現代有軌電車H型預制軌道板的性能研究與應用*

房 斌 段海濱 張宏亮 吳建忠 傅依萱

(1.青島地鐵集團有限公司,266045,青島; 2.北京城建設計發展集團股份有限公司,100037,北京∥第一作者,高級工程師)

目前,我國有軌電車工程大多采用現澆混凝土整體道床結構[1],存在施工速度低的問題。部分項目曾做過鋪設預制道床的嘗試[2],但均未充分考慮有軌電車的施工速度快及綠化程度高等特點。對此,H型預制軌道板應運而生,兼顧了施工速度和綠化的要求。本文主要對H型預制軌道板的性能進行驗算和試驗,并對其工程應用進行了介紹。

1 H型預制軌道板的型式尺寸

H型預制軌道板的型式如圖1所示。

圖1 H型預制軌道板效果圖

針對有軌電車曲線半徑較小的特點,H型預制軌道板有兩種板型:Ⅰ型板適用于直線段及半徑≥400 m的曲線段,尺寸為3 750 mm(長)×2 200 mm(寬)×180 mm(厚);Ⅱ型板適用于半徑<400 m的曲線段,尺寸為2 450 mm(長)×2 200 mm(寬)×180 mm(厚)。兩種板型的縱梁寬度均為580 mm,橫梁寬度均為820 mm。

2 H型預制軌道板的建模分析

H型預制軌道板在路基段、橋梁段及隧道段均可應用。從使用條件上看,橋梁段與隧道段的軌道下部基礎相對較好,而路基段軌道板受力條件不佳?？紤]到 Ⅰ 型板較長,故本文以路基段的 Ⅰ 型板作為最不利條件,根據《鐵路軌道設計規范(極限狀態法)》[3]中的荷載組合方式,對H型預制軌道板結構進行建模和性能研究。

有軌電車的鋼軌為59R2槽型軌[2]。與H型預制軌道板配套的扣件豎向剛度為35 kN/mm,橫向剛度為50 kN/mm。軌道板采用鋼筋混凝土,混凝土強度等級為C50,C50混凝土泊松比取0.2,密度為2 500 kg/m3,線膨脹系數為1×10-5℃-1,C50混凝土彈性模量為3.45×1010Pa。

2.1 主要荷載

H型預制軌道板所受荷載主要有列車荷載、溫度梯度荷載及路基不均勻沉降導致的荷載。

2.1.1 列車荷載

由文獻[4],列車最高運行速度為70 km/h,軸重為12.5 t。由文獻[3]:垂向設計荷載Pd取靜輪重Pj的1.5倍,即Pd=92 kN;橫向荷載Qk取靜荷載的0.8倍,即Qk=49 kN。

按轉向架荷載P施加位置有3種加載工況:工況1(跨板加載)、工況2(板端加載)和工況3(板中加載)。列車荷載的加載工況如圖2所示。

a) 工況1

2.1.2 溫度梯度荷載

H型預制軌道板系統為單元式軌道板,需考慮溫度梯度的影響。溫度梯度的厚度修正系數按表1取值[3]。

表1 溫度梯度修正系數

Ⅰ型板的厚度為180 mm,修正系數按表1取1.11。考慮到寒冷地區溫差較大,故軌道板最大正溫度梯度取99.9 ℃/m,最大負溫度梯度取55.5 ℃/m。

2.1.3 路基不均勻沉降導致的荷載

路基不均勻沉降導致的荷載,以有軌電車最常見的路基為對象進行計算分析。其中,路基不均勻沉降按文獻[3]的無砟軌道線下基礎不均勻沉降最大值取值(路基不均勻沉降的形狀為沉降幅值限值為15 mm、沉降長度為20 m的半波余弦曲面)。

