客运专线桥梁段双块式无砟轨道底座优化设计

黄小华，周　帅，杨吉忠（.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都　6003；.西南交通大学机械工程学院，四川成都　6003）



客运专线桥梁段双块式无砟轨道底座优化设计

黄小华1，周帅2，杨吉忠1
（1.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031；2.西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

摘要双块式无砟轨道是客运专线铁路较常用的一种轨道结构形式，底座作为这种轨道结构在桥梁地段的重要组成部分，目前其设计基本参照通用图采用普通钢筋混凝土结构。在工程实践中，由于普通钢筋混凝土结构自身存在一定缺点而不能保证无砟轨道结构底座强度和耐久性。因此，本文结合成渝客专铁路，从配筋率、混凝土强度、裂缝宽度及经济性4个方面对底座优化设计方案进行研究与分析，结果表明:底座采用纵横向钢筋直径10 mm，纵向38根，横向80根（间距160 mm）的钢筋焊网结构配筋方案最优，可作为底座优化设计推荐方案。

关键词客运专线；桥梁；双块式无砟轨道；底座；钢筋焊网

目前，双块式无砟轨道结构基本按照《铁路工程建设通用参考图——高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道》（图号：通线［2011］2351）为依据进行设计，在桥梁地段，双块式无砟轨道结构主要由钢轨、扣件、道床板、底座组成，其中底座为分块式C40钢筋混凝土结构，采用纵向28根、横向66根（间距200 mm）的HRB400φ12钢筋，底座宽度为2 800 mm，长度一般为5 750，6 400，6 440 mm等。这种底座结构存在很多自身特点，底座在施工时，需将纵横向钢筋绑扎成网片后再浇筑混凝土，钢筋网片绑扎纯为人工绑扎，随意性较大，不能够严格控制钢筋纵横向间距、保证钢筋保护层厚度；在浇筑混凝土、振捣密实过程中，易导致绝缘卡断裂，纵横向钢筋间距进一步加大，钢筋保护层厚度将进一步加大或不足；钢筋间距偏大会影响钢筋混凝土强度，钢筋保护层厚度偏大，混凝土裂缝宽度就越大，而钢筋保护层厚度不足，易导致混凝土掉块和露筋，影响无砟轨道结构底座耐久性，进而影响整个无砟轨道结构系统的耐久性与安全性。

在桥梁地段，底座作为双块式无砟轨道结构的重要组成部分，其耐久性在设计中是一项非常关键的指标，而国内目前针对以上影响底座耐久性的不足，进行底座优化设计的相关研究甚少。因此，开展对客运专线铁路桥梁地段双块式无砟轨道底座优化设计的研究很有必要。本文以成渝客专为例，提出了底座优化设计的多种方案，并从底座配筋率、混凝土强度、裂缝宽度和经济性四方面进行了比较分析研究，优化后的设计方案能够弥补底座上述缺点，保证底座混凝土强度和耐久性，也为以后客运专线铁路设计提供了相关技术借鉴。

1底座优化设计方案

1. 1采用钢筋焊网结构

成渝客专是成都至重庆速度为300 km/h的客运专线铁路，枢纽范围以外正线均铺设双块式无砟轨道结构，桥梁段采用WJ-8小阻力扣件，桥台范围铺设常阻力扣件，按跨区间无缝线路设计。

在桥梁地段，针对底座通用参考图采用普通钢筋结构方案的各种缺点，成渝客专在保证底座几何尺寸不变的情况下，采用整体性较强的钢筋焊网结构代替普通钢筋结构方案。钢筋焊网结构有如下特点。

1）钢筋焊网由全自动、智能化生产线制造而成，在工厂严格质量控制下制定网格尺寸、钢筋规格和品质，避免了人工绑扎网不坚固、随意、绑扎错误和偷工减料等情况发生，大大提高了工程质量。

