客運(yùn)專線無碴軌道設(shè)計(jì)理論與方法研究.pdf

1、隨著我國(guó)客運(yùn)專線的大量興建，無碴軌道得到了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，但各型無碴軌道的設(shè)計(jì)不盡相同，沒有形成統(tǒng)一的無碴軌道設(shè)計(jì)理論。本文在吸收國(guó)內(nèi)外無碴軌道及相關(guān)工程研究成果的基礎(chǔ)上，通過理論與試驗(yàn)研究，初步建立了統(tǒng)一的無碴軌道設(shè)計(jì)理論，并成功應(yīng)用于遂渝線無碴軌道綜合試驗(yàn)段、武廣客運(yùn)專線無碴軌道試驗(yàn)段及250km/h雙塊式軌道、板式軌道設(shè)計(jì)參考圖的設(shè)計(jì)中。本文的主要研究工作和結(jié)論分為以下幾個(gè)方面： （1）發(fā)展了無碴軌道列車荷載應(yīng)力計(jì)算方

2、法 針對(duì)無碴軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立彈性地基上的梁板模型計(jì)算列車荷載應(yīng)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(shí)現(xiàn)。素混凝土或水硬性支承層宜采用折減彈性模量進(jìn)行計(jì)算，以反映開裂對(duì)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(qiáng)、裂縫間距越密，開裂后的彈性模量折減程度越高。對(duì)不同計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果和遂渝線實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算模型和參數(shù)的正確性。

3、 應(yīng)用模型對(duì)板式軌道、雙塊式軌道進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果表明：軌道板、底座板厚度對(duì)板式軌道承載層荷載應(yīng)力影響較大，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)著重在降低軌道板厚度、增加底座板厚度方面進(jìn)行；底座板寬度宜按照45°荷載擴(kuò)散角確定；盡量延長(zhǎng)底座板長(zhǎng)度，并在端部設(shè)置傳力桿，以改善基床的受力條件；雙塊式軌道中結(jié)合式雙層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較分離式雙層結(jié)構(gòu)低，在滿足雙塊式軌枕埋置寬度的基礎(chǔ)上應(yīng)采用較窄的道床板寬度。 （2）建立了無碴軌道溫度應(yīng)力計(jì)算方法

4、 根據(jù)連續(xù)式無碴軌道的裂縫發(fā)展特點(diǎn)，推導(dǎo)了連續(xù)式無碴軌道的溫度應(yīng)力、裂縫間距和裂縫寬度的計(jì)算公式，并進(jìn)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(yīng)將裂縫控制為不穩(wěn)定裂縫型式。此時(shí)鋼筋最大應(yīng)力由混凝土抗拉強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度、混凝土抗拉強(qiáng)度以及配筋率有關(guān)，均與降溫幅度無關(guān)。采用C40混凝土?xí)r，為滿足0．5mm的裂縫寬度要求，配筋率應(yīng)達(dá)到0．73％以上，鋼筋直徑宜在18～25mm間選

5、擇。采用高標(biāo)號(hào)混凝土道床板、低標(biāo)號(hào)混凝土支承層以及滑模施工或涂層鋼筋時(shí)，應(yīng)對(duì)應(yīng)提高道床板配筋率。 綜合考慮國(guó)外無碴軌道、路面工程溫度梯度取值以及遂渝線實(shí)測(cè)無碴軌道溫度場(chǎng)，提出了我國(guó)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(yīng)力，得出無碴軌道翹曲應(yīng)力可按無限大板進(jìn)行計(jì)算的結(jié)論。 （3）研究了基礎(chǔ)變形對(duì)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(shè)為正弦和半

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

7、梁端位移對(duì)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(shí)，需在梁端部位加強(qiáng)無碴軌道與橋梁的聯(lián)結(jié)。 （4）初步建立了我國(guó)無碴軌道設(shè)計(jì)理論與方法 將無碴軌道設(shè)計(jì)分為功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分。功能設(shè)計(jì)主要用于確定軌道的結(jié)構(gòu)組成和施工方法等，使之滿足高穩(wěn)定和高平順要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則主要根據(jù)列車荷載、溫度變化及基礎(chǔ)變形及其共同作用確定承載層結(jié)構(gòu)配筋等，使之滿足強(qiáng)度與耐久性要求。 在對(duì)國(guó)內(nèi)外無碴軌道總結(jié)分類的基

8、礎(chǔ)上，對(duì)無碴軌道及主要部件進(jìn)行了功能分析，提出功能設(shè)計(jì)的概念以保證無碴軌道的高平順和高穩(wěn)定性。對(duì)于使用壽命要求60年的無碴軌道結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證在荷載作用下結(jié)構(gòu)始終處于彈性工作階段，宜采用以容許應(yīng)力法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下可能會(huì)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(jié)構(gòu)系數(shù)以反映此影響。以雙塊式軌道為例進(jìn)行了路基和橋梁上單元式、連續(xù)式無碴軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算例表明，對(duì)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(yàn)?zāi)M模型，對(duì)無碴軌道動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)價(jià) 以彈性地基上梁板模型為基礎(chǔ)，建立了無碴軌道落軸試驗(yàn)?zāi)M模型，對(duì)板式軌道動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明扣件剛度對(duì)各部件加速度影響顯著，為降低系統(tǒng)的振動(dòng)水平，應(yīng)采用較低的扣件剛度。CA砂漿彈性模量對(duì)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