南京地铁机场线预应力混凝土长轨枕结构设计

任树文，龚 昕

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.江西省交通科学研究院，南昌 330038)

1 设计概况

南京地铁机场线南起禄口机场，经禄口新城、东善桥－秣陵片区、东山副城西侧，止于南京南站，全长约35.7 km，其中高架段长约 16.7 km，过渡段长约0.7 km，地下段长约18.3 km。地下线采用预应力混凝土长枕埋入式整体道床，道床整体性能好、施工精度高、便于轨排架设施工、施工速度较快。

2 主要技术标准

钢轨:60 kg/m U75V钢轨;

扣件:ZX－2型扣件，轨距调整量+24，－28 mm;

轨距:1 435 mm;

车辆及荷载:B型车，列车轴重不大于140 kN;

运行速度:设计最高运行速度为100 km/h。

3 轨枕外形设计

3.1 外形设计原则

(1)轨枕截面在满足承载力的情况下，尽量降低以减少轨枕自重;轨枕设计长度与国内其他城市地下线埋入式长枕长度一致，采用2.1 m，以节约钢筋和混凝土原材料，降低工程造价。

(2)与本轨枕配套使用的ZX－2型有螺栓分开式扣件，其轨下铁垫板分为带1∶40轨底坡及不带轨底坡两种形式，也就是说，轨枕承轨槽部位可设计为带1∶40轨底坡及不带轨底坡两种形式，分别见图1和图2。

图1 承轨部位设置1∶40轨底坡

图2 承轨部位不设置轨底坡

若设置同样的轨枕高度及配筋形式，图1轨下截面高度比图2要低，钢筋合力作用点对截面形心的偏心距减小，轨下截面承载力及极限承载力安全系数也随之减少。当轨枕采用平坡设计时，钢模容易加工制造，外形相对美观，施工质量容易控制，综合考虑，轨枕轨下承轨槽部位采用平坡设计。

(3)采用传统的梯形截面设计方案，以方便轨枕制造脱模。

(4)为加强与混凝土整体道床联结，提高道床整体强度，轨枕设有5个φ40 mm孔洞，道床纵向钢筋从孔洞穿过，浇筑混凝土道床时，预留孔洞处应加强捣固，尽可能使孔洞密实。

3.2 外形设计

根据3.1确定的设计原则，设计的轨枕外形尺寸见图3，其中A－A、B－B断面分别见图5及图6。

图3 轨枕外形尺寸(单位:mm)

4 轨枕外荷载弯矩计算

中国铁道科学研究院研究报告《预应力混凝土枕设计方法》主要是针对有砟轨道进行编制的，不适用无砟轨道的埋入式混凝土轨枕外荷载的计算。本轨枕主要依据ansys软件建模进行外荷载受力分析。

主要计算参数如下:

综合动载系数:2.0;

轨道纵向分配系数:0.5;

枕上压力:P=2×14×9.8×0.5×0.5=68.6 kN≈70 kN。

轨枕受力分析见图4。

由图4可知:轨下最大拉应力为2.5 MPa;枕中最大压应力为1.05 MPa。

图4 轨枕受力图

通过换算得到，轨下截面最大正弯矩Mg=3.94 kN·m;枕中截面最大负弯矩Mz=1.25 kN·m。

5 轨枕承载能力计算

轨枕在列车动荷载及轨枕下方混凝土整体道床反力的联合作用下，轨下截面产生向下弯曲，枕中截面产生向上弯曲，因此轨枕的结构计算主要是轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩的计算。

5.1 主要设计参数

(1)混凝土强度等级C60;

(2)施加预应力时的混凝土立方体强度不低于45 MPa;

(3)预应力钢丝的抗拉强度不低于1 570 MPa;

(4)钢筋弹性模量2×105MPa;

(5)混凝土弹性模量3.6×104MPa;

(6)混凝土抗拉强度标准值3.3 MPa;

(7)混凝土抗拉强度设计值2.45 MPa;

(8)预应力钢筋面积(Φ7.0)38.48 mm2;

(9)预应力钢筋总张拉力(210±5)kN;

(10)混凝土允许拉应力3.0 MPa。

5.2 轨下截面静载抗裂正弯矩计算(图5)

图5 A－A断面(单位:mm)

梯形截面面积:A1=×(250+290)×185=49 950 mm2;

预应力钢筋总面积:A2=8×38.5=308 mm2;

