（道路与铁道工程专业论文）桥上纵连板式无砟轨道底座板耐久性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：无砟轨道结构的耐久性是影响其技术经济合理性的重要因素，我国无砟轨 道一般不进行耐久性设计和检算，因此有必要对无砟轨道结构耐久性进行研究。 其中裂缝控制和疲劳检算是耐久性设计中的主要内容。 桥上纵连板式无砟轨道在结构组成和设计理论上有其特殊性，核心结构是底 座板。本文对耐久性的两个主要因素裂缝和疲劳进行了研究，分析了底座板 裂缝的产生原因和影响，以及底座板的抗疲劳状况； 本论文研究了德国博格公司采用的基于刚度折减的底座板设计方法，结合我 国混凝土结构裂缝宽度计算方法，对底座板裂缝宽度进行了检算。研究表明，基 于刚度折减的底座板轴向拉压理论与我国混凝土结构裂缝计算方法有一定相关 性，可以计算不同条件下的最大裂缝宽度。影响裂缝宽度的主要因素是配筋率， 为满足现有规范对裂缝宽度要求，需要较大的配筋率。 本论文建立了桥上纵连板式无砟轨道底座板疲劳检算模型，该模型采用三维 实体单元模拟各主要结构，考虑了底座板的抗弯刚度，可分析结构的受力、变形 和局部应力，分析问题更加全面细致。计算表明，底座板的疲劳性能主要取决于 应力水平和钢筋疲劳极限。混凝土结构设计规范中规定的钢筋疲劳应力幅较为宽 泛，而基于钢筋s - n 曲线和无砟轨道寿命要求得到的钢筋疲劳应力幅较为苛刻。 轨道板、砂浆和底座板在长期工作中不可避免出现开裂，造成抗弯刚度折减， 考虑这方面因素，对底座板受力进行分析，计算表明底座板弯矩和钢筋受力有所 变化。 关键词：高速铁路；无砟轨道；纵连板；底座板；耐久性；裂缝；疲劳 分类号：u 2 1 3 2 a b s t r a ( 了r a bs t r a c t a b s 。i r a c i ： d u r a b i l i t y i sa i m p o r t a n t f a c t o r e n s u r i n g t h et e c h n o e c o n o m i c r a t i o n a l i t yo f b a l l a s t l e s s t r a c ks t r u c t u r e g e n e r a l l yb a l l a s t l e s st r a c kd e s i g nd o e sn o ti n c l u d et h ed e s i g n a n dt h ec a l c u l a t i o no fd u r a b i l i t y i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hd u r a b i l i t yo f b a l l a s t l e s st r a c k ， w h i c hm a i n l yi n c l u d ec r a c kc o n t r o la n df a t i g u ec h e c k c o n t i n u o u s s l a b - t r a c ko nb r i d g ei sq u i t ed i f f e r e n ti ni t ss t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t s a n dd e s i g nt h e o r y n ek e yc o m p o n e n ti sf o u n d a t i o np l a t e t t l i sp a p e rd i s c u s s e st h et w o m a i ni t e m so fd u r a b i l i t ) i 吨r a l c ka n df a t i g u e t h i sp a p e ra n a l y s i st h ep r o b a b l er e a s o n s a n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fc r a c k i n g , a n da n t i f a t i g u ep r o b l e mo ff o u n d a t i o np l a t e t l l i sp a p e rr e s e a r c h e sf o u n d a t i o np l