CRTSⅡ型板式无砟轨道横断面计算探讨

张齐勇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西西安 710043)

为提高列车在高速运行条件下的稳定性和平顺性,减少轨道维修量,世界各国研究和开发了多种结构形式的无砟轨道[1]。其中,CRTSⅡ型板式无砟轨道系统更具有轨道铺设精度高、平顺性高、稳定性好、少维修的显著特点[2,3],在我国的铁路建设中采用较多。在CRTSⅡ型板式无砟轨道系统中,无砟轨道测量的施工断面放样数据是施工与精调的基础,准确计算断面放样数据是实现无砟轨道承载层施工的前提,而在轨道板精调过程中,板精调数据的计算又是实现轨道板精调至预定位置的前提,轨道板精调数据作为断面数据的一种,同样可以纳入断面计算。在CRTSⅡ型板式无砟轨道的施工断面计算中,需要计算的断面数据主要有：路基与隧道部分的混凝土支承层断面数据、桥梁底座板断面数据、轨道板横接缝处的轨道基准点放样数据、精调时用到的精调数据。在隧道与路基都可直接根据线路几何参数与轨道断面几何关系推导求出,在桥梁上由于存在桥梁变形(如桥梁收缩与徐变、桥梁顶面地面温差、超高、轨道板自重等引起的变形),这使得理论位置与实际位置不符合。因此，桥梁上的断面计算必须考虑桥梁变形对断面数据计算的影响[4]。

CRTSⅡ型板系统是一种新近出现的无砟轨道技术,施工断面计算等实际工作都还依赖国外的商业化软件。有鉴于此,本文对CRTSⅡ型板式无砟轨道定位测量中的横断面计算进行研究,通过研究断面与线路几何参数的相互关系,首先定义施工断面,然后对桥梁上设计荷载对断面数据的高程影响量进行研究,给出了考虑设计荷载施工放样数据的计算模型,最后与现有商业软件进行对比,证明计算正确。本文给出的考虑设计荷载的断面计算模型，为实现CRTSⅡ型板式无砟轨道定位测量系统国有化提供了一种解决思路,具有较强的科学研究与实用价值。

1 横断面设计与计算

1.1 断面计算基准确定

在CRTSⅡ型板式无砟轨道施工横断面中,存在多个施工横断面,如隧道与路基支承层、桥梁底座板、轨道基准点、精调数据等。从CRTSⅡ型板式无砟轨道的定义可知，轨道断面主要存在两个不同的断面倾斜方向(见图1所示)：钢轨顶面与轨道板顶面。这两个顶面在轨道横断面内存在0.5%的坡度倾斜,为便于其后的断面计算,定义钢轨顶面基准面与板顶面基准面。钢轨顶面基准面在横断面内以左右钢轨顶面连线为基准定义,根据轨道结构,板顶面则与钢轨顶面基准面存在0.5%的坡度倾斜。目前,绝大部分施工横断面如隧道与路基支承层、桥梁底座板、轨道基准点等以板顶面为基准面定义,精调数据计算则以钢轨顶面基准面定义。

图1 钢轨顶面基准面与板顶面基准面的关系(单位：m)

在确定计算基准面后,定义断面计算基准点：钢轨顶面基准面对应的断面计算基准点为P1,板顶面基准点为P2。其中,P1基准点即为线路中线点,P1基准点的坐标可根据线路平曲线参数与坡度曲线参数计算求出,基准点P2的坐标可根据CRTSⅡ型板式无砟轨道的几何特征由基准点P1推导求得。

1.2 断面定义与计算

选定基准点后,即可在横断面内根据需要计算的断面点与基准点的相对偏移关系定义施工断面。在一个断面中,最多定义五个断面点(左1、中2、右3、左4、右5)或者三个断面点(左1、中2、右3),见图2。

图2 断面点定义示意

断面点定义原则为：中2点的dz偏移量根据基准点P1、P2定义,其dy偏移量为0；左1、右3点的在断面内的偏移量相对于中2点定义；左4点的偏移量相对于左1定义,右5的偏移量相对于右3定义。

在实际中,由于根据实际需要,存在多种断面计算方式,因此,断面点的计算可以沿断面坡向计算或者水平方向计算,或者dy沿水平方向、dz沿断面坡向计算,即以下几种基本的断面计算方式,其余断面计算皆可由以下三种方式组合而成。

计算方式1：断面点相对与基准点的dy、dz偏移均沿断面坡向计算,见图3。

图3 断面坡向示意

计算方式2：dy、dz偏移均按照水平方向计算。此方式即计算方式1的特殊情况,此时倾斜角j=0；

计算方式3：dy采用水平、dz沿着断面坡向计算。

在计算方式1中,如上图所示M1M2的倾斜方向即为断面方向,也即基准点P对应的断面方向,j表示M1M2与水平面的夹角。由于基准点可根据线路几何参数求出,而在断面方向内,基准面在断面方向上的倾斜度由该断面里程处的线路几何参数与轨道结构定义即可求出。因此,即可根据断面点的偏移量计算出断面点的坐标。

