客運專線無碴軌道設計理論與方法研究.pdf

1、隨著我國客運專線的大量興建，無碴軌道得到了快速發(fā)展與廣泛應用，但各型無碴軌道的設計不盡相同，沒有形成統(tǒng)一的無碴軌道設計理論。本文在吸收國內(nèi)外無碴軌道及相關工程研究成果的基礎上，通過理論與試驗研究，初步建立了統(tǒng)一的無碴軌道設計理論，并成功應用于遂渝線無碴軌道綜合試驗段、武廣客運專線無碴軌道試驗段及250km/h雙塊式軌道、板式軌道設計參考圖的設計中。本文的主要研究工作和結論分為以下幾個方面： （1）發(fā)展了無碴軌道列車荷載應力計算方

2、法 針對無碴軌道的結構特點，建立彈性地基上的梁板模型計算列車荷載應力，其中鋼軌以Euler梁模擬，承載層以彈性薄板模擬，扣件、中間層及地基的彈性支承均以彈簧模擬，采用有限單元法實現(xiàn)。素混凝土或水硬性支承層宜采用折減彈性模量進行計算，以反映開裂對其抗彎剛度的影響。支承層彈性模量越高、厚度越厚、層間連接越強、裂縫間距越密，開裂后的彈性模量折減程度越高。對不同計算模型的計算結果和遂渝線實測資料進行了對比，驗證了計算模型和參數(shù)的正確性。

3、 應用模型對板式軌道、雙塊式軌道進行了參數(shù)分析，結果表明：軌道板、底座板厚度對板式軌道承載層荷載應力影響較大，結構優(yōu)化時，應著重在降低軌道板厚度、增加底座板厚度方面進行；底座板寬度宜按照45°荷載擴散角確定；盡量延長底座板長度，并在端部設置傳力桿，以改善基床的受力條件；雙塊式軌道中結合式雙層結構的應力水平較分離式雙層結構低，在滿足雙塊式軌枕埋置寬度的基礎上應采用較窄的道床板寬度。 （2）建立了無碴軌道溫度應力計算方法

4、 根據(jù)連續(xù)式無碴軌道的裂縫發(fā)展特點，推導了連續(xù)式無碴軌道的溫度應力、裂縫間距和裂縫寬度的計算公式，并進行了參數(shù)分析。為控制連續(xù)式無碴軌道的裂縫寬度在容許范圍內(nèi)應將裂縫控制為不穩(wěn)定裂縫型式。此時鋼筋最大應力由混凝土抗拉強度和配筋率控制，最大裂縫寬度則與鋼筋和混凝土之間的粘結強度、混凝土抗拉強度以及配筋率有關，均與降溫幅度無關。采用C40混凝土時，為滿足0．5mm的裂縫寬度要求，配筋率應達到0．73％以上，鋼筋直徑宜在18～25mm間選

5、擇。采用高標號混凝土道床板、低標號混凝土支承層以及滑模施工或涂層鋼筋時，應對應提高道床板配筋率。 綜合考慮國外無碴軌道、路面工程溫度梯度取值以及遂渝線實測無碴軌道溫度場，提出了我國無碴軌道溫度梯度建議值。以板式軌道為例，研究了不同約束條件和CA砂漿彈性模量情況下的軌道板翹曲應力，得出無碴軌道翹曲應力可按無限大板進行計算的結論。 （3）研究了基礎變形對無碴軌道的受力影響 將路基不均勻沉降和橋梁撓曲變形假設為正弦和半

6、波正弦曲線，利用考慮基礎變形的梁板有限元模型和簡化的剛性基礎、彈性基礎模型對比分析了無碴軌道承載層附加彎矩，研究認為對于正弦型基礎變形引起的無碴軌道附加彎矩的計算可采用剛性基礎法進行。對于剛度較大的單元式道床板，不均勻沉降限值應適當提高，以保證自重作用下不產(chǎn)生空吊。 梁端位移對無碴軌道扣件系統(tǒng)的受力影響較大，特別是錯臺高度、梁端轉(zhuǎn)角和膠墊剛度。綜合考慮列車荷載、錯臺等因素，從保護扣件受力的角度提出了不同膠墊剛度時的梁端轉(zhuǎn)角限值。

7、梁端位移對無碴軌道上抬穩(wěn)定性有一定的影響，特別是在采用大抗拔力扣件系統(tǒng)時，需在梁端部位加強無碴軌道與橋梁的聯(lián)結。 （4）初步建立了我國無碴軌道設計理論與方法 將無碴軌道設計分為功能設計與結構設計兩部分。功能設計主要用于確定軌道的結構組成和施工方法等，使之滿足高穩(wěn)定和高平順要求；結構設計則主要根據(jù)列車荷載、溫度變化及基礎變形及其共同作用確定承載層結構配筋等，使之滿足強度與耐久性要求。 在對國內(nèi)外無碴軌道總結分類的基

8、礎上，對無碴軌道及主要部件進行了功能分析，提出功能設計的概念以保證無碴軌道的高平順和高穩(wěn)定性。對于使用壽命要求60年的無碴軌道結構，應保證在荷載作用下結構始終處于彈性工作階段，宜采用以容許應力法為基礎的結構設計方法。普通鋼筋混凝土結構在荷載作用下可能會開裂，開裂之后抗彎剛度的降低將引起荷載作用下彎矩的改變，引入結構系數(shù)以反映此影響。以雙塊式軌道為例進行了路基和橋梁上單元式、連續(xù)式無碴軌道的結構設計。結構設計算例表明，對于單元式無碴軌道，

9、配筋受列車荷載彎矩控制，而連續(xù)式無碴軌道配筋則受降溫和混凝土收縮控制。 （5）建立了無碴軌道落軸試驗模擬模型，對無碴軌道動力特性進行評價 以彈性地基上梁板模型為基礎，建立了無碴軌道落軸試驗模擬模型，對板式軌道動力特性進行了研究，結果表明扣件剛度對各部件加速度影響顯著，為降低系統(tǒng)的振動水平，應采用較低的扣件剛度。CA砂漿彈性模量對軌道板和底座板加速度影響較大，底座板加速度明顯低于雙塊式軌道支承層，且頻率較低，說明CA砂漿具