城市轨道交通中钢筋桁架轨枕式整体道床配筋设计
2015-03-13黄河山管吉波刘玉祥左一舟
黄河山，管吉波，刘玉祥，左一舟
(铁道第三勘察设计院集团有限公司 广东分公司，广东 深圳 518052)
城市轨道交通中钢筋桁架轨枕式整体道床配筋设计
黄河山，管吉波，刘玉祥，左一舟
(铁道第三勘察设计院集团有限公司 广东分公司，广东 深圳 518052)
结合最新研发的城市轨道交通钢筋桁架轨枕，采用允许应力法进行了城市轨道交通钢筋桁架轨枕式整体道床的配筋设计。设计中针对不同地段整体道床特点，采用不同的荷载组合方式，合理确定了不同地段道床配筋。计算结果表明:列车荷载弯矩、翘曲弯矩以及基础变形附加弯矩是影响配筋的主要因素，特别是基础变形对配筋的影响最大;相比较而言，温度力影响相对较小。因此，严格控制基础变形，特别是路基地段的路基沉降，能够有效地减少配筋量。
城市轨道交通 钢筋桁架轨枕 配筋设计
目前，在国内城市轨道交通中应用的整体道床形式主要有:无枕式、短轨枕式和长轨枕式三种，其中以后两者为主。但是在实际运用的过程当中，上述三种类型的整体道床都曾出现过一些问题，较为突出的是无枕式整体道床承轨台抹面精度不易保证，短轨枕式整体道床轨底坡不易保证，长轨枕式整体道床易出现较多的道床裂缝等。针对上述问题，依托深圳市城市轨道交通三期工程，在充分吸收国铁领域的相关研究成果的基础上，参考德国雷达型轨枕，铁道第三勘察设计院设计研发了适用于城市轨道交通的钢筋桁架式轨枕。本文结合此次新设计的轨枕，充分考虑城市轨道交通建设设计标准、车辆等方面与国铁的不同并满足经济性和安全性的前提下，对钢筋桁架轨枕式整体道床进行配筋设计。
1 钢筋桁架式整体道床的构造
钢筋桁架式轨枕及相应整体道床的构造分别如图1、图2所示。
2 计算参数
1)列车竖向荷载:地铁A型车轴重16 t，考虑一定的安全余量，设计轮载取160 kN。
2)温度梯度:正温度梯度取90℃/m，负温度梯度取45℃/m。
3)整体升降温:根据深圳地区的历年温度变化统计结果，考虑一定余量，取路基及桥梁地段整体温度变化幅度40℃，隧道地段整体温度变化幅度15℃。
图1 城市轨道交通钢筋桁架式轨枕
图2 城市轨道交通钢筋桁架轨枕式整体道床示意(地下段圆形隧道)
4)混凝土收缩:按照降温10℃处理。
5)基础变形取值:路基不均匀沉降按15 mm/20 m半波正弦曲线取值;桥梁挠曲变形按梁端转角1‰取值［1］。
6)扣件:扣件垂向及横向动刚度取56 kN/mm，纵向动刚度取100 kN/mm。扣件间距取600 mm。
7)道床板材料参数:道床板采用C35，弹性模量为31 500 MPa，泊松比为 0.2，线膨胀系数为 1.0× 10－5/℃。
8)支承层参数:路基上整体道床设有板下支承
层。假定支承层在长期运营后将会出现大范围开裂，取支承层弹性模量5 000 MPa。
9)轨道结构下部地基系数:路基地基系数取75 MPa/m;桥梁地基系数取1 000 MPa/m;隧道地基系数取1 200 MPa/m［1］。
10)钢筋材料参数:纵向及横向钢筋均采用HRB400，弹性模量2.0×105MPa，泊松比0.15，线膨胀系数1.08×10－5/℃。
11)道床尺寸:路基地段道床板横断面尺寸取为2.6 m×0.3 m;桥梁地段道床板横断面尺寸取为2.5 m×0.28 m;隧道段道床板横断面尺寸取为2.6 m ×0.3 m。道床统一以6 m长为一个计算单元。
3 荷载计算
3.1 荷载计算方法
本文在进行荷载计算时，依据弹性地基梁板理论建立了轨道结构梁板模型［2-3］，整个无砟轨道模型由
3块道床板组成，以中间道床板作为计算板。钢轨采用梁单元模拟，扣件、道床板与支承层的层间连接以及轨下基础采用线性弹簧单元模拟，道床板及支承层采用壳单元模拟。
列车荷载弯矩采用有限元方法计算，翘曲弯矩、基础变形引起的轨道板弯矩以及伸缩应力按文献［1］计算。
在进行道床配筋计算时采用的荷载组合:
1)路基上，列车荷载+温度梯度+整体温差及混凝土收缩;