2.2 有限元模型

采用ANSYS有限元軟件建立軌道系統的有限元模型。其中,軌道板采用彈性地基上的板殼模擬,鋼軌采用梁單元模擬,扣件和路基采用彈簧單元模擬,軌道板采用殼單元模擬。有限元模型共包括3塊軌道板,并通過中間板的計算數據來消除邊界效應。Ⅰ型板的梁板有限元模型如圖3所示。

圖3 I型板的梁板有限元模型

2.3 荷載工況分析及組合

2.3.1 基礎變形

由仿真計算結果可知,板端加載(工況2)下縱梁彎矩最大,為12.61 kNm,跨板加載(工況1)下負彎矩最大,為-3.88 kNm;H型預制軌道板的橫梁彎矩較小,在2.00 kNm以下。3種工況下的軌道板彎矩云圖如圖4所示。

a) 工況1縱梁彎矩

2.3.2 溫度梯度荷載下軌道受力分析

在溫度梯度荷載下縱橫梁的彎矩云圖如圖5所示。軌道板彎矩以受壓為正,受拉為負。由圖5可知:在正溫度梯度下軌道板中部發生上拱變形,在負溫度梯度下軌道板中間下凹,板角均翹曲變形;在溫度梯度荷載作用下,軌道板彎矩在縱梁和橫梁的連接處受彎相對較大,說明結構的連接處需要加強;溫度梯度荷載縱梁最大正彎矩為14.13 kNm,最大負彎矩為-10.35 kNm;橫梁最大正彎矩為3.64 kNm,最大負彎矩為-1.60 kNm。

a) 正溫度梯度縱梁彎矩

2.3.3 路基不均勻沉降影響

路基不均勻沉降按文獻[3]取值后計算可得,在路基不均勻沉降作用下的H型預制軌道板彎矩為7.2 kNm。

2.3.4 橫向荷載效應

列車橫向荷載作用下的橫梁彎矩Mh為:

Mh=0.3Qh

(1)

式中:

h——道床頂面到軌面距離,單位m;

Q——列車橫向荷載,單位kN。

按照一組扣件的間距計算可得,Mh=0.46 kNm。

2.3.5 荷載組合

在承載能力極限狀態荷載組合中,H型預制軌道板縱梁彎矩的組合值為26.88 kNm,橫梁彎矩組合值為7.78 kNm。此為H型預制板承載力配筋檢算的依據[3]。

在正常使用極限狀態荷載組合中,H型預制軌道板縱梁橫截面彎矩的標準組合值為19.68 kNm。橫梁的縱截面彎矩標準組合值為2.43 kNm。此為H型預制軌道板截面裂縫檢算的依據[3]。

2.3.6 軌道板結構驗算

H型預制軌道板縱梁和橫梁的配筋分別如圖6及圖7所示。

注:12鋼筋指直徑為12 mm的三級鋼筋。

圖7 軌道板橫梁配筋示意圖

對H型預制軌道板的縱梁和橫梁進行承載能力極限狀態及正常使用極限狀態結構驗算。H型預制軌道板的結構驗算結果如表2所示。

表2 H型預制軌道板結構驗算結果

結構驗算結果表明,H型預制軌道板各項指標均滿足要求。

3 力學性能的試驗驗證

對H型預制軌道板進行靜載試驗及疲勞試驗,以驗證其力學性能是否滿足工程使用要求。

3.1 靜載試驗

靜載試驗包括縱梁加載試驗和橫梁加載試驗。加載試驗如圖8所示。

a) 縱梁加載試驗

1) 縱梁加載試驗。荷載逐級加載,試驗荷載為45 kN。先對軌道板進行預加載;試驗荷載達到45 kN時,靜停3 min后,使用放大鏡和照明設備觀察有無裂縫;之后卸載,并在卸載后再次對裂縫進行觀察。

2) 橫梁加載試驗。荷載逐級加載,試驗荷載終值為20 kN。試驗荷載達到20 kN時,靜停3 min后,使用放大鏡和照明設備觀察有無裂縫;之后卸載,并在卸載后再次對裂縫進行觀察。