a t e sd e s i g nm e t h o db a s e do nt h et h e o r yo fs t i f f n e s s r e d u c t i o nb ym a xb 6 9 l ，c a l c u l a t e sa n dc h e c k sw i d t ho ft h ec r a c kr e f e r r i n gc a l c u l a t i n g m e t h o du s e di nc h i n a s t u d ys h o w st h a tt h et w om e t h o d sh a v es o m er e l e v a n c e ，a n dc a n b eu s e dt oc a l c u l a t et h em a x i m u mc r a c kw i d t hi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s r e i n f o r c e m e n t r a t i oi st h ek e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e sc r a c kw i d t h ，t om e e tt h er e q u i r e m e n to fc u r r e n t c o d e ，al a r g e rr e i n f o r c e m e n tr a t i oi sn e e d e d t 1 1 i sp a p e re s t a b l i s h e sac a l c u l a t i o nm o d e lo ff a t i g u e 1 1 1 em o d e lu t i l i z e3 df i n i t e e l e m e n t st os i m u l a t et h em a i nc o m p o n e n t s ，c o n s i d e r i n gf o u n d a t i o np l a t e sb e n d i n g r i g i d i t y , c a nb eu s e dt oa n a l y s i sf o r c ea n dd i s p l a c e m e n ta n dl o c a ls t r e s so ft h es t r u c t u r e m o r ec o m p r e h e n s i v e l y i td e c l a r e st h a tt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ff o u n d a t i o np l a t e d e p e n d so ns t r e s sl e v e la n df a t i g u el i m i to fs t e e l 1 1 1 ef a t i g u es t r e s sa m p l i t u d el i m i t r e q u i r e di nc o n c r e t es t r u c t u r ed e s i g nc o d ei sb r o a dc o m p a r a t i v e l y ；t h el i m i tp r o v i d e d b ys t e e l ss nc u r v ea n dd e s i g nu s e l i f eo f b a l l a s t l e s st r a c ki sl e s s i nt h e i rl o n g - t e r mw o r k i n gl i f e , t r a c ks l a b s ，m o r t a ra n df o u n d a t i o np l a t e sw i l lc r a c k i n e v i t a b l y 1 1 l i sp a p e rc a l c u l a t ea n da n a l y s i sw i t l lc o n s i d e r a t i o no ft h i si t e m ，f i n d st h a t t h em o m e n to ff o u n d a t i