1.3 施工横断面示例说明

以桥梁底座板断面为例，说明如何根据轨道结构与基准面定义桥梁底座板。桥梁底座板在轨道结构中的关系如图4所示,需要计算的断面点位1～5号点,根据基准点定义可知,中2即为基准点P2,因此其dy与dz偏移值均为0 m,而1、3点则在断面方向相对于中2点dz偏移0.23 m,dy方向内偏移1.475 m,4号点则相对于1号点dz偏移0 m,dy方向内偏移0.15 m,则1～5号点定义见表1。

表1 桥梁底座板断面(P2基准) m

图4 桥梁底座板断面示意(单位：mm)

2 考虑设计荷载的横断面计算

在第1小节中讨论了轨道横断面的计算,此为一种理想状态下的计算,由于实际现场施工条件复杂,在很大程度上会影响断面坐标值。尤其是在桥梁结构上铺设板式轨道时,由于桥梁受天气影响和承重结构中的运动而引起不断变化,造成桥梁在不同情况下具有不同的变形。因此,必须对建筑物进行监测,并不断匹配和重新计算放样及板精调坐标,以确保满足高速铁路内外部几何的要求。在进行所有必要的用于测量、放样、施测以及几何检测的坐标计算时,必须考虑桥梁结构在测量时的特定状态。这些状态可通过不同的设计荷载情况来描述。

在桥梁上的荷载具有多种,如桥梁徐变、桥梁顶面与地面温差影响、轨道板自重、声屏障等多种荷载都可以对桥梁变形产生影响,使之在里程方向产生高程上的变形。因此,在桥梁上施工必须考虑荷载对施工的影响。以温度引起的桥梁变形加以说明,其他荷载计算方法相同。在仅考虑温度的情况下,若跨梁顶面较底面温度高,造成跨梁向上隆起,产生变形,变形值的单位为mm,水平轴x轴为理论值,无变形的情况,即变形为0。变形值为理论值减去实际值,跨梁向上隆起为负,反之变形值为正,具体见表2、表3和图5。

表3 32 m跨梁的部分变形值示例(顶面较底面温度低5°)

图5 32 m跨梁变形

桥梁上荷载对断面点的影响体现在高程方向上,因此,要计算特定里程的荷载变形值,只需要计算待求点在跨梁中的局部位置,直接根据已知的荷载分布数据内插即可。若存在多个荷载,则需计算出每单个荷载的变形值,将这些单个荷载变形量叠加即可得到多个荷载影响下的变形量。计算出该里程处设计荷载引起的变形量后,对应断面点的高程采用该变形量改正,即可完成考虑设计荷载的断面计算。在施工断面计算中,轨道板精调数据其本质也是一断面,故桥梁上的考虑荷载的轨道板精调数据计算与加荷载的施工断面计算相同。

3 数据对比统计说明

通过本文的研究与探讨,给出了考虑设计荷载的断面数据计算方案。为验证本次研究,选取京沪线上长约2.5 km的线路对考虑设计荷载的断面数据计算进行验算,该段线路包含直线、缓和曲线与圆曲线。对该段线路计算考虑设计荷载的左右线桥梁底座板、轨道基准点与铺设锥等断面数据,将计算结果与现有商用软件计算结果进行对比,其坐标差值统计结果见表4至表7。

表4 左线桥梁底座板放样坐标数据对比统计结果

表5 右线桥梁底座板放样坐标数据对比统计结果

表6 左线轨道基准点与铺设锥放样坐标数据对比统计结果

表7 右线轨道基准点与铺设锥放样坐标数据对比统计结果

从表4到表7可以看出,考虑设计荷载的桥梁底座板断面、轨道基准点与铺设锥断面放样数据计算结果与现有商业软件计算结果几乎一致,所有坐标分量差值皆小于0.015 mm。

4 结 论

对CRTSⅡ型板式无砟轨道断面进行研究,通过定义基准面,结合轨道结构与线路几何参数的关系，给出了施工断面定义的方法,在此基础上给出了断面计算的主要思路。通过分析设计荷载对断面计算的影响,给出了考虑设计荷载的断面数据计算方法。最后将研究成果与现有的商业软件进行比较验证,计算结果一致,对实现自主化的CRTSⅡ型板式无砟轨道定位测量软件有较大的借鉴意义。

[1]何华武.无砟轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005

[2]卢建中.博格式轨道板预制关键技术探讨[J].铁道建筑技术,2007(3):4-8

[3]续海龙.京津城际无砟轨道施工关键技术的研究[J].山西建筑,2008,34(15):262-263

[4]孙立功,杨江朋.桥梁工程(铁路)[M].成都:西南交通大学出版社,2007