根據加載試驗結果,H型預制軌道板的靜載試驗最大裂紋寬度為0.14 mm,出現在縱梁位置。

3.2 疲勞試驗

疲勞試驗分為軌道板縱梁疲勞試驗和橫梁疲勞試驗,主要用于評估H型預制軌道板的耐久性。

1) 軌道板縱梁疲勞試驗。疲勞加載的最大荷載為45.0 kN,最小荷載為4.5 kN,加載頻率為4 Hz,循環加載次數為300萬次。

2) 軌道板橫梁疲勞試驗。疲勞加載的最大荷載為20.0 kN,最小荷載為2.0 kN,加載頻率為4 Hz,循環加載次數為300萬次。

疲勞試驗結果表明,最大裂紋寬度為0.14 mm,在縱梁出現。裂紋寬度的試驗值與有限元計算結果吻合。

4 工程應用

H型預制軌道板在某市有軌電車工程中得到應用。H型預制軌道板應用現場的照片見圖9。其中,H型預制軌道板軌道結構自上而下依次為槽型軌、YG-4型配套扣件、承軌臺、H型預制軌道板、細石混凝土調整層和路基。

a) 施工現場

總結實踐應用經驗可發現,H型預制軌道板有如下優點:

1) H型預制軌道板體量輕,便于現場施工組織。根據工程實際數據,H型預制軌道板的施工速度為100 m/d,而現澆混凝土整體道床的施工速度僅為50～60 m/d。

2) H型預制軌道板縱梁中間部分的覆土厚度較大,有利于綠植的成活,如圖10所示。與現澆混凝土整體道床相比,覆土厚度較大部分的面積多了33%。這部分覆土厚度為327 mm,而現澆混凝土整體道床的覆土厚度僅為217 mm,覆土厚度差別較大。此外,H型預制軌道板的中部挖空還減少了預制板用料,減輕了板重。

a) 覆土厚度增加部分

3) 現澆混凝土整體道床一般采用中部向兩側散排方式排水,效率較低。H型預制軌道板在兩縱梁中部鏤空部分設置縱向排水坡,有效增加了匯水面積。現澆混凝土整體道床及H型預制軌道板道床排水路徑如圖11所示。

a) 現澆混凝土整體道床

4) 對分別采用現澆混凝土整體道床與H型預制軌道板道床的不同項目施工情況進行統計,并對比現澆整體道床與H型預制軌道板道床的施工精度見表3。從對比結果來看,H型預制軌道板的施工精度更高,施工質量優于普通混凝土整體道床。

表3 現澆整體道床與H型預制軌道板道床的施工精度對比表

5 結語

結合現代有軌電車的工程特點,提出了H型預制軌道板的設計,通過建模分析和室內測試驗證了其優良的力學性能。并對H型預制軌道板在有軌電車工程中的應用情況進行總結。主要有以下結論:

1) 基于不同荷載組合對H型預制軌道板受力的影響,進行結構配筋及裂縫驗算的結果表明,H型預制軌道板結構可滿足工程使用需求。

2) 通過室內靜載試驗和疲勞試驗,驗證了H型預制軌道板的強度及耐久性。說明H型預制軌道板能滿足在線鋪設使用的條件。

3) H型預制軌道板質量輕、制造成本低,便于運輸和鋪軌。與現澆混凝土整體道床相比,H型預

制軌道板的施工速率可提升40%～50%。

4) 在H型預制軌道板框架間及頂面覆土可進行地面綠化。與現澆混凝土整體道床相比,H型預制軌道板的覆土厚度增加了約50%,有效解決了覆土厚度不足的問題,提升了綠植的成活率,確保了景觀綠化效果。

H型預制軌道板軌道系統的成功研制對于促進我國有軌電車技術的進步、提升有軌電車施工效率及保證工程質量等方面具有重要的意義。