2）钢筋焊网按设计要求铺设后即可浇筑混凝土，省去钢筋现场裁剪及绑扎等过程，加快施工进度，大大缩短施工周期。

3）钢筋焊网纵横向钢筋形成网状结构，加强了与混凝土黏结性，均匀分布所承受的荷载，提高了钢筋混凝土结构的抗裂性能。

4）钢筋焊网施工工艺简单，施工人员在短时间内即可掌握钢筋焊网的施工工艺。

通过分析上述钢筋焊网结构特点可知，底座采用钢筋焊网结构不仅能够弥补采用普通钢筋结构的不足，还有很多自身优点，因此，成渝客专桥梁地段CRTSⅠ双块式无砟轨道结构中底座采用钢筋焊网结构具有可行性。

1. 2钢筋焊网结构底座配筋方案

通用图中底座纵横向钢筋均采用普通螺纹HRB400φ12钢筋，纵向28根，横向钢筋66根（间距200 mm）。通过对比通用图底座采用普通钢筋设计，在保证底座尺寸不变、钢筋间距不小于通用图和配筋率不大于通用图的情况下，提出了12种钢筋焊网结构底座配筋方案，见表1。

表1　底座配筋方案

2　底座优化设计方案比选

在桥梁地段，无砟轨道主力荷载组合主要有列车设计荷载、混凝土收缩荷载和桥梁挠曲荷载。在荷载组合作用下，底座混凝土应力必须小于规范C40混凝土强度设计限值19. 1 MPa，底座裂缝宽度必须小于规范限值0. 2 mm。除混凝土强度和裂缝宽度作为底座优化设计的两个主要技术指标外，工程造价作为工程建设的一个重要指标，经济性比较也应作为底座优化设计的一个指标。

因此，须从配筋率、混凝土强度、裂缝宽度和经济性四方面对成渝客专桥梁地段双块式无砟轨道结构中底座优化方案进行比较分析，得出最优方案。

2. 1配筋率比较

通用图与表1中各方案纵横向配筋率详见表2。

表2　底座配筋率计算

从表2可知，纵向采用32根直径为10 mm、横向采用66根直径为10 mm和横向采用72根直径为10 mm的方案配筋率比通用图中配筋率小很多，其他方案配筋率均与通用图中配筋率大致相同。因此，与通用图相比，只有纵横向钢筋直径为10 mm（纵向分别为36根和38根、横向为80根）和纵横向钢筋直径为11 mm的钢筋焊网结构方案满足要求，即方案⑥，⑨，⑩，○11，○12满足配筋要求。

2. 2混凝土强度和裂缝宽度比较

2. 2. 1计算参数

1）列车荷载［1-2］

静轴重P0= 170 kN，动载系数α= 3，脱轨系数Crp= 0. 8。最大垂向动荷载Pd=αP0/2 = 255 kN，横向设计荷载Q = P0Crp/2 = 68 kN。

2）混凝土收缩影响参数

混凝土收缩以等效降温10℃取值。

3）桥梁变形参数

桥梁竖向挠度、梁端转角θ、墩台沉降按《高速铁路设计规范》（TB 10621—2009）取值。

4）桥上双块式无砟轨道结构参数

钢轨为60 kg/m新轨，扣件节点间距650 mm，扣件动刚度50 kN/mm。道床板和底座采用分块结构，其长度均为6 400 mm，宽度均为2 800 mm，道床板厚度260 mm，底座厚度为210 mm，混凝土等级均为C40，弹性模量Ec为34 000 MPa。底座应力计算时考虑无砟轨道自重荷载，混凝土密度为2 500 kg/m3，钢轨密度为7 850 kg/m3，重力加速度为10 m/s2。

2. 2. 2底座应力计算

桥上双块式无砟轨道采用梁-板-板有限元计算模型，进行列车荷载底座受力计算分析。其中钢轨采用梁单元；扣件采用弹簧单元；道床板采用弹性壳单元；底座采用具有弹性地基刚度的壳单元。道床板壳单元与底座壳单元之间采用弹簧连接，该弹簧单元能够传递垂向压力，但不能传递拉力；桥梁采用弹性地基模拟，在底座的壳单元中输入弹性地基刚度参数。

