城际铁路弹性支承块式无砟轨道结构优化及检算

刘启宾

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

城际铁路是专门服务于相邻城市及城市群之间，列车设计速度目标值为200 km/h及以下的客运专线铁路，对构建区域城市快速交通圈、促进区域经济发展具有重要的意义和推广应用前景[1-6]。

国内对设计速度目标值200 km/h及以下的铁路，正线通常以铺设有砟轨道为主，在长大隧道及隧道群地段采用无砟轨道[7-9]。目前，国内常用的无砟轨道类型有CRTS双块式、Ⅲ型板式和弹性支承块式三种[10-13]。弹性支承块式无砟轨道结构由钢轨、预埋铁座式扣件、支承块、橡胶套靴及块下垫板、道床板等组成，轨道结构弹性由橡胶套靴、块下胶垫及扣件系统共同提供[14-15]。相比于双块式无砟轨道和板式无砟轨道，弹性支承块式无砟轨道具有造价低、弹性及减振性能好、养护维修便捷等优点[16-17]，对城际铁路行车密度大、天窗时间短且局部以隧道形式穿越城市人口聚集区等特点的适应性强[18-20]。综合分析，弹性支承块式无砟轨道在城际铁路领域具有良好的推广应用前景。

鉴于传统的弹性支承块式无砟轨道应用于客货共线铁路，而城际铁路为客运专线铁路，列车轴重轻，如仍采用传统的结构形式，则不够经济。因此，针对城际铁路特点，对弹性支承块式无砟轨道进行设计优化及检算分析，以在确保弹性支承块式无砟轨道安全服役的同时提高其经济性。

1 结构优化方案

1.1 客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道设计

目前，客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道道床板采用C40现浇钢筋混凝土结构，宽2 800 mm，扣件节点间距为600 mm，轨道结构高度为600 mm。既有客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道横断面如图1所示。

图1 既有弹性支承块式无砟轨道横断面(单位：mm)

1.2 优化设计内容

以既有客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道为基础，结合城际铁路列车轴重轻、编组小的特点，为降低弹性支承块式无砟轨道结构造价、提高其经济性，基于既有工程设计与运营经验对城际铁路弹性支承块式无砟轨道结构进行优化设计，主要优化设计内容如下。

(1)通过对轨道结构整体刚度分析，扣件节点间距由600 mm优化为625 mm。

(2)轨道结构高度由600 mm优化为540 mm。

(3)道床板宽度由2 800 mm优化为2 600 mm。

(4)双线隧道地段，道床板与仰拱回填层之间采用连接钢筋加强连接。

1.3 城际铁路弹性支承块式无砟轨道设计方案

城际铁路弹性支承块式无砟轨道道床板采用C40钢筋混凝土结构，直接浇筑在仰拱回填层上，宽2 600 mm，厚约280 mm，纵向每6.25 m设置1道宽30 mm的伸缩缝。仰拱回填层表面道床板范围内拉毛或凿毛，并预埋“L”形钢筋，确保道床板与仰拱回填层的紧密连接。城际铁路弹性支承块式无砟轨道横断面及平面布置如图2、图3所示。

图2 城际铁路弹性支承块式无砟轨道横断面(单位：mm)

图3 城际铁路弹性支承块式无砟轨道平面(单位：mm)

2 结构检算

2.1 计算参数

钢轨：按照60N钢轨截面特性取值，弹性模量2.1×105MPa。

扣件：刚度70 kN/mm，支点间距625 mm。

道床板：长6.25 m，宽度2.6 m，厚度0.28 m，弹性模量3.25×104MPa。

隧道内支承面刚度按1 200 MPa/m取值。

2.2 荷载取值

根据我国无砟轨道再创新成果，隧道内单元式现浇混凝土无砟道床的检算荷载考虑列车荷载和混凝土收缩荷载两种。

(1)列车荷载

根据TB10623—2014《城际铁路设计规范》，列车荷载包括竖向设计荷载、横向设计荷载，其取值如下。

①竖向设计荷载

Pd=αPj

(1)

式中，Pd为竖向设计荷载；α为动载系数，设计速度160 km/h及以上线路取2.5；Pj为静轮载。

②横向设计荷载

Q=0.8·Pj

(2)

式中，Q为横向设计荷载。

(2)现浇混凝土收缩

现浇混凝土收缩参考《城际铁路设计规范》，按等效降温10 ℃取值。

2.3 计算工况

根据无砟轨道再创新理论，隧道内单元式无砟轨道荷载组合为：设计轮载+混凝土收缩。

2.4 计算方法

(1)列车荷载作用下受力计算

基于“梁-板”分析理论，采用有限元分析软件建立钢轨、扣件、道床板及板底支撑有限元分析模型，对弹性支承块式无砟轨道结构在列车荷载作用下道床板纵、横向弯矩进行计算。模型中钢轨采用空间梁单元模拟，道床板采用板壳单元模拟，扣件及下部基础采用弹簧单元模拟。为消除模型边界效应，建立3块道床板的有限元模型，并针对中间一块道床板进行计算。为得出道床板在列车荷载作用下的最大正、负弯矩，考虑列车荷载作用在板中和板端两种工况。有限元分析模型及列车荷载作用位置分别如图4～图6所示。