o np l a t ea n dt h ef o r c eo fs t e e lc h a n g e s k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l ；b a l l a s t l e s st r a c k ；c o n t i n u o u s - s l a b t h c k ：f o u n d a t i o n p l a t e ；d u r a b i l i t y ；c r a c k ；f a t i g u e c i a s s n o ：i ，2 13 2 北京交通大学硕士论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特i i ：i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 虢晦约黼期：年厂月鲫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 臁孕刍 、 ， 导师答名：墨 签字吼吖年月力日 签字日期年夕月沙日 致谢 本论文的工作是在我的导师高亮教授的悉心指导下完成的，高亮教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来高亮 老师对我的关心和指导。 蔡小培老师和肖宏老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，马鸣楠师兄给了我许多帮助和指点，教会了 我许多东西；郝建芳师姐借给我许多第一手资料，曲村师兄、曲建军师姐、辛涛 师兄对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 我的同门乔神路对我的论文提出了细致而专业的意见以及建设性的建议；常 卫华、刘玮、郭积程为我提供了许多相关资料，并且在一起进行科研的过程中给 了我许多帮助，在他们身上我也学习了很多，在此一并表示感谢。 感谢我的家人，他们的理解和支持是我一直前进的动力。 绪论 1 绪论 有砟轨道具有结构简单、铺设容易、更换方便和弹性良好的特点，所以能延 续采用至今，成为传统的轨道结构。但在应用中，由于道砟是松散的碎石，在列 车作用下，道砟的磨损、坍塌、局部陷入路基等，导致轨道变形加剧，产生不平 顺，故每隔一定时间就需要进行养护维修。f 2 】 无砟轨道是一种少维修的新型轨道结构，利用成型的组合材料代替碎石道 砟，广泛应用于高速铁路和城市轨道交通领域。无砟轨道常用于铁路隧道和地下 铁道、无砟桥梁上以及有特殊需要、基础又经过适当处理的土质路基上。 无砟轨道具有高稳定性、高平顺性和少维修等特点，在铁路运营中逐渐取得 了明显优势，尤其是随着客运专线和高速铁路的修建，无砟轨道更显出其优越性 和重要性。随着应用经验的积累，无砟轨道在设计和施工中存在的技术问题正在 逐步解决，在运营过程中出现的病害已能得到有效的预防和治理。无砟轨道的修 建造价在大幅度下降，与有砟轨道相比较，无砟轨道修建时所增加的投资，一般 可望在一至二个轨道大修周期内依靠节省轨道维修投入得到收回，无砟轨道的经 济效益日见突出。 我国正在大力发展铁路建设，尤其是高速铁路的建设。我国国情和地域特点 决定了我国铁路使用率高，同时考虑高速铁路和客运专线要求线路具有高稳定性 和高平顺性，维修与运营的矛盾将更加突出，因此积极采用无砟轨道结构具有重 要意义。 1 1 无砟轨道发展现状 自上世纪6 0 年代开始，许多国家相继开展了各类无砟轨道结构的研究与铺 设，并得到了不同程度的发展，而一些国家已把无砟轨道作为高速铁路的主要结 构型式进行全面推广应用，并取得了显著的社会和经济效益，其中以日本、德国 最具代表性。我国也开展了对无砟轨道的一系列研究，在引进消化吸收再创新 的过程中，取得了一定的成果，并在实际建设运营中积累了一定的经验。 2 1 1 1 1 国外发展现状 目前世界上高速铁路无砟轨道结构类型的发展方向可分为两类，即：预制混 凝土板式轨道和带轨枕或支承块的现浇混凝土式无砟轨道。其中预制混凝土板式 北京交通大学硕士论文 轨道又分为单元板式( 如日本板式轨道) 和纵向连续板式( 如博格板式轨道) 。 1 ) 日本新干线板式轨道 日本无砟轨道技术主要以新干线板式轨道结构为代表。2 0 世纪7 0 年代，板 式轨道作为日本铁路建设的国家标准进行推广。因此，日本的板式轨道应用非常 广泛。日本板式轨道主要由钢轨、扣件( 扣件型式主要为直结型扣件) 、轨道板、 c a 砂浆及底座等组成( 如图1 1 所示) 。 