地铁装配式预制板无砟轨道结构优化分析

2022-01-20姜晓文郭世豪王文通

铁道科学与工程学报 2021年12期

姜晓文，郭世豪，王文通

(1.深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司，广东深圳 518057；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；3.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518037）

随着城市规模的不断扩大，传统的地面交通越来越无法满足经济的发展和人们日益增长的出行需求，交通问题势必会引发其他社会问题。因此，我国众多大中城市都大力发展城市轨道交通，地铁是比较常用的交通形式。随着地铁的开通运营，各城市地铁隧道及其轨道结构或多或少出现了一些变形与病害[1]，影响到行车的安全性，增大了养护维修的成本。当前，我国高速铁路无砟轨道技术体系非常成熟[2]，因此，城市轨道交通无砟轨道结构的发展应充分借鉴其成功经验，充分结合城市轨道交通的运营特征，从结构形式、受力特性、环境影响、材料服役特性、运营维护等角度综合考虑，对其几何参数和力学参数进行优化分析，寻求适用于城市轨道交通无砟轨道结构的优化设计方案，对我国包括地铁在内的城市轨道交通无砟轨道结构的发展具有重要的理论研究价值和实践意义。随着经济社会的发展，我国的人口红利正在消失，建筑业面临劳动力短缺、人工成本快速上升的问题，同时目前传统现场施工方式也面临环境污染、水资源浪费、建筑垃圾量大等日益突出的问题[3]。建筑业工业化、智能化可以有效解决这些问题，装配式混凝土建筑是建筑工业化最重要的方式，它具有提高质量、缩短工期、节约能源、减少消耗、清洁生产等许多优点。装配式建筑在北美、欧洲、日韩国家及地区均形成了相对完善的标准和规范，在中国大陆地区除装配式单层工业厂房建筑体系应用较广泛外，其他预制装配式建筑体系的工程应用极少[4]。目前，城轨装配式减振轨道成套技术已通过中国城市轨道交通协会科技成果评价[5]，深圳地铁6号线二期工程正是基于“装配式减振轨道”建造理念来进行该线路的设计、施工，相关设计、施工及科研单位正就其关键技术开展研究，本文选用ABAQUS软件建立新型预制板轨道结构的有限元分析模型，开展轨道结构选型、限位方案、关键几何参数(如轨道板厚度)等3个方面的分析研究，寻求更为合理的轨道结构形式。

1 新型地铁预制无砟轨道结构有限元模型

1.1 新型预制无砟轨道结构特点

作为行车的支撑物，轨道结构是城市轨道交通最主要的技术装备，它直接承受并传递列车荷载，地铁新型预制板式无砟轨道结构(凸台限位)如图1所示。OKADA等[6-7]研究显示，在一些病害频发的地段，地铁无砟轨道板下自密实混凝土会经常性发生破坏。限位凸台I型预制轨道板添加了灌注孔，其作用在于，当出现相关病害时，不必采取吊装轨道板进行病害处理，而是通过灌注孔直接灌注工程材料来处理，人力物力节省显著[8]。

色谱柱：INNOWAX （30 m×0.32 mm×0.25 μm）；进样口：240℃；检测器（ECD）320℃，柱温 150℃保持 1 min，2℃／min 升至 180℃，保持 2 min，40℃／min升至250℃，保持5 min。

图1 地铁新型预制板式无砟轨道结构Fig.1 New prefabricated slab track for subway

新型装配式轨道结构的轨道板在工厂预制，基底为现场摊铺的自密实混凝土，其重难点为研发快速成型并具备一定强度可继续施工的新型混凝土和支撑层摊铺机械，分别由相关单位承担研发。在轨道板和摊铺层之间设置一定厚度的缓冲垫。这种新型装配式无砟轨道结构最大的特点在于实现了自下而上的装配式施工，从施工角度来看更加自动化、智能化，大大缩短了施工时间。

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1.2 新型预制无砟轨道结构有限元模型

入侵是指外界对计算机，互联网，信息系统的破坏性，使其完整性，安全性受到外部活动侵入，而如今，检测是指特殊部门能够利用多种方法识别不法行为，通过收集内外部的活动数据和识别活动行为，来对计算机的整个活动进行分析，识别异常行为。入侵检测系统是能够利用数据分析识别计算机网络系统异常行为，针对所识别出来的异常活动数据进行检测，包括内外部一些用户的行为数据解析，利用这种入侵检测系统能够实时监测到网络运行系统的用户行为，并针对这些异常行为采取有效措施，极大程度控制异常状况。