桥梁变形采用挠度随动法，即根据桥梁挠曲变形的竖向挠度限值，求出底座挠曲弯矩及挠曲应力［3］。

底座在列车荷载、桥梁挠曲荷载、混凝土收缩荷载同时作用下所产生应力最大。根据以上计算结果，在荷载组合作用下底座最大应力见表3。

2. 2. 3底座混凝土强度和裂缝宽度计算［4-5］

按前文可计算出底座弯矩，以便底座混凝土强度和裂缝宽度计算。

针对上文满足配筋率要求的⑥，⑨，⑩，○11，○12钢筋焊网结构设计方案，分别计算底座纵横向混凝土应力、在保证钢筋保护层厚度为35 mm时混凝土裂缝宽度，计算结果见表4。

MPa

表3　桥梁段底座应力

表4　底座混凝土应力和裂缝宽度计算结果

从表4可知，以上各方案混凝土压应力均小于C40混凝土强度设计限值19. 1 MPa，因此，各方案底座混凝土强度满足规范要求。

纵向采用32根钢筋直径为11 mm的配筋方案对应裂缝宽度大于规范限值0. 2 mm［5］，其余方案裂缝宽度均小于规范限值0. 2 mm。因此，方案⑥和方案⑨对应裂缝宽度满足规范要求。

2. 3经济性比较

对通用图、方案⑥和方案⑨进行经济比较，比较结果见表5。

表5　底座经济性比较

从表5可知，与通用图相比，方案⑥总投资比通用图少72. 784万元，方案⑨总投资比通用图增加125. 02万元，但从表1、表4、表5可知，方案⑥纵向裂缝宽度为0. 15 mm，比通用图0. 14 mm大，故选用方案⑨，即纵横向钢筋直径为10 mm，纵向38根，横向80根（间距160 mm）为最优方案。

3　结论

1）针对桥梁地段双块式无砟轨道结构中底座采用普通钢筋方案的特点，以成渝客专为例，提出底座采用整体性较好的钢筋焊网结构方案的可行性，并通过对比底座普通钢筋结构方案，得出钢筋焊网结构12种配筋优化设计方案。

2）从配筋率、混凝土强度、裂缝宽度和经济性四方面对底座12种方案与通用图普通钢筋方案比较分析，得出采用纵横向钢筋直径为10 mm，纵向38根，横向80根（间距160 mm）的钢筋焊网结构方案最优。

3）底座采用整体性较好的钢筋焊网结构在成渝客专铁路上的应用，克服了采用普通钢筋结构的不足，可为以后客运专线铁路设计提供相关技术借鉴。

参考文献

［1］何华武.无碴轨道技术［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］中华人民共和国铁道部. TB 10621—2009高速铁路设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2009.

［3］单辉祖.材料力学［M］. 2版.北京：国防工业出版社，2004.

［4］王森荣.双块式无砟轨道与配筋混凝土路面结构设计研究［J］.铁道工程学报，2010（6）：19-22.

［5］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.

（责任审编孟庆伶）

Optimum Design of Double-block Ballastless Track Base in Bridge Section of Passenger Dedicated Railway

HUANG Xiaohua1，ZHOU Shuai2，YANG Jizhong1
（1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Mechanical Engineering College，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractDouble-block ballastless track is a common track structure used in passenger dedicated railway. As an important part of such track structure in bridge section，the existing basic reference frame of base design adopts the ordinary reinforced concrete structure. In engineering practice，the ordinary reinforced concrete structure has some shortcomings and could not guarantee the base strength and durability of ballastless track structure. Combing with Chengdu -Chongqing passenger dedicated railway，the base optimum design schemes were studied and analyzed from four aspects including reinforcement ratio，concrete strength，crack width and economy. T he research results show that steel welded mesh structure reinforcement scheme is optimal，the base of which uses 38 longitudinal and 80 transverse steel bars with 10 mm diameter and 160 mm spacing，and can be used as the recommended scheme for base optimum design.

Key wordsPassenger dedicated railway；Bridge；Double-block ballastless track；Base；Steel welded mesh

中图分类号U213. 2+44

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 34

文章编号：1003-1995（2016）06-0129-04

收稿日期：2015-12-12；修回日期：2016-02-29

作者简介：黄小华（1984—），女，工程师，硕士。