图4 有限元分析模型

图5 列车荷载作用在板中(计算最大正弯矩)

图6 列车荷载作用在板端(计算最大负弯矩)

(2)现浇混凝土收缩

现浇混凝土收缩按等效降温10 ℃取值，其计算公式如下

σcs=EαΔT

(3)

式中，σcs为混凝土收缩应力；E为弹性模量；α为线膨胀系数；ΔT为等效降温幅度。

2.5 限值标准

HRB400级钢筋容许应力：215 MPa；

C40混凝土容许应力：13.5 MPa；

裂纹宽度：根据保护层厚度30 mm、裂纹宽度容许0.2 mm进行换算。

2.6 计算结果

模型按照设计荷载工况，计算得出设计轮载作用下道床板弯矩结果如表1所示。

由表1可知：道床板纵向弯矩最大值M=12.36 kN·m/m，横向弯矩最大值M=13.4 kN·m/m。

混凝土构件开裂的临界容许拉应力为

[σcr]=γft

(4)

式中,γ为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数；h为承载层厚度，mm；γm为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数基本值；ft为混凝土抗拉强度设计值，MPa。

表1 设计轮载作用下道床板弯矩计算结果 kN·m/m

混凝土构件由弯矩和轴力引起的混凝土边缘最大拉应力为

(5)

式中，M为列车荷载作用下轨道板弯矩；F为由于温度变化和收缩引起的轨道板内温度拉力；b为道床板宽度；h为道床板厚度。

若σ<[σcr]，则表明在上述荷载组合作用下，承载层不会开裂，根据构造配置钢筋即可。

若σ>[σcr]，则表明道床板将出现开裂，需要对裂缝宽度进行计算，并判断其是否满足最小裂缝宽度限值的要求。

对隧道洞口200 m范围内道床板进行强度检算。

①道床板纵向检算

混凝土应力

σcs=EαΔT=3.25 MPa

σc=σcs+σc1=4.195 MPa

σ<[σcr]

故道床板纵向不会开裂。

钢筋纵向应力

纵向钢筋应力水平较低，远小于容许应力。

②道床板横向检算

混凝土应力

σc=σcs+σc1=4.275 MPa

σ>[σcr]

故道床板混凝土横向会开裂，需要配置结构钢筋。初步配筋设计如表2所示。

表2 道床板横向初步配筋设计

根据配筋设计，对混凝土裂缝宽度进行计算。当混凝土出现裂缝后，假定弯矩全部由受拉钢筋承担，则钢筋应力

(6)

式中，h0为受拉钢筋重心位置至受压区混凝土边缘的距离，mm；As为受拉钢筋面积，mm2。

则：σs=37.04 MPa

裂缝宽度按如下公式进行计算

(7)

经计算可得：ωcr=0.205 mm。

保护层厚度30 mm、裂纹宽度容许值0.2 mm，道床板净保护层厚度为35 mm时，则容许裂缝宽度为0.233 mm。

因此，弹性支承块式无砟轨道在设计轮载及混凝土收缩荷载共同作用下，道床板裂缝的最大宽度为0.205 mm，小于容许裂缝限值。

3 城际铁路与客货共线主要技术经济指标对比

每铺轨公里城际铁路与客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道主要工程数量对比如表3所示。

根据《铁路工程预算定额》(国铁科法[2017]33号文)中的相关规定及方法，基于相同基准条件，测算城际铁路与客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道的经济性对比如表4所示。

表3 城际铁路与客货共线主要工程数量对比

注：数据均为直线地段工程数量

表4 经济性对比分析

可以看出，相比于客货共线铁路，城际铁路弹性支承块式无砟轨道每单线公里可降低投资约32万元，降低投资约10%。

4 结语

主要针对城际铁路特点，对弹性支承块式无砟轨道结构进行优化设计，并对优化后的结构进行检算分析，主要结论如下。

(1)城际铁路弹性支承块式无砟轨道道床板在设计轮载及混凝土收缩荷载作用下纵向只需配构造钢筋即可。

(2)城际铁路弹性支承块式无砟轨道道床板在设计轮载及混凝土收缩荷载作用下横向会出现裂缝，按照配筋设计检算裂缝最大宽度为0.205 mm，小于裂缝容许值。

(3)相比于客货共线铁路，城际铁路弹性支承块可降低投资约10%，具有良好的经济性。