合理的轨道结构形式是机车运行稳定性和安全性的有效保证。同时，城市轨道交通的轨道结构还需满足减振设计标准，轨道结构的弹性主要来自于扣件系统和减振型轨道结构。弹性较差的扣件会造成严重的轮轨振动与冲击，不仅影响轨道结构的使用寿命，而且也污染周围环境，若超过国家标准，则必须采取处置措施；减振型无砟轨道结构一般通过设置具有一定弹性的缓冲垫来实现，常用于对减振要求高的轨道交通建设中。

新型预制无砟轨道结构自上而下由钢轨、扣件、轨道板、调整层、缓冲垫、基底等部件组成，基于ABAQUS建立的其有限元实体模型(取3块板的长度，扣件采用弹簧单元模拟)如图2所示。该模型中，轨道板、缓冲垫、缓冲垫和自密实混凝土等部件之间设置为面-面接触，垂向采用硬接触，不考虑互相穿透，切向根据实验数据，设置摩擦因数为0. 8；轨道板和凸型挡台之间也设置为面-面接触，摩擦因数为0. 2；钢轨与垫板在纵向和横向无相对位移，混凝土底座底面采用完全固定；混凝土底座、钢轨在线路方向上的边界纵向固定，横向、垂向对称设置。相关技术参数[9]见表1所示。

图2 预制无砟轨道结构有限元模型Fig.2 FEM model of new prefabricated slab track

表1 预制板轨道结构有限元模型参数Table 1 FEM model parameters of new prefabricated slab track

1.3 模型验证

文献[10]中建立的预制板式无砟轨道模型，在只施加车辆荷载(垂向170 kN，横向68 kN，纵向17 kN)的工况作用下其轨道板的应力见表 2；对新型预制板式无砟轨道结构模型施加相同荷载，其计算结果见表2。

表2 车辆荷载作用下轨道板应力比较Table 2 Stress comparison of track slab under vehicle load

由表2可以看出，在轨道结构部件的应力响应方面，本文所建立的实体模型的计算结果与文献计算值在相同工况下的位移结果比较吻合，说明采用ABAQUS实体计算模型与文献理论计算模型在相同工况下所得出的结果有差异，但是差异并未超出可接受范围。因此可以认为由ABAQUS建立的实体模型能够反映新型装配式减振轨道结构的受力实际情况，是可靠的。

2 轨道结构选型优化分析

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凸台和凹槽限位结构构造不同，导致限位效果存在差异。分别采用凸台和凹槽限位的2种板式无砟轨道结构的有限元模型，并在相同位置加载组合荷载(纵、横、垂向荷载及自重荷载)，分析轨道结构的位移响应，表4给出了轨道板的纵、横向位移。

2.1 有调整层有缓冲垫

方块槽型限位模式只用于有自密实混凝土结构层的轨道结构，在桥梁上铺设CRTS I型双块式无砟轨道和CRTS III型板式无砟轨道时应用较为广泛。本文建立路基地段CRTS III型板式无砟轨道结构的有限元模型，路基地段CRTS III型板式无砟轨道自上而下由钢轨、扣件、带挡肩双向后张预应力轨道板、自密实混凝土层、底座板等部件组成。轨道板、自密实混凝土层、底座板均分块设置[14]。轨道结构示意图如图8。

图3 有调整层有缓冲垫的轨道结构Fig.3 Adjustment layer track structure with cushion

圆形凸台限位设计多用于CRTSⅠ型板式无砟轨道。本模型模拟的是城市轨道交通无砟轨道结构，圆形凸台从底座开始浇筑，贯穿调整层与轨道板，在轨道板和限位凸台之间填充橡胶树脂以避免预制轨道板与凸台直接接触导致破坏。轨道板中部形成圆形缺口，与圆形凸台咬合，如图7所示。

图4 轨道结构分析Fig.4 Track structure analysis

2.2 无调整层有缓冲垫

轨道结构中无调整层有缓冲垫的模型如图5所示，组成部件从上到下依次为钢轨、扣件、承轨台、轨道板、缓冲垫和基底。无调整层无缓冲垫的模型示意图如图6，模型中从上到下依次为钢轨、扣件、承轨台、轨道板和基底。施加同样的作用力，统计分析有调整层有缓冲垫、无调整层有缓冲垫和无调整层无缓冲垫的轨道结构应力响应，结果如表3所示。

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表3 不同形式轨道结构结果对比Table 3 Comparison of different forms of orbital structure results

图5 无调整层有缓冲垫轨道模型横断面Fig.5 Cross-sectional view of the non-adjustment layer track model with cushion