图1 - 1 日本板式无砟轨道基本组成 f i g 1 - ib a s i cc o m p o n e n t so f j a p a n - s l a bt r a c k 为节省板式轨道的建设成本，减小轨道板的翘曲，改善轨道板的横向应力分 布，在标准a 型轨道板的基础上，研制出普通混凝土和预应力混凝土框架式轨道 板( 图1 2 ) ，并自北陆、九州和东北( 盛冈八户) 新干线开始推广应用。采用 框架式轨道板的优点是：可以克服因温度变化引起的板的翘曲，防止c a 砂浆损 坏，减少维修量；减少板的体积和重量及c a 砂浆用量，降低生产成本和运费， 获得更好的经济性；改善施工性能，板下c a 砂浆充填质量更加均匀。 。：， 轨道皈 图1 2 框架型板式轨道基本组成 f i g 1 - 2b a s i cc o m p o n e n t so ff r a m es l a bt r a c k 日本板式轨道具有无砟轨道所具有的线路稳定性、刚度均匀性好、线路平顺 2 性、耐久性高的突出优点，并可显著减少线路的维修工作量。 2 ) 德国r h e d a 型无砟轨道结构 德国的无砟轨道结构型式很多，但概括起来主要有两大类，一类为整体结构， 男一类为轨枕支承式结构。整体结构中又分为现浇混凝土型和预制板型两种。 r h e d a 型无砟轨道结构是德铁无砟轨道最主要的结构型式，在德铁铺设的无 砟轨道中约占一半左有。r h e d a 型无砟轨道于1 9 7 2 年铺设于德国比勒菲尔德至哈 姆的一段线路上，以r h e d a 车站而命名。在使用过程中进行了不断优化，从最初 的r h e d a 普通型发展到现在的p h e d a 2 0 0 0 型。 r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道系统由钢轨、高弹性扣件、改进的带有桁架钢筋的双块 式轨枕、现浇混凝土板和下部支承体系组成。如图卜3 所示。 s v s t e m r h l , d a2 0 0 0 蹦1 - 3 k h e d a 2 0 0 0 无砟轨道基本组成 f i g l - 3b a s i cc o m p o n 肋t so f r h e d a 2 0 0 0 t r a c k 3 ) 德国z 曲l m 型无砟轨道 z f i b l i n ( 旭普林) 型无砟轨道于1 9 7 4 年开发。z f i b l i n 型无砟轨道结构型式与 p , h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道结构形式基本相同，但其双块式轨枕下部不露钢筋，中间 由钢筋桁架相连。z i b l i n 与r h e d a 的主要差异是在施工方式上。z f i b l i n 的施工方 式是在现场混凝土道床板浇筑以后，通过振动方式将轨枕“振入”到新鲜的混凝 土中，使轨枕和道床板成为一个整体结构。此时的混凝土必须具有一定的密度， 以确保只能将轨枕“振入”其中，而不允许轨枕靠重力“沉入”其中( 如图1 - 4 ) 。 旭普林型无砟轨道研发初衷是寻求种高度机械化的施工方法，以解决r h e d a 型 轨枕埋入式无砟轨道传统手工施工带来的进度馒、成本高的问题。 北京变通人学硕士论文 图1 4 铺设中的z i b l m 无砟轨道 r g 】4 z u b l ml a c k b e i n gc o n s t r u c t e d z u h l i n 型无砟轨道主要优点为：结构整体性强，新老混凝土的结合丽连接强： 道床板混凝土的密实度较好：施工精度、机械化程度高。 4 ) 德国博格板式无砟轨道 博格( b 6 9 1 ) 板式无砟轨道系统的前身是1 9 7 7 年铺设在德国卡尔斯费尔德 达豪的一种预制板式无砟轨道。博格公司对达豪试验段预制板式轨道进行了包括 预应力、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进，采用先进的数控机床加工预制 轨道板上的承轨槽，采用高性能沥青水泥砂浆提供适当的弹性和粘结，并使用高 精度、快速便捷的测量系统。博格公司为轨道板施工研制了成套设各，使得博格 板式轨道施工机械化程度高于一般轨道结构。1 9 9 9 年，博格公司分别在卡尔斯鲁 尔一海德堡的罗特马耳西车站铺设了6 5 6 m ( 直线) b 6 9 l 轨道试验段、议堡一成斯 特兰德的哈特斯德特铺设了2 8 5 m ( 曲线) b 6 9 l 轨道试验段，试验效果良好。