城市轨道交通高架预制板整体道床设计及动力特性研究

叶 军 张东风 李 楠 裴爱华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

为满足人们往返于城市中心区域与周围卫星城镇或邻近城市的需求，运行时速为100～160 km的市域轨道交通得到了迅速发展。这种快速轨道交通具有快速、高密度、公交化的特点[1]，其线路轨道结构若参照城轨铁路则无法满足速度需求，若直接照搬高速铁路又会造成不必要的浪费。因此，应针对这种快速轨道交通的运行条件开展轨道结构的设计。

我国高速铁路板式无砟轨道多采用预制道床板，可有效避免传统现浇式道床施工进度缓慢、施工质量不均、易开裂变形等问题，且有利于减振地段与普通地段轨道结构形式的统一。已有许多学者对预制道床板进行了相关研究：文献[2]、[3]分别对地铁预制板式轨道的设计优化进行了研究；文献[4]提出了城际铁路无砟轨道的选型原则，并对适用于160 km/h及以下的城际铁路桥上双块式无砟轨道进行了优化设计；文献[5]提出了一种新型轨道板系统，并对其动力性能及减振性能进行了评定；文献[6]提出可在振动要求较高的地段铺设土工布预制板轨道结构的建议；文献[7]针对市域铁路的特点，提出了分别适用于路基、桥梁和隧道地段的无砟轨道结构设计方案；文献[8]对北京新机场线高架地段双块式无砟轨道道床的结构选型及配筋设计进行了研究。

以下针对时速160 km轨道交通运行条件[9]，提出一种适用于高架线路的新型预制板整体道床结构，建立了车辆—预制板式轨道—高架桥空间耦合动力学模型，对所提出的高架预制板整体道床的行车安全性与运行平稳性进行评定，并对其振动特性进行分析。

2 高架预制板整体道床的设计

2.1 结构组成

该预制板整体道床采用装配式结构(如图1所示)，自上而下分别由钢轨、扣件、预应力预制轨道板(带凸台)、自密实混凝土层组成，总高度为600 mm。

(1)钢轨及扣件

采用60 kg/m钢轨和WJ-8B型有挡肩扣件。

(2)轨道板

轨道板为单元式结构，配合WJ-8B型有挡肩扣件，采用C60混凝土工厂预制(2+2双层双向先张预应力体系)，标准轨道板长度有5 300 mm和3 500 mm两种，宽度为2 500 mm，厚度为200 mm。

轨道板底部的钢筋混凝土限位凸台(700 mm×400 mm×140 mm)为一体化预制，采用一板双凸台结构。

(3)自密实混凝土层

在轨道板与高架桥面间灌注自密实混凝土层(钢筋混凝土结构)，宽2 800 mm，长度与轨道板分块长度一致。厚度以轨道板与桥面之间填充密实为准，可同时起到底座与调整层的作用。在设计轨道结构高度为600 mm时，该层的基准厚度为152 mm。

图1 高架桥上预制板式无砟轨道横断面(单位：mm)

2.2 结构特点

(1)预制轨道板采用2+2双层双向先张预应力体系结构，受力合理、强度高，可有效防止轨道板表面开裂，同时可减少轨道板配筋量。

(2)在每块轨道板底部一体化预制2个限位凸台，形成新型限位结构，相较于传统侧向限位、端部限位以及Ⅲ型板门型筋结构，可有效限制轨道板由于列车运动和其他因素引起的纵、横向位移。

(3)通过调整自密实混凝土层厚度，可在一定限度内应对高架桥施工误差乃至桥梁沉降引起的各类特殊工况，适应性强。

(4)取消了传统意义的混凝土底座，降低了轨道结构高度，减小了桥梁二期恒载，具有更好的适应性[10]。

(5)自密实底座宽于轨道板，有利于轨道板下自密实混凝土的充分流动，以确保灌注密实性；同时，宽出部分可设置3%的排水横坡，确保轨道板下无积水。

3 车辆—预制板式轨道—高架桥动力模型的建立

参考国铁无砟轨道设计方法[11-12]，基于车辆—轨道动力学耦合理论[13]，建立车辆—预制板式轨道—高架桥动力空间耦合动力模型。模型包括车辆、预制板式轨道、高架桥梁、轮轨接触以及轨道不平顺5个部分。

车辆模型：采用整车刚体模型，考虑车体与转向架沉浮、横摆、点头、摇头、侧滚，以及轮对的沉浮、摇头、横摆和侧滚(共计31个自由度)。车体、转向架、轮对之间的悬挂采用弹簧-阻尼单元模拟。车辆参数采用基于CRH6型城际动车组平台优化设计后的市域列车参数。

预制板式轨道模型：钢轨、预制轨道板和自密实层均采用实体单元模拟。钢轨、轨道板、自密实层的材料属性见表1。扣件型号为WJ-8B，静刚度为30 kN/mm，动静比取1.4，采用弹簧-阻尼单元模拟。为避免边界反射引起的计算误差，模型长度取为108 m(20块轨道板长度)。

表1 轨道各部件材料设计参数

轮轨间接触遵循Hertz非线性接触理论，选取适用于时速144 km及以上客运线路的美国六级谱作为轨道不平顺激励并施加于钢轨表面。建立车辆—预制板式轨道—高架桥动力空间耦合动力模型(如图2所示)。

图2 车辆-轨道耦合动力分析模型

4 高架预制板整体道床动力特性评估

取列车运行速度为160 km/h，部分车辆及预制板式轨道结构的动力学响应时程曲线如图3～图8所示。

图3 钢轨垂向位移时程

图4 钢轨垂向加速度时程

图5 预制板垂向位移时程

图6 预制板垂向加速度时程

图7 钢轨动弯应力时程

图8 预制板纵向应力时程

由图3～图8可以看出，在动态过车状态下，各动力学指标随时间呈规律性变化，其最大值统计如表2。以文献[14]、[15]、[16]中对车辆和轨道结构动态响应的限值要求为标准，对高架预制板整体道床动力响应进行评定。

表2 高架预制板整体道床动力响应汇总

由表2可知，当列车以最高设计速度160 km/h通过时，高架桥上预制板整体道床结构各动力学指标最大值均位于安全限值之内，且安全余量较大，轨道结构强度与稳定性、行车的平稳性和安全性均处于安全状态，满足规范要求。

5 结束语

以北京新机场线为工程背景，提出了一种具有新型限位结构的装配式双向先张预应力轨道板整体道床结构。为降低桥梁二期恒载，取消了传统预制板结构中的底座设计，在轨道板与高架桥面间直接以自密实混凝土填充，可同时起到底座与调整层的作用，轨道结构高度可降低至600 mm。三维空间有限元分析表明，高架预制板整体道床各项动力特性评价指标均满足规范限值，并且安全余量较大，该高架预制板整体道床安全可靠，可适用于时速160 km的轨道交通线路。