ⅱ型軌道板結構設計
管吉波1 ，劉玉祥2
（鐵道第三勘察設計院集團****線站處，天津， 300142）
摘要：介紹了ⅱ型無砟軌道的主要技術特點。採用當量地基梁模型、三重疊合梁模型、梁－板模型和空間實體模型對ii型板式無砟軌道結構進行了力學計算，得出ii型軌道板設計荷載。
通過不同的荷載組合對軌道板的強度、裂縫等進行檢算，最終確定軌道板的配筋。簡要闡述了軌道板內鋼筋絕緣和綜合接地方案。本文的研究可以為ⅱ型軌道板的結構設計提供指導。
關鍵詞：ⅱ型軌道板; 力學分析; 有限元; 結構設計
1 概述
ii型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預製軌道板、瀝青水泥砂漿調整層及混凝土支承層（或底座板）等部分組成[1]，如圖1。
圖1 路基地段ⅱ型板式無砟軌道結構橫斷面圖
該軌道系統結構組成類似於i型板式軌道，吸收了軌枕埋入式無砟軌道[2]整體性和板式軌道製作及施工[3]的特點，板間採用精軋螺紋鋼筋連線取代了i型板式軌道採用的凸形擋臺結構；相鄰板縫間用混凝土灌築，增強了結構整體性；砂漿層為半剛性體，力學指標接近下部支承層。
2 ⅱ型板式無砟軌道的主要技術特點
2.1 ⅱ型板式無砟軌道結構特點
2.1.1 彈性扣件
採用 vossloh300－1型彈性不分開式扣件。
2.1.2 軌道板
標準軌道板為先張預應力混凝土預製板，板厚20 cm，寬2.55 m，系統長度6.5 m，每塊板設定10對承軌臺，在兩個相鄰的承軌臺之間每間隔65 cm設一橫向預裂縫，縫深4 cm。
混凝土強度等級為c55。
2.1.3 砂漿調整層
砂漿調整層厚度為30mm，材料彈性模量為7000～10000mpa。
作為預製板式軌道的重要組成部分，砂漿調整層起到對預製板支承、調整和承力、傳力的作用。砂漿必須、具有優良的防凍效能和耐腐蝕性能，同時必須考慮強度、強度增加速率和可施工性。
2.1.4 混凝土支承層或底座板
路基上ii型軌道板和砂漿調整層下部設定混凝土支承層，橋梁地段ii型軌道板和砂漿墊層下部設定底座。
路基上混凝土支承層寬度為3.25m，厚度為0.3m，支承層彈性模量5000mpa。
橋梁地段底座寬度為2.95m，厚度為0.2m，混凝土強度等級為c30。
2.2 ⅱ型板式無砟軌道結構優缺點
ii型板式無砟軌道結構具有以下優缺點：
（1）軌道板在工廠批量生產，進度不受施工現場條件制約。
（2）每塊板上有10對承軌臺，承軌臺的精度用機械打磨並由計算機控制，鋪軌施工進度快。
（3）預製軌道板可用汽車在普通施工便道上運輸，並通過龍門吊直接**路上鋪設，為避免二次搬運提供了可能。
（4）具有可修復性，除在每個鋼軌支撐點處（軌道扣件）調高餘量外，還可調整預製板本身的高程。
（5）ⅱ型板式無砟軌道的主要缺點為目前軌道板採用比表面積550～630 m2/㎏、強度等級52.5r的p·ⅱ矽酸鹽水泥及hrb500的鋼筋，造價較高，需要對原材料標準及製造工藝開展進一步的試驗研究工作。
3 ⅱ型板式無砟軌道力學計算
3.1 計算模型
3.1.1 當量地基梁模型
ⅱ型板式無砟軌道縱向作為當量地基梁計算；橫向按預應力混凝土軌枕設計，採用兩端帶懸臂架在兩個支座上的橫樑計算，計算中以土壓力作為荷載，鋼軌作為下部支承。
