可將其視為結合板結構[11]。根據高架減振墊軌道結構，采用彈性地基梁板理論建立計算模型(見圖2)。鋼軌采用梁單元模擬，扣件、減振墊、下部彈性基礎采用彈簧單元模擬，預制道床板、自密實混凝土與底座結合板采用板殼單元模擬。

圖2 計算模型

2.2 基本參數

采用CHN60型鋼軌、SFC扣件，預制道床板尺寸為3.5 m×2.4 m×0.29 m，自密實混凝土厚0.09 m，鋼筋混凝土底座厚度根據限界要求取值(取0.2 m)。新型裝配式無砟軌道結構基本參數見表1。

表1 基本參數

2.3 荷載參數

(1)列車荷載

根據Q/CR 9130—2018《鐵路軌道設計規范(極限狀態法)》相關規定[12]，列車豎向荷載標準值取2倍靜輪重，列車橫向荷載標準值取為0.8倍靜輪重。廣州18號線采用市域D型車，軸重17 t，采取單軸雙輪的加載方式，加載位置為板中。

(2)溫度梯度

板厚220 mm時，最大正溫度梯度取90 ℃/m；最大負溫度梯度取-45 ℃/m[13-15]，預制道床板厚290 mm，根據線性內插法，修正系數取0.815。

(3)基礎變形

路基不均勻沉降按15 mm/20 m半波余弦曲線取值；橋梁翹曲變形按半波余弦曲線取值，梁端轉角取σmax=L/1 600。

3 預制道床板配筋設計

3.1 列車荷載效應

(1)列車豎向荷載

采用彈性地基梁板模型，計算列車豎向荷載作用下預制道床板的縱向彎矩和橫向彎矩，計算結果見表2。

表2 列車豎向荷載效應 kN·m/m

(2)列車橫向荷載

列車橫向荷載效應可按式(1)計算，有

Mh=0.3Q·h

(1)

式中，Mh為列車橫向荷載產生的彎矩；h為道床頂面至軌面距離；Q為列車橫向荷載標準值。

經計算，列車橫向荷載產生的單位寬度彎矩為1.69 kN·m/m。

3.2 溫度梯度作用效應

溫度梯度作用效應可按式(2)計算，有

(2)

式中，Mt為預制道床板溫度梯度作用彎矩；W為彎曲截面系數；αt為混凝土線膨脹系數，取1×10-5/℃；γ為混凝土泊松比0.2；ΔT為溫度梯度取值；Ec為預制道床板混凝土的彈性模量。

經計算，溫度梯度作用效應見表3。

表3 溫度梯度作用效應 kN·m/m

3.3 基礎變形作用效應

基礎變形作用效應可按式(3)計算，有

Mnq=EIκ

(3)

式中，Mnq為預制道床板基礎變形作用彎矩；EI為預制道床板抗彎剛度；κ為下部基礎變形曲線曲率。

橋梁撓曲最大變形曲線曲率為1.926×10-4，則橋梁撓曲變形引起的預制道床板縱向正彎矩為14.63 kN·m/m。

3.4 荷載組合

預制道床板的承載能力極限狀態，應取基本組合和偶然組合中最不利者，對構件正截面承載能力進行設計，普通鋼筋混凝土預制道床板的正常使用極限狀態應取標準組合進行截面裂縫寬度的驗算[16]，荷載組合方式見表4。

表4 荷載組合方式

將列車荷載彎矩標準值Mdk、溫度梯度作用彎矩標準值Mtdk、橋梁撓曲變形作用彎矩標準值Mnqk按表4進行組合，得到預制道床板設計荷載組合(見表5)。

表5 設計荷載組合 kN·m/m

3.5 設計荷載配筋設計

根據單筋矩形截面配筋設計原理[17]，按基本組合和偶然組合的最不利彎矩進行配筋，采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，抗拉強度設計值為360 MPa，C60混凝土抗壓強度設計值為27.5 MPa，抗拉強度設計值為2.04 MPa。縱橫向鋼筋均采用上下對稱布置，預制道床板單層配筋結果見表6。

由表6可知，當預制道床板縱向單層布置27根φ14 mm的HRB400鋼筋，橫向單層布置29根φ14 mm的HRB400鋼筋時，縱橫向裂縫寬度均小于0.2 mm，配筋率均大于最小配筋率(0.2%或0.45ft/fy的較大值)，符合設計規范要求。

3.6 臨時荷載配筋檢算

預制道床板作為工廠預制件，除進行服役狀態下的結構設計外，還需對制造、運輸、施工時的臨時荷載進行檢算[18]。臨時荷載效應計算結果見表7。

表7 臨時荷載效應 kN·m

由表7可知，預制道床板在制造、運輸、施工過程中的荷載效應均小于設計荷載，按設計荷載進行配筋可滿足預制道床板在制造、運輸、施工過程中的承載能力要求。

4 結論

在總結我國高速鐵路裝配式軌道實踐經驗的基礎上，結合市域快線速度快、軸重大、公交化等特點，提出一種適用于市域快線的新型裝配式無砟軌道結構方案。基于極限狀態法對高架線減振墊軌道結構的預制道床板進行配筋設計，針對配筋結果進行臨時荷載檢算，得到如下結論。

(1)新型裝配式無砟軌道結構為多層結構，由鋼軌、扣件、預制道床板、土工布/減振墊、限位凸臺、自密實混凝土、鋼筋混凝土底座各結構層組成，各結構層協同受力，共同抵抗變形。

(2)當預制道床板縱向單層布置27根φ14 mm的HRB400鋼筋，橫向單層布置29根φ14 mm的HRB400鋼筋時，縱橫向裂縫寬度均小于0.2 mm，配筋率均大于最小配筋率(0.2%或0.45ft/fy的較大值)，符合設計規范要求。

(3)預制道床板制造、運輸、施工荷載效應均應小于設計荷載效應，按設計荷載效應進行配筋計算并滿足預制道床板在制造、運輸、施工等臨時荷載作用下的強度要求。