新型市域快线装配式无砟轨道结构设计

陈 帅

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010)

目前，中心城市正逐渐向外拓展，外围组团、新城或新交通枢纽的建立，导致城市轨道交通线路由市区逐渐向外围拓展和延伸，兼具高速度等级和高密度服务的市域快线应运而生[1-3]。广州市轨道交通18号线是一条设计速度160 km/h的市域快线，具有速度快、轴重大、公交化运营等特点，以往设计经验难以照搬，需结合其工程特点开展轨道结构设计。

相较于现浇道床，装配式无砟轨道具有施工精度高、绿色环保、可维修性好、普通地段与减振地段断面统一等优点。已有许多学者开展装配式无砟轨道应用，曹德志以上海12号线为工程背景，提出地铁预制道床板合理的设计尺寸，并针对预制道床板施工工艺进行相关研究[4]；刘伟斌等结合我国高速铁路板式轨道实践经验，提出一种适用于地铁运营条件的新型板式轨道结构方案[5]；叶军等提出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，并对结构进行动力学特性分析[6]；刘雪峰等优化预制钢弹簧浮置板结构，并对优化后的结构进行场内试制试验[7]；郑强在CRTSⅢ型板式无砟轨道的基础上研发适用于城市轨道交通的预制板式轨道，并在制造工艺及施工工艺等方面进行研究[8]。

以下针对广州市轨道交通18号线工程特点，提出一种新型装配式无砟轨道结构，综合考虑装配式无砟轨道结构的功能、制造、运输、施工和服役状态，采用极限状态法进行结构设计。

1 总体结构设计

1.1 结构组成

新型装配式无砟轨道由钢轨、扣件、预制道床板、土工布/减振垫隔离层、限位凸台、自密实混凝土、混凝土底座等部分组成，见图1。

图1 新型装配式无砟轨道结构组成

1.2 设计理念

在确保结构安全可靠前提下，结合装配式无砟轨道结构的功能、施工、服役状态进行总体结构设计，设计理念如下[9-10]。

(1)结构分层，便于养护维修

新型装配式无砟轨道结构分为预制道床板、自密实混凝土、混凝土底座3层，预制道床板采用C60混凝土，自密实混凝土采用C40，钢筋混凝土采用C35，刚度逐层递变。根据减振需求，在预制道床板和自密实混凝土层间设置土工布或减振垫作为隔离层，便于特殊情况下的养护维修。

(2)一次浇筑，优化施工步骤

每块预制道床板预留2个限位孔，将自密实混凝土从中间灌注孔灌入后，在限位孔里自然形成限位凸台，实现上部结构的限位。相较于CRTSⅢ型板式无砟轨道，解决了下凹限位结构施工质量难以保证的难点，使限位凸台和调整层可一次浇筑完成。

(3)结构稳定，受力明确

新型装配式无砟轨道作为分层结构，各结构层协同受力，共同承受并传递所有荷载，抵抗下部基础的不良变形，以保证轨道结构的稳定性。

1.3 主要部件分析

(1)预制道床板

预制道床板作为轨道结构主要承载层，承受并传递上部荷载，同时为扣件系统提供稳定的支承平台，故预制道床板应具有较高的承载力和耐久性。

(2)土工布/减振垫

土工布/减振垫为轨道结构提供一定的弹性支承，达到减振降噪的目的；同时，协调道床板和自密实混凝土间的变形差异，以达到道床板和自密实混凝土之间的缓冲受力和均匀受力。

(3)自密实混凝土调整层

新型装配式无砟轨道结构采用自上而下的施工顺序，自密实混凝土作为预制道床板与底座板之间的调整层，不仅起着保证轨道结构空间位置的作用，还要承受轨道结构部分纵向和横向弯矩。

(4)钢筋混凝土底座

底座是新型装配式无砟轨道结构的基础，其主要功能是承受上部荷载，抵抗下部基础变形，保证轨道结构稳定。

(5)限位凸台

限位凸台是水平力的主要传力部件，其主要功能是约束预制道床板的纵横向位移，传递轨道结构的纵横向力。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

预制道床板与自密实混凝土层通过土工布/减振垫隔离；自密实混凝土与钢筋混凝土底座通过门形钢筋粘结，可将其视为结合板结构[11]。根据高架减振垫轨道结构，采用弹性地基梁板理论建立计算模型(见图2)。钢轨采用梁单元模拟，扣件、减振垫、下部弹性基础采用弹簧单元模拟，预制道床板、自密实混凝土与底座结合板采用板壳单元模拟。

图2 计算模型

2.2 基本参数

采用CHN60型钢轨、SFC扣件，预制道床板尺寸为3.5 m×2.4 m×0.29 m，自密实混凝土厚0.09 m，钢筋混凝土底座厚度根据限界要求取值(取0.2 m)。新型装配式无砟轨道结构基本参数见表1。

