雅万高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构深化研究

2020-11-07刘伟斌王继军王梦李永潇

铁道建筑 2020年10期

刘伟斌王继军王梦李永潇

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路国际有限公司，北京 100055）

印度尼西亚雅加达至万隆高速铁路正线长142.3 km，其中桥梁73.9 km，路基51.9 km，隧道16.5 km，沿线设置4 座车站，最高设计速度为350 km/h。基于中国高铁科研成果和运营实践经验，结合雅万高铁运营环境，本线设计单位提出速度超过300 km/h 的地段及长大隧道内采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，长度约为85 km。

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国自主研发的轨道结构，已形成完善的技术体系［1］，并广泛应用于我国盘营、郑徐、京沈、商合杭等多条高速铁路，积累了丰富的工程建设及运营实践经验。CRTSⅢ型板式无砟轨道为单元式无砟轨道结构，主要由钢轨、扣件系统、复合轨道板、隔离层、弹性缓冲垫层、底座等部分组成，如图1 所示。本文结合雅万高铁沿线气候环境特点开展深化研究，以提高雅万高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道结构技术经济性。

图1 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构

1 沿线气候环境特点分析

雅万高铁沿线属热带雨林气候，终年炎热潮湿，无四季分别，按降雨量大小分为旱季、雨季［2］。每年11月至次年3月为西北季风期，多雨多云；4月至10月为东南季风期，晴天多而雨量相对较少。沿线主要气象要素见表1。

表1 雅万高铁沿线主要气象要素

由表1 可知：雅加达地区和万隆地区最大极端温差分别为20.9，24.8 ℃；雅万高铁沿线空气湿度一般大于70%，最高可达90%以上，年平均相对湿度约为79%；沿线降雨量充沛，年平均降水量均在2 000 mm之上，且年降雨时间超过半年。

根据相关气象资料统计，我国不同地区气温变化较大：北京市极端最高气温为41.5 ℃，极端最低气温为-27 ℃；哈尔滨市极端最高气温为36.7 ℃，极端最低气温为-34.6 ℃；海口市极端最高气温为40.5 ℃，极端最低气温为2.8 ℃。其中海口市最大极端温差最小，为37.7 ℃。以极端温差作为比较参数，雅万高铁沿线温差相对较小，与我国海口市相比最大极端温差仍小13 ℃。我国空气湿度一般为40%～80%，年平均降水量为628 mm，且分布不均匀，东南沿海的广东、福建、江西、浙江等地区年降水量约为1 500～2 000 mm。

综上，雅万高铁沿线气候环境具有温差小、降雨量大、降雨天数多、空气湿度大等特点，与我国CRTSⅢ型板式无砟轨道线路沿线气候环境差异较明显。

2 设计荷载取值

根据客运专线无砟轨道技术再创新研究成果［3］和我国现行相关设计规范［4-5］，无砟轨道设计荷载主要包括列车垂向荷载、列车横向荷载、温度梯度荷载、整体温差荷载等，并以基础变形作为特殊检算荷载。雅万高铁基于中国标准设计，列车荷载和基础变形可与我国现行规范中取值相同，但由于设计荷载中温度梯度和整体温差取值是在我国大量测试数据基础上统计分析获得的，而雅万高铁沿线气候环境条件与我国差异较明显，需结合其具体条件进行温度荷载取值研究。

2.1 轨道板最大温度梯度取值

2.1.1 最大温度梯度推算公式

印度尼西亚混凝土路面、机场跑道等设计规范未明确规定温度梯度荷载取值，相关研究也较少，需根据雅万高铁沿线气象条件推算CRTSⅢ型板式无砟轨道复合轨道板温度梯度取值。

混凝土路面结构与高速铁路无砟轨道结构高度相似，可借鉴温度梯度相关研究。影响混凝土板最大温度梯度的气象因素主要有太阳辐射、气温和风速［6-7］。风速受局部环境诸多因素的影响，波动较大，在回归分析时通常采用常数风速来代表，回归公式中该因素可不列入。太阳日总辐射量和日温差同最大温度梯度相关程度也不尽相同，太阳日总辐射量与最大温度梯度的相关性最为密切，而同太阳日总辐射量相比，日温差与最大温度梯度相关性要小很多，有些地区甚至无明显相关性。采用文献［6］中基于实测数据得到的一元回归公式进行轨道板最大温度梯度的推算，其表达式为

式中：Tmax为22 cm 厚混凝土板最大温度梯度，℃/cm；Q为太阳日总辐射量，Cal/cm2。

2.1.2 雅万高铁沿线太阳日总辐射量

印度尼西亚属赤道季风气候，Morrison 等［8］对印度尼西亚10 个气象站太阳日总辐射量进行了统计分析，其中雅加达的数据采集时间为1969 年至1976 年。统计分析表明：万隆地区太阳日总辐射量最大值约为15 MJ/m2；雅加达地区太阳日总辐射量小于15 MJ/m2的天数约占53%，日总辐射量小于20 MJ/m2的天数约占95%；每年太阳辐射的分布规律具有较好的一致性。建议雅万高铁无砟轨道设计时太阳日总辐射量按20 MJ/m2考虑。

2.1.3 复合轨道板温度梯度取值

根据式（1）和对雅万高铁沿线太阳日总辐射量的统计分析，可得雅万高铁预制轨道板最大温度梯度为Tmax=0.65 ℃/cm。由于该值是在板厚22 cm时得到的，因此需结合复合轨道板厚度进行修正。根据文献［5］相关规定线性内插计算后的修正系数为0.815。对于29 cm厚的复合轨道板，取Tmax=0.53 ℃/cm。

