兰新二线6_5m单元双块式无砟轨道适应性分析_韦有信_周.pdf

第 卷 第期 年月铁道学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者：韦有信（），男，江苏连云港人，博士研究生。：通讯作者：李成辉（），男，四川成都人，教授，博士。：文章编号：（）兰新二线 单元双块式无砟轨道适应性分析韦有信，周建，李成辉，钱小益（西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 ）摘要：鉴于单元式轨道结构对温度的良好适应能力，兰新二线路基段拟采用单元双块式无砟轨道。路基段单元双块式无砟轨道结构在西北地区的适应能力有待考验。首先通过计算不同荷载组合作用下的结构响应检算其结构性能是否满足设计要求；其次，对新型轨道进行裂缝宽度检算；最后，结合现场试验段的长期观测和试验，对 单元双块式无砟轨道的应力应变响应、裂缝发展等进行综合评价。分析发现，路基段 单元双块式无砟轨道在西北地区具有较强的适应能力，推荐兰新二线路基段采用该型结构。关键词：铁道工程；双块式无砟轨道；力学分析；裂缝；单元中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；兰新铁路第二双线（简称“兰新二线”）位于我国西北地区，冬季严寒、夏季高温、昼夜温差大、干燥少雨、风区多且风沙大是该地区的典型气候特点。鉴于双块式无砟轨道工艺简单、施工方便、经济效益好等优点，该线路拟全线铺设 型双块式无砟轨道。双块式无砟轨道传统结构路基段为纵向连续式，桥梁段为纵向单元式。由于路基段连续道床板在高温、严寒地区存在高温涨拱、低温开裂等问题，为此提出路基段单元双块式无砟轨道结构，即道床板采用单元式，板与板之间设置伸缩缝。单元双块式无砟轨道结构已在新疆达坂城试验段铺设。针对路基段 单元双块式无砟轨道结构在西北地区的适应能力，本文首先检算分析该轨道结构在列车荷载、温度梯度、基础不均匀沉降等情况下的轨道结构响应是否满足设计要求；根据计算出的结构应力，检算不同荷载组合情况下结构裂缝宽度是否超标；最后，通过现场观测和试验进一步检验单元双块式无砟轨道结构在西北地区的适应能力。第期韦有信等：兰新二线 单元双块式无砟轨道适应性分析计算模型路基段单元双块式无砟轨道结构从下至上依次为基床表层级配碎石、支承层、道床板、扣件、钢轨。支承层采用 混凝土，宽、高，纵向连续铺设；道床板采用 混凝土，宽、高 、长，板间伸缩缝宽；扣件采用 型扣件，扣件间距 ；钢轨采用 级。路基段单元双块式无砟轨道结构示意如图所示。图路基段单元双块式无砟轨道结构示意兰新二线 单元道床板纵向上层钢筋采用 ，下层采用 ，纵向配筋率为 。上层钢筋混凝土保护层厚度为，下层钢筋混凝土保护层厚度为。单元道床板纵向配筋如图所示。图 单元道床板纵向配筋（单位：）采用有限元计算软件对结构建模分析，钢轨采用梁单元模拟，扣件采用线性弹簧单元模拟，道床板、支承层和路基表层采用实体单元模拟。道床板与支承层间采用接触单元模拟，层间滑动不脱离，结合现场试验段观测，层间摩擦系数取 ；支承层与路基表层间采用粘结方式模拟。计算模型外部荷载考虑温度、温度梯度和列车荷载。对于路基不均匀沉降工况中，路基沉降区段的支承层与路基表层空间脱离，不采用粘结方式联结。应力及裂缝检算根据无砟轨道再创新建立的客运专线无砟轨道设计理论，路基段单元双块式无砟轨道设计检算时采用以下荷载组合：（）组合：设计轮载，主力作用；（）组合：常用轮载常用温度梯度，主力作用；（）组合：常用轮载常用温度梯度基础不均匀沉降，主力特殊荷载作用。检算内容及标准：（）主力作用：钢筋容许应力 ，道床板混凝土容许压应力 。（）主力特殊荷载作用：钢筋容许应力 ，道床板混凝土容许压应力 。列车荷载作用下结构响应分析依据 高速铁路设计规范（试行）（），无砟轨道设计荷载采用集中荷载图式，计算中列车选用德国 型机车，轴重 ，设计动荷载系数取，设计轮载取，常用轮载取。列车荷载作用在板中位置，轨道结构响应见表。