2 0 0 0 年，e b a 颁发了“博格系统”无砟轨道的建造许可证。2 0 0 6 年5 月投入运营的 纽伦堡一英格施塔特线铺设了3 5 公里( 双线) 的b j g l 轨道设计速度3 3 0 k m h 。 路基上博格无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、砂浆调整层及水硬性材料支承 层等部分组成。如图卜5 所示。曲线地段超高在路基表层设置。其抵抗纵横向作 用力的方式是轨道板问纵向螺杆和夹紧装置联结。 绪论 图1 - 5 路基上的博格无砟轨道组成 f i gl 一5b a s i c e o m p o n t so f b s g l t r a c k o ns u b g r a d e 桥上的博格无砟轨道结构与路基上有较大区别。在12 章节中会详细介绍。 5 ) 其他国家和地区无砟轨道 除了德国和h 本外许多国家和地区也进行了无砟轨道的试验和试铺。法国 高速铁路以有砟轨道为主，但在地中海t g v 的一库长7 8 k i n 隧道内试铺了双块 式( v s b 型) 无砟轨道结构。英国自1 9 6 9 年开始研究和试铺p a c t 型无砟轨道， 到1 9 7 3 年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥、 隧结构上应用，铺设总长度约为8 0 k i n 。瑞士国铁于1 9 6 6 年在隧道内首次采用弹 性支承块式无砟轨道结构( l v t ) ，最高速度2 0 0 k m h 的英吉利海底隧道也采用了 弹性支承块轨道，此外，丹麦，韩国，法国葡萄牙等国也采用了此种轨道结构。 我国台湾地区高速铁路( 台北一高雄) 全线采用无砟轨道，区间高架桥上均为框 架板式无砟轨道结构，站内及两端3 0 0 m 区段采用r h e d a - 2 0 0 0 型无砟轨道。 1 1 2 国内发展现状 我国对无砟轨道的研究始于上世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同时起步。初 期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床阻及框架式沥青道床等 几种型式，正式推广应用的仅有支承块式整体道床。在成昆线、京原线、京通线、 南疆线等长度超过lk m 的隧道内铺设，总铺设长度约3 0 0 k l 。 进入9 0 年代以来，我国开始针对高速铁路无砟轨道挂术进行试验研究，在秦 沈客运专线、遂渝铁路等线路上铺设了多种无砟轨道试验段，积累了大量的 北京交通大学硕士论文 设计、施工和运营经验。 秦沈客运专线在西康线秦岭隧道铺设了弹性支承块式无砟轨道，在双何、狗 河、沙河桥上及渝怀线鱼嘴2 号隧道、赣龙线枫树排隧道内分别试验铺设了长枕 埋入式和板式无砟轨道。 为在我国客运专线铁路积极推广无砟轨道技术，2 0 0 4 年铁道部决定在遂渝线 建设成区段的无砟轨道综合试验段，通过综合试验段的实际试铺，以系统研究解 决不同类型无砟轨道结构、岔区无砟轨道、过渡段、结构承载力及耐久性、路基 结构型式、桥梁和路基变形对无砟轨道的影响、减振降噪措施及无砟轨道对 z p w - 2 0 0 0 轨道电路的适应性等关键技术，为研究并推广具有自主知识产权的无砟 轨道技术积累经验。 自2 0 0 5 年开始，铁道部先后引进了国外高速铁路先进成熟的无砟轨道系统， 包括：德国的b s g l 型、r h e d a 2 0 0 0 型、z u b l i n 型及日本板式轨道的设计、制造、 施工及相关接口技术。与此同时，成立了无砟轨道再创新攻关组，积极开展了无 砟轨道再创新的研究工作，使我国的无砟轨道结构获得了迅速的发展。 京津城际是国内最早开工建设和最早建成的第一条高标准客运专线。为了满 足高速铁路列车运行的平顺性和稳定性，铁道部组织专家论证，确定全线采用改 进型的博格板式无砟轨道系统( 改进型博格式无砟轨道系统称c r t si i 型无砟轨道 系统) 。作为我国第一条最高时速3 5 0 k m h 的客运专线，京津城际轨道交通工程 既是我国铁路跨越式发展的标志性和示范性工程，同时也是2 0 0 8 北京奥运会交通 配套工程。京津城际铁路铺设了c r t s i i 型无砟轨道，对于未来高速铁路建设铺 设无砟轨道有着重要的借鉴意义。 