2.2 底座整体温差取值

由表1可知，雅加达地区历年极端最高气温、极端最低气温分别与年平均气温相差约10 ℃；万隆地区历年极端最高气温、极端最低气温分别与年平均气温相差约13 ℃。考虑施工阶段气温与年平均气温有一定偏差，雅万高铁无砟轨道混凝土底座温差可以取15 ℃。

3 无砟轨道结构方案优化

3.1 荷载效应分析

由上述分析可知，雅万高铁无砟轨道设计中整体温差、温度梯度等荷载参数与我国存在较大差异，有必要对轨道板、自密实混凝土层、底座的参数等进行深化研究，进一步提高雅万高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道的技术经济性。

根据文献［3，5，9］，计算CRTSⅢ型板式无砟轨道荷载效应，得到雅万高铁和中国高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道设计荷载取值，结果见表2。

表2 雅万高铁和中国高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道设计荷载对比

3.2 预制轨道板设计

我国在遂渝铁路无砟轨道试验段、武广高速铁路武汉综合试验段、广深港高速铁路、广珠铁路、西宝高速铁路试验段、成贵高速铁路等线路铺设了普通钢筋混凝土轨道板，现场调研发现，试验段轨道结构及轨道板状态良好，可见裂纹较少，表明普通钢筋混凝土轨道板结构满足高速列车运行安全性、平稳性要求。鉴于雅万高铁温度条件较好，温度梯度及整体温差均较小，建议雅万高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道采用普通钢筋混凝土轨道板。

基于荷载效应分析方法，分别计算雅万高铁和中国高铁的列车荷载、温度梯度、基础变形等荷载效应并进行组合，获得不同线下基础条件下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构复合轨道板的荷载效应设计值，见表3。

表3 雅万高铁和中国高铁复合轨道板荷载效应设计值对比

由表3可知，相比于中国高铁，由于温度梯度幅值变小，雅万高铁复合轨道板荷载效应设计值在路基和桥梁地段有一定降低。因此，可对复合轨道板进行配筋设计优化。根据最不利荷载效应组合及弯矩分配分析，不同线下基础条件下长度5.6 m 预制轨道板荷载效应优化设计值见表4。

表4 雅万高铁预制轨道板荷载效应优化设计值

由表4 可知，隧道地段由于不考虑温度梯度的影响，轨道板受力较小。雅万高铁隧道里程比例为11.6%，占比较小。统筹轨道板制造和铺设的便利性，宜按受力相对不利的路基和桥梁地段进行设计，即轨道板纵向设计弯矩为27.68 kN·m，横向设计弯矩为24.57 kN·m。

普通钢筋混凝土轨道板混凝土强度等级为C50，轨道板裂缝宽度按照0.2 mm 控制，对长度5.6 m 轨道板（图2）进行配筋设计，见表5。根据预制轨道板荷载效应设计值及配筋情况，分别对轨道板横断面、纵断面混凝土裂缝宽度进行检算。结果表明，裂缝宽度满足0.2 mm限值要求。

3.3 自密实混凝土层配筋设计

列车荷载作用下自密实混凝土层处于复合轨道板受拉区。由于雅万高铁路基、桥梁等露天地段复合轨道板设计弯矩相对较小，自密实混凝土层具备配筋设计优化的条件。

图2 长度5.6 m轨道板尺寸（单位：mm）

表5 预制轨道板配筋数量

基于表3 中雅万高铁复合轨道板荷载效应设计值，按照单筋截面进行配筋设计。自密实混凝土强度等级为C40，配置单层钢筋网片。雅万高铁自密实混凝土层配筋设计与我国高铁配筋设计对比见表6。可知，与中国高铁相比，雅万高铁路基和桥梁地段自密实混凝土层配筋可节约10%左右。

表6 雅万高铁与中国高铁自密实混凝土层配筋对比

3.4 路基地段底座分段长度设计

混凝土底座是轨道结构重要承力层。当底座分段长度较长时，在整体温度荷载作用下，由于受到的复合轨道板下隔离层的摩擦力、限位凹槽周边弹性缓冲垫层的约束力和底座下表面的摩擦力都会增大，底座中部产生的纵向拉应力也会相应增大，开裂后会影响结构的承载性能和耐久性；当底座分段长度较短时，由于底座底部所能提供的横向抗力较小，其横向稳定性可能得不到保证。因此，参考文献［10］进行路基地段底座合理分段长度分析。

3.4.1 底座整体降温影响分析

为分析整体降温对不同分段长度的底座受力的影响，建立有限元模型，对路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构受力情况进行分析。模型中钢轨、轨道板、自密实混凝土层、底座均采用实体建模，自密实混凝土层与底座接触的非凹槽区域采用面-面接触进行模拟。轨道板与自密实混凝土间采用绑定约束，底座底面采用双线性弹簧模拟路基刚度以及底座底面与基床表层之间的摩擦。分段长度分别取1～6 块轨道板，单块板长度为5.6 m。

根据雅万高铁的具体条件，对轨道结构施加整体降温15 ℃荷载，并与中国高铁采用的整体降温40 ℃荷载进行对比分析。不同分段长度的底座纵向拉应力见表7。可知，整体降温幅值及分段长度对底座拉应力影响显著，且随着底座长度增加影响程度逐步降低。在整体降温15 ℃荷载作用下，6 块轨道板长度时底座纵向拉应力为2.008 MPa。考虑常用列车竖向设计荷载作用下底座纵向拉应力为0.500 MPa，叠加后已接近C40 混凝土抗拉极限强度2.700 MPa。为防止运营阶段底座普遍出现横向裂纹，影响结构耐久性，建议雅万高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道底座分段长度不宜超过6块轨道板。