新加坡地鐵預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計(jì)研究★

曾華亮

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

新加坡地鐵C850E項(xiàng)目為新加坡地鐵環(huán)線延長線(CCL6)和東北線延長線(NELe)軌道系統(tǒng)工程,正線及車場線均采用長軌枕埋入式整體道床,工程建設(shè)執(zhí)行歐洲規(guī)范。混凝土長軌枕自重和剛度大、軌道幾何形位保持能力強(qiáng),有利于提高軌道的平順性、穩(wěn)定性和耐久性,在我國鐵路和城市軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國自1956年研制出預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕[1]以來,在理論研究[2-3]和工程應(yīng)用[4-6]等方面均有較大的發(fā)展,其中中國鐵道科學(xué)研究院[7]在總結(jié)前期研究成果基礎(chǔ)上編制的《預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計(jì)方法》,成為國內(nèi)混凝土軌枕設(shè)計(jì)中廣泛采用的行業(yè)參考方法。近年來,隨著我國海外鐵路項(xiàng)目的不斷拓展,基于國外規(guī)范的軌枕設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也在不斷豐富,如田春香[8]以阿根廷鐵路工程項(xiàng)目為背景,基于美國相關(guān)規(guī)范開展了1 667 mm寬軌距軌枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究;林紅松等[9]針對(duì)委內(nèi)瑞拉北部客貨共線鐵路項(xiàng)目有砟軌道軌枕進(jìn)行了選型研究;王慶昌[10]對(duì)安哥拉鐵路1 067 mm PC軌枕設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究;尤瑞林等[11-12]對(duì)國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕荷載彎矩計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)度檢驗(yàn)、材料及制造工藝等進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比研究。

目前,我國鐵路和城市軌道交通用軌枕已形成系列化產(chǎn)品,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖和技術(shù)體系也日益完善,在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中,一般可根據(jù)運(yùn)營條件和軌道結(jié)構(gòu)類型直接選用符合設(shè)計(jì)要求的軌枕型號(hào)。但在新加坡地鐵項(xiàng)目中,業(yè)主要求依據(jù)歐洲規(guī)范和項(xiàng)目技術(shù)文件相關(guān)要求開展軌枕專項(xiàng)設(shè)計(jì)研究。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)

軌距:1 435 mm；軌底坡:1∶40；最大軸重:160 kN；設(shè)計(jì)速度:90 km/h;鋼軌類型:符合歐標(biāo)的60E1鋼軌;扣件類型:潘得路(PANDROL)雙層彈條扣件,扣件節(jié)點(diǎn)間距正線為700 mm,車場線為1 000 mm;軌道結(jié)構(gòu)類型:地下線整體道床,跨區(qū)間無縫線路。

3 軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主要設(shè)計(jì)原則

根據(jù)本項(xiàng)目運(yùn)營環(huán)境、接口設(shè)計(jì)相關(guān)要求確定以下設(shè)計(jì)原則:

1)軌枕外形尺寸在滿足承載力的條件下,應(yīng)盡量減少自重,便于軌枕制造和運(yùn)輸,節(jié)省工程投資。

2)軌枕設(shè)計(jì)應(yīng)考慮扣件安裝要求。本工程正線扣件為潘得路雙層彈條扣件,扣件與軌枕采用預(yù)埋鐵座連接,軌枕承軌面設(shè)置1∶40軌底坡。鐵座預(yù)埋位置和公差應(yīng)匹配扣件安裝,并滿足軌道鋪設(shè)精度要求。

3)軌枕設(shè)計(jì)應(yīng)考慮混凝土道床澆筑后軌道結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性,采取措施加強(qiáng)軌枕和道床板連接,避免軌枕和道床板新老混凝土結(jié)合面產(chǎn)生裂縫。

4)軌枕建筑材料執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)和新加坡陸路交通管理局有關(guān)要求。

3.2 軌枕外形尺寸

軌枕采用預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕,軌枕長度2 360 mm,承軌面設(shè)置1∶40軌底坡,軌枕橫截面為梯形結(jié)構(gòu)。為加強(qiáng)軌枕和道床板連接,同時(shí)滿足道床板配筋設(shè)計(jì)要求,軌枕設(shè)置7個(gè)內(nèi)徑為50 mm縱向貫通孔。軌枕外形尺寸詳見圖1，圖2。

軌枕各部尺寸偏差和表觀質(zhì)量詳見表1。

表1 軌枕各部尺寸偏差

3.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

軌枕混凝土等級(jí)應(yīng)滿足歐洲規(guī)范《鐵路應(yīng)用-軌道-混凝土軌枕和岔枕 第1部分 一般要求》(EN13230-1)的規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度在28 d時(shí)應(yīng)不小于55 MPa。歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN1992-1-1中混凝土強(qiáng)度分級(jí)以圓柱體試件強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn),型號(hào)為CX/Y,而我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中混凝土強(qiáng)度分級(jí)以立方體試件強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn),型號(hào)為CY,新加坡本國的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范混凝土型號(hào)為GY/Z。其中X為圓柱體試件強(qiáng)度,Y為立方體試件強(qiáng)度,Z為混凝土中骨料顆粒最大粒徑,鑒于新加坡管理部門未對(duì)骨料顆粒粒徑作出明確要求,且考慮經(jīng)濟(jì)性,最終選取強(qiáng)度等級(jí)為C50/60。