为了在自主研发和引进消化吸收无砟轨道技术的基础上，实现我国铁路无砟 轨道技术再创新，尽快形成具有我国自主知识产权、世界一流水平的无砟轨道技 术体系，铁道部建设了武广客运专线武汉综合试验段，并开展了无砟轨道技术再 创新试验研究。试验段内轨道类型有r h e d a 2 0 0 0 双块式无砟轨道和再创新的双块 式、单元板式、纵连板式无砟轨道，以及道岔区轨枕埋入式等五种类型。 正在建设的京沪高速铁路，也已确定全线大部分区段内铺设无砟轨道，并且 以桥上无砟轨道为主。为适应我国发展高速铁路的需求，初步提出了几种高速铁 路无砟轨道结构型式( 板式、双块式、轨枕埋入式等) ，我国无砟轨道的研制工作 又步入了一个新阶段。 1 c r t si 型板式无砟轨道 我国的c r t si 型板式无砟轨道结构如图1 - 6 和图1 7 所示。 6 绪论 图1 6 预应力混凝土轨道板外形尺寸 f i g 1 - 6d i m e n s i o n so f c r t s ip r e s t r e s s e dt r a c k 图1 7 框架式混凝土轨道板外形尺寸 f i g 1 - 7d i m e n s i o n so f c r t s in m e t r a c k 轨道板的型式尺寸既要考虑轨道受力均匀，又要兼顾其在制造、装载运输及 施工时的可操作性。轨道板的宽度首先要满足结构及工艺制造要求，其次考虑传 递列车荷载的有效范围，尽可能减少传递到板下结构的荷载应力作用在板上的弯 矩。轨道板宽度减小，其横向正弯矩减小，纵向弯矩及横向负弯矩将增大。综合 静力分析以及国外经验，我国c r t si 型轨道板的宽度定在2 4 0 0 - - 一2 6 0 0 m m 范围。 混凝土道床板的宽度是根据下部基础条件、外荷载的大小以及荷载传递情况 来确定，同时借鉴国外经验，确定c r t si 型轨道板宽度为2 8 0 0 , - - , 3 0 0 0m i l l 。 轨道板厚度主要由结构强度及配筋要求决定。在结构强度允许的范围内，进 行综合比选。混凝土道床板的厚度应根据下部基础的支承条件( 桥梁跨中挠度、路 7 北京交通大学硕士论文 基承载力、隧道等) ，以及轨道电路设计参数的要求来确定。具体见表1 - 1 所示。 表1 - 1i 型板式无砟轨道结构高度表( 单位：m m ) t a b l e i - 1h e i g h t so f c o m p o n e n t so f c r t s is l a bt r a c k 项目路基桥梁隧道 钢轨 1 7 61 7 61 7 6 扣件 4 04 0 4 0 轨道板 1 9 0 1 9 0 1 9 0 c a 砂浆 5 05 05 0 底座 3 0 02 0 03 0 0 总高度 7 5 66 5 6 7 5 6 2 c r t si i 型板式无砟轨道 博格板式无砟轨道系统技术是我国引进的一种无砟轨道结构形式，经过消化、 吸收、再创新，形成中国特色的板式轨道，称为i i 型板式无砟轨道技术，详细介 绍见章节1 2 。c r t si i 型板式无砟轨道的结构的尺寸确定方法同c r t si 型板式 无砟轨道类似，具体见表1 - 2 所示。 表卜2i i 型板式无砟轨道结构高度表( 单位：硼) 1 a b l e 1 - 2h e i g h t so fc o m p o n e n t so fc r t s i is l a b 仃a c k 项目路基桥梁隧道 钢轨 1 7 61 7 61 7 6 扣件4 04 04 0 承台 2 82 82 8 轨道板 2 0 03 0 02 0 0 c a 砂浆 3 03 03 0 混凝土支承层或底座 3 0 02 0 03 0 0 总高度 7 7 47 7 47 7 4 1 2 桥上纵连板式无砟轨道结构分析 博格公司在京津城际上提出了长桥上连续纵连板式无砟轨道( 以下简称纵连 板式无砟轨道) 结构方案，整体性和纵向连续性较好，在道床底座与梁面之间设 置滑动层( 两布一膜) ，可避免设置钢轨伸缩调节器，如图5 - 2 7 所示。轨道系统 由6 0 k g m 钢轨，v o s s l o h 3 0 0 1 型弹性扣件、预制轨道板、砂浆调整层、连续底 座板、滑动层、侧向挡块等部分组成，台后路基上设置摩擦板、端刺及过渡板， 梁缝处设置硬泡沫塑料板。相比传统有砟轨道和其他类型无砟轨道，纵连板式无 砟轨道结构较为新颖，受力机理比较复杂。 