2)桥上，列车荷载+温度梯度+桥梁挠曲;
3)隧道内，列车荷载+整体温差及混凝土收缩。在进行道床板结构强度检算及裂缝宽度检算时，按下列荷载组合进行:
1)路基上，列车荷载+温度梯度+路基沉降+温度力及混凝土收缩;
2)桥上，列车荷载+温度梯度+桥梁挠曲; 3)隧道内，列车荷载+温度力及混凝土收缩。
3.2 荷载计算结果
采用上述计算方法，确定道床板配筋设计荷载组合值及检算荷载组合值，如表1、表2所示。
表1 道床板配筋设计荷载组合值
表2 道床板强度检算荷载组合值
4 配筋计算
根据整体道床结构内力计算结果，按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》采用容许应力法进行配筋计算［4］。
1)抗弯计算
由表1可知，路基上整体道床结构在横向上设计正弯矩28.132(kN·m)/m，设计负弯矩为 －40.501 (kN·m)/m，温度变化及混凝土收缩导致的轴向拉力为513 kN/m。选用 HRB400钢筋，容许应力［σs］= 274 MPa，C35混凝土容许应力［σb］=15.2 MPa。假定纵向主筋采用φ16钢筋，横向钢筋采用 φ14钢筋，混凝土保护层厚度取为35 mm。则a1=35+14+16/2 =57 mm，截面有效高度h0=300－57=243 mm。内力偶臂z=0.88h0=0.88×243=214 mm。
负弯矩截面计算配筋面积 As=M/(［σs］Z)=
1 796 mm2。
正弯矩截面计算配筋面积 As1=M/(［σs］Z)= 1 247 mm2。
根据上述计算，道床板下层纵向选取钢筋15根，实际钢筋面积3 016 mm2;道床板上层纵向选取钢筋8根，实际钢筋面积1 608 mm2。
经验算，配筋率 μ下=As/(bh0)=0.5%
μ上=As1/(bh0)=0.26%
相对受压区高度
内力偶臂 Z下=225 mm，Z上=229 mm
则钢筋应力 σs下=259.5 MPa≤［σs］=274 MPa
σs上=199.17 MPa≤［σs］=274 MPa
混凝土应力 σb下=11.48 MPa≤［σb］=15.20 MPa
σb上=6.22 MPa≤［σb］=15.20 MPa钢筋及混凝土强度验算合格。
2)裂缝宽度验算
对于钢筋混凝土结构裂缝宽度，参考混凝土结构设计规范［5］，保护层厚度为30 mm时，室外环境的裂缝宽度容许值为0.2 mm。
以同样的方法可以计算路基上道床板横向配筋以及桥梁上、隧道内的道床板配筋。将道床板配筋结果列于表3。
表3 道床板配筋
5 结论
1)综合比较不同区段钢筋桁架轨枕式整体道床配筋量，路基地段配筋量最大，桥梁地段次之，隧道区段配筋量最小。
2)在各种影响因素中，基础变形附加弯矩对配筋的影响最大，特别是在路基上，发生路基沉降将对道床受力产生较大影响。正因如此，应特别注意控制路基地段的道床沉降。
［1］赵坪锐.客运专线无砟轨道设计理论与方法［D］.成都:西南交通大学，2008.
［2］赵坪锐，章元爱，刘学毅，等.无砟轨道荷载弯矩计算方法［J］.中国铁道科学，2009，30(5):1-4.
［3］王新敏.Ansys工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.
［4］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.
［5］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.
(责任审编 孟庆伶)
U213.2+1
:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.31
2015-04-21;
:2015-05-14
黄河山(1989— )，男，江西赣州人，助理工程师，工学硕士。
1003-1995(2015)09-0111-03
