城市轨道交通高架线道床结构设计方法探讨

丁静波

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道院,北京 100055)

1 城市轨道交通高架道床结构简述

随着我国城市经济的高速发展和城市规划的扩展,城市对大容量、高质量的这种轨道交通出行方式需求也越发迅速。目前已建成轨道交通且已运营的有10个城市,计划开工建设有30多个城市,其中高架作为城市轨道交通的一种主要敷设方式,在北京、上海、天津、大连、武汉、南京等各个城市内普遍采用。同时,桥上轨道采用了整体道床结构,它既美观也可减少工务养护维修量。

上海地铁轨道交通3号线(也称明珠线)设计时速80 km,它是国内第一条城市轨道交通高架线,轨道采用纵向承轨台整体道床结构,2000年通车试运营至今状况良好。高架上的这种轨道结构形式,它不仅结构简单,施工方便,而且可有效降低桥梁的二期恒载,因此也在国内各个城市轨道交通中逐步得到推广使用。与普通纵向承轨台稍有不同,广州地铁4号线、北京地铁机场线采用了直线电机运载系统,它通过安装在道床上的感应板与车上电机感应牵引运行,具有转弯半径小、爬坡能力强的特点,同时直线电机对安装在道床上的感应板要求较高,因此4号线及机场线高架上轨道分别采用预制板式道床和长枕埋入式整体道床结构,见图1。

房山线高架道床采用纵向承轨台式结构,用C40混凝土现场浇筑,通过桥面预埋钢筋与桥梁连成一体。设计轨道结构高度为520 mm,单块纵向承轨台宽度为920 mm,道床厚度为276 mm；按桥梁跨度和扣件间距的不同进行分块布置,其中标准块长度L=3 750 mm,每个块与块之间有100 mm间隙；这两股钢轨的纵向承轨台内侧间距为476 mm,中间无横向联结,见图2。

图2 房山线高架道床结构横断面(单位：mm)

2 高架道床结构影响因素

城市轨道交通具有轴重轻、速度低,但行车密度高、可维修时间短的特点,因此要求轨道道床结构安全性高,且有较长的耐久性,并少维修。参考客运专线铁路无砟轨道基本的分析理论方法,结合具体城市轨道交通房山线及地区特点,对影响高架道床结构设计的几个主要方面：列车竖向承载力、温度翘曲应力以及桥梁基础不均匀沉降计算方法进行探讨。

2.1 列车竖向荷载作用

按客运专线铁路无砟轨道形式计算方法,采用弹性地基上的叠合梁理论,建立一个弹性地基上的梁-板有限单元模型,进行列车荷载作用下的受力分析,其中以钢轨梁单元模型,道床用板壳单元模拟,扣件、道床以及桥梁下部桥墩基础支承刚度采用非线性弹簧进行模拟,并取3块道床块进行计算,以中间道床块作为研究对象,并取2个临界点位置板边和板中的对应位置进行分析。以北京城市轨道交通房山线为例,按上述方法建立桥上梁-板结构模型,设计最高运行速度100 km/h、B1型车、车辆轴重140 kN并考虑车辆动荷载系数；轨道采用60 kg/m钢轨,Wj-2小阻力扣件,扣件垂直静刚度为40～60 kN/mm,桥梁底座刚度取1 500 MPa/m,见图3。

图3 列车竖向荷载计算模型

2.2 温度翘曲应力因素

根据国外无砟轨道设计研究表明,不均匀温度影响对道床结构局部受力影响至关重要,在长期温度作用,也影响道床结构的耐久性及承载力,特别对于北方温差较大地域,更应重点考虑。温度翘曲应力按照Westgaard计算理论进行计算,分别按“上冷下热”和“上热下冷”两种情况,计算方法见下面公式

式中，σtm为最大温度翘曲应力；αc为线膨胀系数；Ec为混凝土的弹性模量；h为混凝土结构物厚度；Tg最大温度梯度；Bx为综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。按照北京地区经验进行取值检算,对应的混凝土的线膨胀系数αc通常可取为1×10-5/℃,按C40混凝土弹性模量Ec=3.4×104MPa；最大温度梯度取值Tg=45 ℃,计算后的σtm=1.5 MPa。