3 1 l 图1 - 8 京律城际铁路上的桥上纵连板式无砟轨道 f i g1 - 8 c o n t i n u o u s - s l a b t r a c k b r i d g e o f b 嘶l a g - t i a n j l a i n t e t c i t yh i g hs p “r a i l w a y 桥上纵连板式无砟轨道中的轨道板为混凝土预制板，标准轨道板k 度为 64 5 m ，宽度25 5 m ，厚度2 0 c r a 。轨道板顶部设置o5 的横向排水坡，每块轨道 板设置l o 对承轨台，承轨台中心间距06 5 m 相邻承轨台之间设置横向预留裂缝， 裂缝深度4 c m 。设置顸留裂缝的目的是使轨道板开裂集中在顶留缝处，有利于控 制裂缝宽度和数量。 砂浆调整层厚度为3 0 m m ，弹性模量7 0 0 0 1 0 0 0 0 m p a ，与单元板中的柔性砂 浆不同，刚度较大，为半刚性砂浆。 底座板采用德国c 3 0 混凝土现场浇筑跨越梁缝铺设成为一条连续的。带子”， 并在纵向配置了连续贯通的h r b 5 0 0 钢筋，底座板的布置方式参考了德国在高速 公路建设的经验，认为连续贯通的带自然裂缝的加筋混凝土路面如果保证施工质 量就不存在失稳翘曲的危险。 桥上纵连板式无砟轨道的最大特点是轨道板和底座扳连续铺设，梁缝处不问 断( 圈i - 9 ) 。预制轨道板之脚通过钢筋纵向连接起来，并施加横向预应力。为了 隔离桥梁纵向变形对轨道系统的影响，底座板下铺设了土工布一薄膜一土工布( 即 “两布一膜”) 的滑动层( 图1 】0 ) 。 北京变通人学硕士论文 图1 - 9 跨梁缝连续铺设的底座板和轨道板 f i g 1 - 9 t r a c ks l a b 6a d f o u n d a t i o np l a k s l a y i n go v 盯b r i d g e b e a m g a p 圈l 1 0 粱面设置的滑动层 f 堙i 1 0s l i d i n g l a y e r o 撕d g e 梁缝处桥梁的梁端转角会对上部轨道结构产生很大的作用，该位置连续的底 座板、轨道板会产生很大的弯矩，同时扣件承受较大的上拔力。为了削弱粱端转 角的影响，桥柒缝隙处设置长约3 m 、厚度约5 0 r a m 的低弹模硬泡沫塑料板( 图 卜i i ) 。为了将轨道纵向力传递到桥墩上，桥梁固定支座位置设置了剪力齿槽和预 埋锚圃销等同结机构( 图】1 2 ) 。 凹i - 1 1 桀端健泡竦塑料饭 f i gi - 1 1p o l y s t y r e n ef o a m b o a r d o n b r i d g e e n d s 幽l - 1 2 吲定立座上方役置剪刀齿稽 f i g1 - 1 2s h e 盯a l v e o l a r o n m 酣b e a r i n g o f b r i d g e 北京交通大学硕士论文 桥上每隔5 - 6 米设置侧向挡块，限制轨道的横向能移。另外每隔一定问距采 用倒l 型扣压式侧向挡块，限制横向位移同时还限制轨道的垂向位移，防止轨道 结构与桥而发生拍打作用。为了防止桥上的荷载传至路基上的轨道，在桥梁两端 设置摩擦板、端刺及过渡板。 图1 - l3 侧向挡块示意刚 f i gl - 1 3 l a t e r a lc o n s t r a i n e d b l o c k s 幽1 1 4 摩擦扳、端刺及过渡扳示意图 f i g 1 - 1 4 f r i c t i o np l a t e s ，e n d t h o r n 龃d t r a n s i t i o n p l a t e s 桥上纵连板式无砟轨道的受力模型如图1 - 1 5 所示。 图l 一1 5 桥上纵连扳式无砟轨道的受力模型示意图 f i 9 1 1 5c a l c m a d o n m o d d o f c o n d n u o u s 一研a b t r a c k o l lb r i d g e 为了解决底座板在硬泡沫塑料板位置截面面积突变，不能连续铺设的缺点， 桥上纵连板式无砟轨道提出了新的解砍方案，在桥面设置了现浇混凝土的加高层 然后将塑料板嵌入预先留好的加高层位置中，之后底座板即可现场连续浇筑，截 面形状不变，提高了施工速度。 1 3 无砟轨道耐久性研究现状 无砟轨道结构属于新型轨道结构，其应用还存在局限性，在国外许多线路上 还处于试验阶段，而我园发展高速铁路无砟轨道技术睦l 处于起步阶段，存在许多 问题，设计理论体系还有待完善，还需确定统一的设计规范和设计方法，并要在 令后的建设、运营中不断积累经验。 