(1)縱向當量地基梁模型
根據彈性理論，不同彈性係數的多重梁疊合在一起並支承在彈性地基上時，可把多重梁視為具有不同地基彈性係數的地基層，從而把地基上的多重梁變成彈性地基上的單層梁，然後利用半無限彈性體原理進行相關計算。
圖2縱向當量地基梁模型
(2)橫向預應力混凝土軌枕模型
橫向預應力軌枕根據軌枕計算圖示確定的三種軌枕支承狀態（活載考慮中間不支承、中間部分支承、中間全支承）計算。
圖3 橫向預應力混凝土軌枕模型
3.1.2 三重疊合梁模型
利用有限單元法[5]採用三重疊合梁模型進行計算。
考慮軌道的對稱性，線路縱向沿軌道中心線取一半無砟軌道進行計算。鋼軌作為第一層無限長梁，鋼軌用彈性點支承梁模型模擬；扣件用支點彈簧模擬；軌道板作為第二層梁，可處理為無限長梁或有限長梁，用梁單元模擬；砂漿調整層用分布彈簧模擬；底座/混凝土支承層作為第三層梁，用梁單元模擬；線下基礎支承作用用分布彈簧模擬。
軌道結構橫向以輪載為中心，擷取寬度為鋼軌支點間距的軌道板，將其簡化為彈性地基上的截梁，在梁上施加最大的鋼軌支點壓力，以求解軌道板橫向彎矩、位移等力學引數。
圖4 三重疊合梁縱向模型圖5 三重疊合梁橫向模型
3.1.3 梁-板模型
應用有限單元法計算ⅱ型板式軌道在列車荷載作用下的力學行為。
鋼軌採用彈性點支承梁模型；扣件採用線性彈簧模擬；軌道板與底座/混凝土支承層在其厚度方向上的尺寸遠小於長度和寬度方向上的尺寸，符合彈性薄板的結構特點，採用板殻單元進行模擬；為模擬砂漿墊層的粘性，採用了實體單元模擬；為模擬下部基礎對軌道結構的支承作用，底座/混凝土支承層採用了彈性地基板進行模擬，地基係數採用k30進行計算。為消除邊界效應，模型選取三塊軌道板進行計算，以中間軌道板作為研究物件。
圖6 梁-板模型
3.1.4 空間實體模型
模型共包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿調整層、混凝土支承層、路基/隧道等部分，分別採用以下單元形式模擬：鋼軌採用彈性點支承梁模型；扣件模型的單元型別採用垂向、縱向以及橫向彈簧單元，垂向和橫向彈簧單元採用線性單元，縱向彈簧採用非線性單元；軌道板、砂漿調整層、底座/混凝土支承層根據其實際拓撲形狀採用實體單元模擬；路基、隧道、橋梁模型採用線性彈簧單元模擬，其剛度值由地基係數等效計算得到。
為消除邊界效應，模型選取三塊軌道板進行計算並以中間單元板作為研究物件，計算的應力資料經過積分運算得到軌道板所受彎矩。
圖 7 空間實體模型
3.2 計算結果
表1 ii型軌道板縱橫向彎矩計算結果
由上表可以看出：不同計算模型所得的軌道板縱向正彎矩、負彎矩結果基本一致，且採用當量疊合梁模型計算的結果能夠包絡其它三種模型計算數值，可作為軌道板縱向設計荷載；由於三重疊合梁模型、梁－板模型、空間實體模型計算假設各不同，造成軌道板橫向正彎矩、負彎矩結果差別較大。考慮ii型軌道板為橫向設定預應力、縱向承受拉力的複雜受力狀態，借鑑國外工程實踐經驗，軌道板橫向仍按軌枕設計，即取軌枕計算荷載為設計荷載。
4 ⅱ型軌道板結構設計
4.1 ⅱ型軌道板設計荷載
根據計算得到，ii型軌道板設計彎矩見表2。