图6 轨道模型横断面Fig.6 Cross-sectional view of the track model

对比不同结构形式下轨道板、基底应力分布及最大应力、位移响应结果，可以看出：缓冲垫具有良好的吸能减振效果，环境友好度高，可以显著降低基底的应力效应，同时也会使得轨道板的位移增大；无调整层无缓冲垫的轨道结构形式中，根据应力云图可明显看出有应力集中的现象，为确保轨道结构可以长时间地稳定工作，不建议选用无调整层缓冲垫的轨道结构形式。其他2种轨道结构形式受力情况相差不大，但考虑到造价以及养护维修等因素[11-12]，推荐使用无调整层有缓冲垫的轨道结构形式。

3 限位方案的优化分析

设计中，实现承载、传力和限位功能是无砟轨道结构部件的基本要求[13]。因无砟轨道结构是多层组合结构，层与层之间的位移限制是必要的。我国常用的无砟轨道结构中，多选用圆形凸台式和方块槽型2种限位方案。城市轨道交通无砟轨道结构亦多采用这2种限位方式。本文建立这2种限位方式的有限元模型进行分析，寻求限位效果较优的设计方案。

3.1 圆柱凸型挡台

在此模型上施加跨中荷载，单个集中力大小[10]为80 kN，有调整层有缓冲垫应力、位移响应计算结果如图4所示。基底为作为轨道结构主要承力层，基底表面应力集中状态可反映其长期稳定工作能力，本文主要以基底表面应力集中状态及轨道板、基底最大垂向位移响应为评价指标以反映轨道结构服役性能。

图7 有限元模型限位凸台结构Fig.7 FEM model limit boss structure

有调整层有缓冲垫的轨道结构(见图3)的组成部件从上到下依次为钢轨、扣件、承轨台、轨道板、缓冲垫、调整层和基底。

图8 限位凹槽结构示意图Fig.8 Schematic diagram of the ABAQUS model limit groove structure

3.2 限位效果比较

为了确保提高铜的回收率，在Na2S用量为500 g/t、2#油用量为15 g/t、丁基黄药用量为40 g/t的基础上，调整氧化铜捕收剂羟肟酸钠的用量。试验结果如图5所示。

表4 凸台和凹槽限位效果比较Table 4 Comparison of limit effects

由表4可知：凸台限位轨道板的位移在纵、横向上小于凹槽限位轨道板的位移，纵向正位移相差83.5%、负位移相差82.8%左右，横向正位移相差33.1%、负位移相差46.8%。由此可见：凸台限位方式的限位效果在纵向和横向上均远好于凹槽式限位，而且因为圆形凸台是直接浇注在混凝土回填层的，具有很好的定位功能以及比较美观，因此推荐城市轨道交通无砟轨道结构采用圆形凸台进行限位。

本文选择有调整层有缓冲垫、无调整层有缓冲垫和无调整层无缓冲垫3种结构形式的轨道结构进行分析研究，探讨更为合理的轨道结构形式。

4 轨道板厚度的优化分析

轨道板几何参数(包括长度、宽度、厚度等)的变化会对轨道结构的性能产生直接影响。其中，长度和宽度受桥梁构造、列车构造、轨道结构构造等的影响，其数值不会发生太大变化，因此，在深圳地铁6号线的轨道板设计中，借鉴了高速铁路轨道板的技术参数；而轨道板厚度的变化将会对轨道板的力学性能产生较大的影响[11]，根据城市轨道交通结构和运营之特点，应该进行优化分析，确定更加科学合理的厚度。

本节建模中亦选用列车静荷载为16 t轴重，采用圆形凸台限位，并设不同厚度的轨道板材料、荷载、荷载位置等条件相同，且不考虑配筋的影响，以5 mm为厚度变化单位建立220～300 mm范围内不同厚度的轨道板部件模型[11]，计算其力学性能，计算结果如图9～10所示。

由图9～10可知，除了横向和纵向拉应力随轨道板厚度增加而有较小增加外，垂向拉应力和横向、垂向及纵向压应力均随着轨道板厚度的增加而呈减小的趋势根据计算结果，并且结合既有线路轨道板的服役情况，可以看出，当轨道板厚度在220～300 mm范围时，其拉、压应力变化幅度较小(介于0.011～0.075 MPa之间)，其分布可以认为是比较均匀的，都在限定的范围内。因此，推荐轨道板厚度取该计算厚度范围的中间部分(即250～270 mm)为宜。考虑到轨道板病害处理时存在吊装荷载[12]，轨道板不宜较薄，而考虑造价因素，轨道板不宜太厚，并从安全性和经济性考虑，推荐轨道板板厚为260 mm。