2.3 桥梁基础不均匀沉降

由于工期较紧,桥梁架设后收缩徐变未完成,即开始铺设轨道,导致产生各种不均匀沉降,增加了工务后期养护维修问题,应引起建设部门的重视,设计中更应考虑不均匀沉降的影响。高架道床结构设计的不均匀沉降值,按《地铁设计规范》(GB50157—2003)相邻墩台基础的沉降之差不应超过20 mm。

这种不均匀沉降引起的高架整体道床结构产生附加应力,主要采用有限元方法计算,但对于一些常用标准的桥型结构也可用经验公式Mu=EIk计算,基本能够满足结构性能安全的要求。其中Mu为基础变形引起的附加弯矩,EI轨道结构的抗弯刚度,k为基础变形率。针对房山线30 m简支梁上纵向承轨台结构,按经验公式计算的基础变形率k=0.5,轨道的抗弯刚度EI=2.08 N·m,计算后基础变形附加弯矩Mu=1.04 N·m,相应的不均匀沉降附加应力σcj=0.9 MPa。

3 高架道床结构设计

3.1 结构承载力配筋及计算方法

综合考虑高架道床结构各种受力因素,对各项分析计算指标进行最不利组合,最后确定结构承载力弯矩值Mk,按《混凝土设计规范》(GB50010—2002)受弯结构进行配筋计算

另外,在正常使用极限状态下,考虑结构本身的长期耐久,特别对城市轨道交通高架道床这种现浇结构的裂缝应严格控制。参考铁路的相关设计标准,计算裂缝宽度按下列公式计算

式中，ωf为裂缝宽度；K1、K2分别为钢筋及荷载影响系数；r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；σs为外荷载作用下钢筋重心处的应力；d、μ2分别为受拉区钢筋直径及配筋率。按北京城市轨道交通房山线纵向采用6根φ14 HRB335钢筋计算分析,其裂缝宽度ωf=0.2 mm,也能满足正常耐久性使用要求。

3.2 结构承载力计算分析

结合房山线具体工程实践进行理论计算分析,考虑道床结构主要竖向承载力、温度翘曲应力以及桥梁基础不均匀沉降因素,确定道床结构最不利承载力,并进行配筋及耐久性裂缝的检算,计算分析如下。

(1)本工程列车单竖向动轮载值按175 kN设计考虑,按有限元模型进行计算分析,最大拉应力为1.23 MPa,道床结构与桥梁间变形位移值为0.018 mm,均小于道床结构设计允许应力值,满足承载力要求,见图4。在高架道床结构设计中,通过在桥面预留钢筋,加强了桥梁与轨道结构间的有效连接,避免了纵向承轨台道床结构与梁面剥离问题,从而提高轨道结构整体的承载能力。

图4 高架纵向承轨台动载变形位移及应力云图

(2)高架道床结构配筋设计中建议纵向主筋采用φ16 mm的钢筋,并从道床结构受力分析,可减少上层钢筋的布置数量,这样相对原φ14 mm钢筋布置方案,即可减少钢筋的根数,又增加钢筋间距,方便施工控制,也可提高钢筋的利用率,不降低工程质量。通过计算分析,适当增加配筋率,能提高结构的承载力,控制裂缝程度,这种方法比提高混凝土的强度等级更为有效,更加经济节约。

(3)一般高架纵向承轨台的宽度为750 mm,通过梁-板有限元模型计算,最大拉应力为1.19 MPa,道床结构与桥梁变形位移值为0.016 mm。房山线为满足信号波导管和接触轨安装要求,单块纵向承轨台宽度应不小于920 mm。承轨台宽度增加,通过计算分析,相应引起道床应力及变形位移的增大,因此高架道床设计中应结合具体功能合理确定道床宽度。

4 结论

高架桥作为解决城市交通主要一种敷设方式,其桥上轨道也主要采用纵向承轨台整体道床结构。各个地区城市高架上轨道道床设计的形式尺寸受轨道高度、扣件选型及相关信号、接触轨、限界专业等限制稍有差别外,其余都基本一致。本文结合房山线的工程实例,深入研究高架道床结构设计计算方法,抛砖引玉,供设计参考。在高架桥上由于声源位置提高,列车与钢轨相互撞击所产生的振动噪声影响范围将扩大,并且与梁体内形成二次辐射噪声,导致在工程项目运营实施不久,即有居民投诉问题。因此从长远发展考虑,桥上应采取弹性轨道结构,在源头上控制这种高架噪声,既可降低二次噪声,也可减少轮轨冲击振动对高架桥的影响,对提升结构整体耐久性较为有利。

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