表2 ii型軌道板設計彎矩
4.2 檢算內容及荷載組合
4.2.1 軌道板縱向
（1）軌道板混凝土的抗壓強度檢算和地基承壓能力檢算
荷載組合：最大溫度荷載（公升溫）+活載
（2）連線縫範圍之外的鋼筋抗拉強度檢算
荷載組合：最小溫度荷載（降溫）+混凝土收縮
（3）連線縫範圍內的相關檢算
1） 裂縫寬度檢算
荷載組合：最小溫度荷載（降溫）+混凝土收縮＋精軋螺紋鋼筋預張拉力
2）精軋螺紋鋼筋的疲勞抗拉應力振幅檢算
荷載組合：活載＋精軋螺紋鋼筋預張拉力
3）精軋螺紋鋼筋的抗拉強度檢算
荷載組合：最小溫度荷載（降溫）+混凝土收縮＋活載
4.2.2 軌道板橫向
（1）根據軌道板上表面的收縮彎矩計算橫向預應力設計值及偏心距離。
（2）計算三種支承狀態下軌枕外荷載，並進行結構檢算。
（3）橫向預應力設計。
橫向荷載組合：混凝土收縮徐變＋預應力＋活載
4.3 ⅱ型軌道板配筋
根據軌道板設計外荷載，考慮不同的荷載組合進行軌道板強度、裂縫等檢算，最後確定軌道板的配筋為：
（1）縱向：設定6根φ20mm精軋螺紋鋼筋（bst500/hrb500），每根鋼筋張拉力為50kn；裂縫按不超過0.2mm控制。
（2）橫向：每個寬度為650mm軌枕範圍內設定6根預應力鋼筋（規格1420/1570mpa），沿軌道板中性軸以下10mm布置，預應力為870mpa。
（3）構造筋採用直徑為8mm的螺紋鋼筋（hrb335）。
4.4 ⅱ型軌道板內鋼筋絕緣處理
由於軌道板中配置了閉合的箍筋或網狀鋼筋，當訊號傳輸時會產生電流感應，相應在鋼筋中產生磁感應圈，減弱訊號強度。為確保諧振式軌道電路一定的傳輸距離，所有鋼筋接觸點必須進行絕緣處理。不同層鋼筋交叉點採用塑料夾以及在精軋螺紋鋼筋上使用收縮軟管的方式絕緣。
4.5 ⅱ型軌道板接地方案
採用4根縱向16mm結構鋼筋作軌道板的接地鋼筋，橫向與50×4mm扁鋼進行焊接，軌道板兩端在直徑為16 mm的鋼筋上各焊乙個接地端子。板間接地鋼筋通過接地連線線連線。
5 結語
本文對ii型板式無砟軌道軌道板的設計方法作了簡要的介紹，得到如下結論：
（1）ii型無砟軌道相比其它無砟軌道，有自身的技術特點，應嚴格按照其各項技術要求進行設計、施工。
（2）由於ii型軌道板受力狀態複雜，有限元模型很難準確進行模擬計算，且國內尚無工程實踐經驗。借鑑國外工程實踐經驗，軌道板縱向按照當量地基梁模型計算，軌道板橫向按軌枕設計。
（3）ii型軌道板縱向通過螺紋鋼筋縱連，橫向設預應力鋼筋，結構複雜，不能簡單地按照普通混凝土結構設計，應充分考慮不同荷載組合情況，對軌道板的強度和裂縫等進行檢算，進而確定軌道板的配筋。
（4）本文介紹ii型軌道板的設計方法和成果可以指導ii型軌道板的設計。
[1] 鐵建設函[2005]754號，客運專線無碴軌道設計指南[s].中國鐵道出版社,2005.
[2] 何華武. 無碴軌道技術[m]. 北京：中國鐵道出版社，2005.
[3] 趙國堂.高速鐵路無碴軌道結構[m].北京：中國鐵道出版社，2006.
[4] 吳鴻慶,任俠. 結構有限元分析[m]. 北京：中國鐵道出版社,2002.
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