表列车荷载作用下轨道结构响应荷载项目纵向应力 常用轮载道床板混凝土上表面 下表面 道床板钢筋上层 下层 支承层混凝土上表面 下表面 设计轮载道床板混凝土上表面 下表面 道床板钢筋上层 下层 支承层混凝土上表面 下表面 列车荷载作用下道床板纵向受压，压应力幅值较小。列车荷载作用下支承层上表面纵向受压，下表面纵向受拉，设计轮载中支承层拉应力接近支承层混凝土抗拉强度设计值。温度梯度作用下结构响应分析严寒地区最大正温度梯度和负温度梯度分别取 和，道床板采用 混凝土且板厚为 时，对应的温度梯度修正系数为 ，计算中取最大正温度梯度和负温度梯度分别为 和 。我国铁路常用温度梯度取值为，考虑到现场实测数据和公路上常用正温度梯度，模型中常用正温度梯度取为 。温度梯度作用下轨道结构响应见表。铁道学报第 卷表温度梯度作用下轨道结构响应项目常用正温度梯度最大正温度梯度最大负温度梯度（）（）（）道床板上表面混凝土纵向应力 道床板下表面混凝土纵向应力 道床板上层钢筋纵向应力 道床板下层钢筋纵向应力 支承层上表面混凝土纵向应力 道床板板端竖向位移 道床板板中竖向位移 道床板板端纵向位移 温度梯度作用下道床板纵向应力幅值较支承层大，最大正温度梯度作用下道床板将产生裂纹。基础沉降下结构响应分析基础不均匀沉降在国内外无砟轨道铁路上均有发生 ，不同地质情况和施工质量决定了路基的沉降幅值。基础不均匀沉降后，轨道结构在自重及列车荷载作用下内部产生较大附加应力。计算中取 内最大不均匀沉降量为，基础不均匀沉降计算模型如图所示。图基础不均匀沉降计算模型位置处，道床板一端与轨道结构密贴，一端与下部基础脱空。位置处，基础最大沉降点发生在板中位置。列车荷载取动轮载 进行计算。基础沉降下轨道结构响应见表。表基础沉降下轨道结构响应项目位置 混凝土应力 道床板上表面 道床板下表面 支承层上表面 支承层下表面 钢筋应力 纵向上层 纵向下层 位移道床板板端竖向位移 道床板板中竖向位移 由表可知，基础沉降突变处轨道结构承受较大沉降附加力，混凝土承受拉力较大，该处结构易开裂。此外，不管列车荷载作用在位置处或处，最大竖向沉降均发生在列车荷载作用处，由于各轨道结构层竖向抗弯刚度较大，竖向位移未达到，支承层与路基面未能完全密贴。实际情况中，路基面往往是与支承层密贴的，只是该处基础竖向刚度较小而已，此时的基础依旧对上部轨道结构有一定的支撑能力，此处不再对此进行计算，将其视为一种强度储备。轨道结构应力检算对列车荷载、温度梯度和基础不均匀沉降种计算结果按照前文所述种不同的荷载组合形式进行检算分析，应力检算结果见表。表应力检算荷载组合应力检算科目检算标准 实际值 百分比能否满足要求组合混凝土允许压应力 能钢筋允许应力 能组合混凝土允许压应力 能钢筋允许应力 能组合混凝土允许压应力 能钢筋允许应力 能通过检算可知，单元双块式无砟轨道满足钢筋混凝土应力设计要求，但道床板混凝土在各种荷载作用下内部承受较大拉应力，易产生裂纹。道床板裂缝宽度检算裂缝宽度计算参照 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（）。槡（）（）式中：为裂缝计算宽度；为钢筋表面形状系数；为荷载特征影响系数；为中性轴至受拉边缘的距离与中性轴至受拉钢筋重心的距离之比；为受拉钢筋重心处的钢筋应力；为钢筋弹性模量；为受拉钢筋直径；为受拉钢筋有效配筋率。该规范对钢筋混凝土结构构件计算裂缝宽度的允许值做了规定：按照无砟轨道所处环境条件，一般大气条件下的地面结构在无防护措施时取 。根据无砟轨道再创新建立的客运专线无砟轨道设计理论，裂缝检算时，结构荷载采用如下两种组合：设计轮载；常用轮载常用温度梯度。裂缝宽度检算结果见表。第期韦有信等：兰新二线 单元双块式无砟轨道适应性分析表裂缝宽度检算项目纵向上层纵向下层钢筋配置根直径、根直径 根直径 配筋率 裂缝宽度（组合）裂缝宽度（组合）对于采用 混凝土和 钢筋的道床板，其理论最小配筋率为 。检算表明道床板配筋率 能够满足单元板裂缝限值要求，且稍大于理论最小配筋率，经济效果良好。