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋

預(yù)應(yīng)力鋼材規(guī)范EN10138提供3大類預(yù)應(yīng)力筋,分別為刻痕鋼絲、鋼絲絞線和鋼棒。根據(jù)新加坡陸路交通管理局相關(guān)技術(shù)文件要求,軌枕中預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)至少為7根刻痕鋼絲捻制的鋼絞線。

參考新加坡既有線預(yù)應(yīng)力軌枕,選取預(yù)應(yīng)力筋型號(hào)為Y 1860 S 7 9.6 I,即每根鋼絞線由7根刻痕鋼絲捻制而成,屈服強(qiáng)度為1 860 MPa,公稱直徑為9.6 mm,截面面積為55 mm2。

3.5 軌枕截面參數(shù)

如圖2所示,每根軌枕設(shè)置8根預(yù)應(yīng)力鋼筋,下層預(yù)應(yīng)力鋼筋間距60 mm,上層間距結(jié)合預(yù)埋鐵座位置進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。軌枕軌下截面和枕中截面相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總詳見表2。

表2 軌枕截面參數(shù)匯總表

4 軌枕荷載彎矩

根據(jù)歐洲規(guī)范《鐵路應(yīng)用-軌道-混凝土軌枕和岔枕 第6部分 設(shè)計(jì)》(EN13230-6)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行軌下和枕中荷載彎矩的計(jì)算。

4.1 軌枕動(dòng)態(tài)垂向荷載

軌枕動(dòng)態(tài)垂向荷載按照式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

其中,Anom為列車軸重，kN;kp為扣件系統(tǒng)彈性對(duì)荷載的衰減系數(shù);kv為速度系數(shù);kd為荷載在軌枕間的分配系數(shù);kr為支承條件修正系數(shù)。

相關(guān)參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果如下:

4.2 軌枕彎矩

軌枕彎矩分別計(jì)算軌下和枕中彎矩,相關(guān)參數(shù)按軌枕長度2.36 m,鋪設(shè)間距1 000 mm對(duì)應(yīng)參數(shù)取值。計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果如下:

1)軌下正彎矩：

2)軌下負(fù)彎矩：

Mk,r,neg=-0.7×Mk,r,pos=-4.78 kN·m。

3)跨中負(fù)彎矩:

4)跨中正彎矩:

Mk,c,pos=|0.7×Mk,c,neg|=5.29 kN·m。

5 預(yù)應(yīng)力軌枕承載能力檢算

5.1 檢算方法

根據(jù)歐洲規(guī)范《鐵路應(yīng)用-軌道-混凝土軌枕和岔枕 第6部分 設(shè)計(jì)》(EN13230-6)的相關(guān)規(guī)定,軌枕在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi),由荷載彎矩和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σct,max不得超過疲勞荷載下混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度fct,ft,fat,公式表述如下:

(2)

其中,Np為有效預(yù)應(yīng)力,kN;Mk為列車荷載下軌枕彎矩,kN·m;ep為預(yù)應(yīng)力偏心距,mm;A為軌枕截面面積,mm2;W為軌枕抗彎截面模量,mm3。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50/60時(shí),混凝土抗拉強(qiáng)度允許值取3.0 MPa,抗壓強(qiáng)度允許值為22.5 MPa。

5.2 預(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN1992-1-1,考慮4種預(yù)應(yīng)力損失情況,分別為混凝土彈性收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失(瞬時(shí))、混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失、混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失以及預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失,具體參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

5.3 軌枕承載力檢算

預(yù)應(yīng)力軌枕服役期間,主要承受列車垂向荷載和預(yù)應(yīng)力荷載。根據(jù)歐洲規(guī)范《鐵路應(yīng)用-軌道-混凝土軌枕和岔枕 第1部分 一般要求》 (EN13230-1)第6.1.3節(jié)相關(guān)要求,預(yù)應(yīng)力和偏心距需考慮一定的容差,檢算按預(yù)應(yīng)力上浮5%,偏心距為±3 mm的不利條件考慮,檢算結(jié)果詳見表4,表5。由表4，表5可知,軌枕軌下斷面處無拉應(yīng)力出現(xiàn),壓應(yīng)力值均小于容許值22.5 MPa,枕中斷面處拉應(yīng)力均小于容許值3.0 MPa,壓應(yīng)力值均小于容許值為22.5 MPa。

表4 軌枕截面檢算匯總表(一)

表5 軌枕截面檢算匯總表(二)

6 試驗(yàn)及測試

軌枕規(guī)模化生產(chǎn)前開展了軌枕靜載、動(dòng)載和疲勞彎曲的試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場情況如圖3所示,相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告作為軌枕技術(shù)規(guī)格書的重要證明文件。試驗(yàn)中所采用的設(shè)備、試驗(yàn)方法、加載值、試驗(yàn)程序和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等均執(zhí)行歐洲規(guī)范《鐵路應(yīng)用-軌道-混凝土軌枕和岔枕》(EN13230)的相關(guān)規(guī)定。

7 結(jié)語

相比國內(nèi)城市軌道交通設(shè)計(jì)項(xiàng)目,國外項(xiàng)目在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法及技術(shù)要求等方面均有較大差異,給設(shè)計(jì)工作帶來挑戰(zhàn)。本文以新加坡地鐵項(xiàng)目為背景,全面介紹了預(yù)應(yīng)力長軌枕設(shè)計(jì)研究過程,重點(diǎn)闡述了基于歐洲規(guī)范的預(yù)應(yīng)力長軌枕力學(xué)計(jì)算方法,列舉了主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果,對(duì)國外類似項(xiàng)目長軌枕設(shè)計(jì)具有重要的借鑒和參考價(jià)值。