表1 基本参数

2.3 荷载参数

(1)列车荷载

根据Q/CR 9130—2018《铁路轨道设计规范(极限状态法)》相关规定[12]，列车竖向荷载标准值取2倍静轮重，列车横向荷载标准值取为0.8倍静轮重。广州18号线采用市域D型车，轴重17 t，采取单轴双轮的加载方式，加载位置为板中。

(2)温度梯度

板厚220 mm时，最大正温度梯度取90 ℃/m；最大负温度梯度取-45 ℃/m[13-15]，预制道床板厚290 mm，根据线性内插法，修正系数取0.815。

(3)基础变形

路基不均匀沉降按15 mm/20 m半波余弦曲线取值；桥梁翘曲变形按半波余弦曲线取值，梁端转角取σmax=L/1 600。

3 预制道床板配筋设计

3.1 列车荷载效应

(1)列车竖向荷载

采用弹性地基梁板模型，计算列车竖向荷载作用下预制道床板的纵向弯矩和横向弯矩，计算结果见表2。

表2 列车竖向荷载效应 kN·m/m

(2)列车横向荷载

列车横向荷载效应可按式(1)计算，有

Mh=0.3Q·h

(1)

式中，Mh为列车横向荷载产生的弯矩；h为道床顶面至轨面距离；Q为列车横向荷载标准值。

经计算，列车横向荷载产生的单位宽度弯矩为1.69 kN·m/m。

3.2 温度梯度作用效应

温度梯度作用效应可按式(2)计算，有

(2)

式中，Mt为预制道床板温度梯度作用弯矩；W为弯曲截面系数；αt为混凝土线膨胀系数，取1×10-5/℃；γ为混凝土泊松比0.2；ΔT为温度梯度取值；Ec为预制道床板混凝土的弹性模量。

经计算，温度梯度作用效应见表3。

表3 温度梯度作用效应 kN·m/m

3.3 基础变形作用效应

基础变形作用效应可按式(3)计算，有

Mnq=EIκ

(3)

式中，Mnq为预制道床板基础变形作用弯矩；EI为预制道床板抗弯刚度；κ为下部基础变形曲线曲率。

桥梁挠曲最大变形曲线曲率为1.926×10-4，则桥梁挠曲变形引起的预制道床板纵向正弯矩为14.63 kN·m/m。

3.4 荷载组合

预制道床板的承载能力极限状态，应取基本组合和偶然组合中最不利者，对构件正截面承载能力进行设计，普通钢筋混凝土预制道床板的正常使用极限状态应取标准组合进行截面裂缝宽度的验算[16]，荷载组合方式见表4。

表4 荷载组合方式

将列车荷载弯矩标准值Mdk、温度梯度作用弯矩标准值Mtdk、桥梁挠曲变形作用弯矩标准值Mnqk按表4进行组合，得到预制道床板设计荷载组合(见表5)。

表5 设计荷载组合 kN·m/m

3.5 设计荷载配筋设计

根据单筋矩形截面配筋设计原理[17]，按基本组合和偶然组合的最不利弯矩进行配筋，采用HRB400热轧带肋钢筋，抗拉强度设计值为360 MPa，C60混凝土抗压强度设计值为27.5 MPa，抗拉强度设计值为2.04 MPa。纵横向钢筋均采用上下对称布置，预制道床板单层配筋结果见表6。

由表6可知，当预制道床板纵向单层布置27根φ14 mm的HRB400钢筋，横向单层布置29根φ14 mm的HRB400钢筋时，纵横向裂缝宽度均小于0.2 mm，配筋率均大于最小配筋率(0.2%或0.45ft/fy的较大值)，符合设计规范要求。

3.6 临时荷载配筋检算

预制道床板作为工厂预制件，除进行服役状态下的结构设计外，还需对制造、运输、施工时的临时荷载进行检算[18]。临时荷载效应计算结果见表7。

表7 临时荷载效应 kN·m

由表7可知，预制道床板在制造、运输、施工过程中的荷载效应均小于设计荷载，按设计荷载进行配筋可满足预制道床板在制造、运输、施工过程中的承载能力要求。

4 结论

在总结我国高速铁路装配式轨道实践经验的基础上，结合市域快线速度快、轴重大、公交化等特点，提出一种适用于市域快线的新型装配式无砟轨道结构方案。基于极限状态法对高架线减振垫轨道结构的预制道床板进行配筋设计，针对配筋结果进行临时荷载检算，得到如下结论。

(1)新型装配式无砟轨道结构为多层结构，由钢轨、扣件、预制道床板、土工布/减振垫、限位凸台、自密实混凝土、钢筋混凝土底座各结构层组成，各结构层协同受力，共同抵抗变形。

(2)当预制道床板纵向单层布置27根φ14 mm的HRB400钢筋，横向单层布置29根φ14 mm的HRB400钢筋时，纵横向裂缝宽度均小于0.2 mm，配筋率均大于最小配筋率(0.2%或0.45ft/fy的较大值)，符合设计规范要求。

(3)预制道床板制造、运输、施工荷载效应均应小于设计荷载效应，按设计荷载效应进行配筋计算并满足预制道床板在制造、运输、施工等临时荷载作用下的强度要求。