理论计算分析表明，普通钢筋混凝土道床板在我国西北地区高温、大温差气候环境下宜开裂。对道床板纵向配置 的钢筋时，单元道床板裂缝宽度在允许范围内。总体来说，单元双块式无砟轨道满足设计要求。现场监测基于对兰新二线达坂城无砟轨道试验段的长期监测数据，从道床板伸缩缝位移、钢筋应力、裂缝发展等角度分析 单元双块式无砟轨道在我国西北地区恶劣气候条件下的适应能力。对试验段的数据监测长达一年，监测时间段为 年 月日至 年 月 日。伸缩缝位移在一年的循环周期内，单元道床板端伸缩缝宽度变化情况如图所示。图 单元道床板伸缩缝宽度变化情况单元道床板结构于 年 月完成浇筑初期，伸缩缝宽度在短期内增加约，出现该问题的原因除混凝土浇筑对位移计的扰动外，还包括混凝土初期收缩徐变。从 年 月至 年月，伸缩缝宽度改变量达到最大值约，该区段平均气温为。年月至月，伸缩缝宽度改变量达到最小值约，该区段平均气温 。忽略混凝土收缩徐变影响，单元道床板在温升 时，伸缩缝宽度缩小了。在不受支承层层间摩擦阻力作用时，单元道床板温降 ，伸缩缝改变量为 ，略大于实测值，说明 单元道床板在温度作用下接近自由伸缩状态，内部温度应力较小。钢筋应力单元道床板中部钢筋应力在检测期间应力水平较为稳定，主要呈现为冬季受拉、夏季受压的现象。整理数据后发现，冬季最大拉应力为 ，夏季最大压应力为 ，均在钢筋可承受范围内，可见在高温严寒地区，单元道床板结构稳定，安全系数较高。裂缝发展经过一年的冻融循环，单元双块式无砟轨道外观良好，单元道床板没有任何结构性裂纹产生，如图所示。由于试验段位于达坂城风区，单元道床板浇筑完成后，大风环境下混凝土养护措施不足，导致单元道床板表面龟裂、麻面情况较多，部分单元道床板出现少许纵向裂纹，如图所示。图单元道床板现场照片通过现场监测可知，单元道床板在温度作用下接近自由伸缩状态，内部应力水平较低。板中钢铁道学报第 卷图风区单元道床板混凝土养护不良筋呈现冬季受拉、夏季受压状态，应力幅值满足设计要求。裂缝发展方面，除单元道床板表面出现龟裂、麻面和少许横向裂纹外，单元道床板整体无其他裂纹产生。由此可知，单元道床板在我国西北地区的适应能力较强，但是鉴于干旱、高温、大风等恶劣气候，无砟轨道结构要加强混凝土施工温度控制和保湿保温养护工作。结论根据无砟轨道再创新建立的客运专线无砟轨道设计理论对 单元双块式无砟轨道在兰新二线的适应能力进行理论分析，发现单元道床板混凝土在该地区不可避免的将产生裂缝，在单元道床板纵向上采用 的配筋率时，混凝土裂缝宽度满足相关规范要求。通过对现场无砟轨道试验段的长期监测发现 单元道床板对于高温严寒气候具有良好的适应能力，单元道床板接近自由伸缩状态，内部钢筋混凝土应力水平较低，满足设计要求，且结构无温度裂缝产生。由此可见，单元双块式无砟轨道结构能够有效地适应兰新二线恶劣的气候条件。但是试验段中道床板表面出现龟裂、麻面和少许横向裂纹，说明除需要对该地区混凝土材料加强研究外，还需加强无砟轨道施工过程中对混凝土施工温度、防风保湿和保温养护等工作的控制管理。参考文献：何 华 武无 碴 轨 道 技 术 北 京：中 国 铁 道 出 版社，赵国堂高速铁路无碴轨道结构北京：中国铁道出版社，韦合导，王森荣高速铁路双块式无砟轨道结构设计及施工技术铁道建筑技术，（）：，（）：，（）：崔国庆双块式无砟轨道道床板裂缝控制研究铁道标准设计，（）：，（）：王森荣双块式无砟轨道与配筋混凝土路面结构设计研究铁道工程学报，（）：，（）：史青翠 型单元双块式无砟轨道结构研究成都：西南交通大学，肖杰灵，刘学毅，杨荣山无砟轨道系统功能设计的概念与内涵铁道工程学报，（）：，（）：王森荣，孙立，李秋义，等无砟轨道轨道板温度测量与温度应力分析铁道工程学报，（）：，（）：颜华，翟婉明，李春霞，等土质路基双块式无砟轨道混凝土支承层设计分析铁道工程学报，（）：，（）：赵坪锐，刘学毅双块式无碴轨道开裂支承层的折减弹性模量西南交通大学学报，（）：，（）：王森荣，杨荣山，刘学毅，等无碴轨道裂缝产生原因与整治措施 探 讨 铁 道 建 筑 技 术，（）：，（）：，（责任编辑邱金帅）