弹性模量比:np==5.56;

换算截面面积:Ao=51 353 mm2;

梯形截面重心位置:y0=×185=90.216 mm;

预应力钢筋重心位置:yp=80 mm;

换算截面重心位置:yX=(49 950×90.216+308×80)/52 055=88.2 mm;

换算截面惯性矩:

(1)由锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失:

σL1=2/10 500×2×105=38 N/mm2;

(2)钢筋的应力松弛损失:

σL2=0.07×682=48 N/mm2;

(3)受张拉钢筋与钢模之间的温差引起的应力损失:

σL3=2×5=10 N/mm2;

(4)混凝土收缩和徐变引起的预应力损失:

σL4=(45+280×4.47/40)/(1+15×0.006)=70 N/mm2;

(5)混凝土预压后预应力损失计算:

儒家思想在我国的历史长河中始终占领着一席之地，这种思想的价值标准以及道德观念千百年来深深的根植于中国人的心中。儒家思想重视伦理关系和伦理观念，要求人们尊重长辈，尊敬师长，尊重权威。这种观念一定程度上维护了社会的秩序发展，但同时也有其弊端，固化了人们的思维方式，缺乏创新与挑战，制约了人们的精神发展。除此之外，儒家思想强调少数服从多数的原则，在当今最能体现的就是群众心里。它不仅抑制人个性的发展，无视性格要求统一化，最终压制人的创造性。在这样的历史背景影响下，中国人的思维方式很难有所改变。

σL=38+48+10+70=166 N/mm2;

预应力钢筋合力:NP0=(682－166)×308/1 000=159 kN;

换算截面形心至钢筋合力点距离:eP0=88.2－80=8.2 mm;

截面下边缘由预应力产生的混凝土法向拉应力:

则轨下截面抗裂弯矩(因静载抗裂试验是在脱模后48h之内进行，故取放张脱模时的混凝土强度):

15.69 kN·m ＞Mg=3.94 kN·m。

5.3 枕中静载抗裂负弯矩计算(图6)

图6 B－B断面(单位:mm)

计算方法同轨下截面正弯矩，主要计算成果如下。

换算截面形心至钢筋合力点距离:eP0=－3.61 mm;

截面上边缘由预应力产生的混凝土法向压应力:σPc=3.06 MPa;

则枕中截面抗裂弯矩(因静载抗裂试验是在脱模后48 h之内进行，故取放张脱模时的混凝土强度):Mcr=10.95 kN·m＞Mz=1.25 kN·m。

5.4 轨枕静载检验荷载值计算

根据中国铁道行业标准《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》(TB/T1879—2002)规定，检验荷载F与检验弯矩Mcr的关系由下式确定:

F=7.273Mcr(支点距离L=600 mm);

则该轨枕的检验荷载为:

轨下F=7.273×15.69=114 kN;

枕中 F=7.273×10.95=80 kN。

5.5 静载试验

静载抗裂强度试验方法参照《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》(TB/T1879—2002)执行，轨枕轨下及枕中在加载至检验荷载值后，稳定180 s，并在整个加载过程中用5倍照明放大镜观察轨枕两侧受弯区，均未出现裂缝，产品检验合格。

6 结语

目前国内城市轨道交通地下线越来越多的采用预应力混凝土长枕埋入式整体道床，不但施工精度较高，还可以作为天然的疏散逃生通道，其中预应力混凝土长轨枕作为整体道床的一个关键部件，直接关系到整体道床的使用寿命，因此也越来越受到重视。本文对预应力混凝土长轨枕结构设计等方面的详尽阐述，为今后其他地铁的长轨枕设计提供参考。

［1］铁道部科学研究院.预应力混凝土枕设计方法［R］.北京:铁道部科学研究院，1994.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

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［4］中华人民共和国铁道部.TB/T1879—2002 预应力混凝土枕静载抗裂试验方法［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［5］梁志军.混凝土检验中存在的问题及改进建议［J］.铁道标准设计，2011(5).

［6］蔡小培，曲村，高亮.国内外高速铁路桥上有砟轨道轨枕结构研究现状分析［J］.铁道标准设计，2011(11).

［7］李斌，刘学毅.混凝土轨枕抗力的影响因素及其计算方法研究［J］.铁道学报，2011(6).

［8］徐亚军，赵陆青.浅述铁路轨枕结构设计方法及分析［J］.山西建筑，2011(4).