无砟轨道由于采用了整体混凝土道床结构，其耐久性问题不可忽视，但无砟 轨道结构的长期性能表现研究还不多，经验也甚少，因为即使是国外最早发展无 砟轨道的国家，在高速铁路上大面积推广应用最多也只有3 0 年时间( 1 3 本山阳新 干线) 。 无砟轨道耐久性设计的内容较多，目前应初步考虑以下几个方面的设计或检 算内容。 1 7 1 ( 1 ) 疲劳检算和裂纹宽度检算。 ( 2 ) 预制和现浇混混凝土施工过程中的影响因素及控制方法设计，如合理的 施工温度、混凝土配合比、添加剂种类及掺入量、混凝土养生及其相关的工艺和 工法选择等。 ( 3 ) 无砟轨道结构的材料性能选择应参照相关规范考虑寿命周期内的耐久 性。 北京交通大学硕士论文 ( 4 ) 无砟轨道各连接层、传力和限位部件要考虑与主体结构寿命周期的配套 及更换。 1 3 1 裂缝与疲劳设计方法研究现状 在耐久性设计和研究中，混凝土裂缝的产生及其扩展和钢筋在循环荷载下的 疲劳特性，是评价轨道结构使用寿命的重要准则。我国目前已对各型钢轨、扣件、 轨枕等的疲劳荷进行了相关研究，但由于我国国内无砟轨道还处于引进技术和研 发试铺阶段，对于疲劳荷载对混凝土整体道床的影响还研究甚少，在进行设计时 对整体道床也只对其结构使用寿命做了相关要求，而通常不进行疲劳设计。 因此，对无砟轨道耐久性的研究，可从构件裂缝开展和结构疲劳性能两方面 开始。由于目前没有成型的方法和规范，可参考国外相关规范，以及相关专业较 成熟的研究思路和方法。 ( 1 ) 德国铁路规范的规定和方法 德国规范中规定了简易疲劳检算和考虑方法，在博格型无砟轨道设计中，根 据d i n l 0 4 5 1 要求，将底座板作为钢筋混凝土构件，列入x c 4 结构说明等级和e 类中，德国相关规范规定允许开裂宽度为0 3 m m 。以d i n 专业报告1 0 2 、 a r s l l 2 0 0 3 作为基础进行荷载组合，检算底座混凝土板的开裂宽度。对于开裂宽 度检算，温度荷载、制动荷载和单侧列车活载是决定性的考虑因素。 ( 2 ) 公路专业对于裂缝控制和疲劳特性的设计方法 板式无砟轨道中的道床板类似于公路中的刚性路面，公路专业的设计方法和 规范有一定的参考意义。我国水泥混凝土路面设计方法采用交通部发布的公路 水泥混凝土路面设计规范( j t g0 4 0 2 0 0 2 ) ，这一设计方法适用于普通水泥混凝 土、钢筋混凝土和连续配筋混凝土面层。 连续配筋混凝土面层的裂缝控制在纵向配筋设计时进行考虑，配筋设计时采 用以下三项设计标准：【7 】 裂缝的最大间距不大于2 4 m ，以避免裂缝碎裂；最小间距不小于l m ，以 避免混凝土碎块被贯穿； 为减少裂缝碎裂和表面水渗入，裂缝缝隙宽度不超过l m m ； 钢筋承受的拉应力不超过其容许应力( 通常取屈服强度7 5 ) 。 设计时由三个经验公式计算满足三项设计标准的配筋率，需要收集六项设计 参数：混凝土2 8 d 问接抗拉强度、混凝土2 8 d 龄期的收缩系数、混凝土热膨胀系 数、钢筋热膨胀系数、钢筋直径和设计温差。 公路混凝土面层设计方法以混凝土面层板的疲劳断裂作为水泥混凝土路面损 1 4 绪论 坏的主要模式。以控制行车荷载反复作用在板内产生的荷载疲劳应力与温度梯度 反复作用在板内产生的温度疲劳应力之和不大于混凝土弯拉强度，作为确定混凝 土面层板厚度的设计标准。设计方法选用板边缘中点作为临界荷载，采用弹性半 空间地基上的薄板理论和有限元法计算标准轴载在该处产生的最大荷载应力。 ( 3 ) p c a 厚度设计方法 基于疲劳分析与侵蚀分析的p c a 厚度设计方法是另一种可以借鉴的设计思 路。p c a 是波特兰水泥公司英文字头的组合( p o r t l a n dc e m e n ta s s o c i a t i o n ) ，1 9 8 4 年由美国波特兰水泥歇会颁布，是一种力学经验类的设计方法，是最著名也是最 广为接受的有接缝混凝土公路半经验厚度设计方法。p c a 方法已在钢轨嵌入式无 砟轨道疲劳设计中应用。p c a 设计方法采用w i n k l e r 地基板模型和有限元分析方 法，计算分析混凝土板在单轴或双轴荷载作用于纵向边缘( 靠近路肩一侧) 中部 和角隅处时的应力和挠度，然后结合混凝土疲劳曲线( 应力比s 荷载作用次数n 曲线) 确定厚度和其他参数。 铁路行业对于混凝土结构的裂缝与疲劳规定较少，基本参考混凝土通用规范 进行设计和验算；公路专业有较为成熟的裂缝和疲劳考虑方法，且基本为理论结 合工程实际经验的设计和验算方法，有较多的经验公式计算方法。研究无砟轨道 结构的耐久性能，应先从混凝土结构通用的裂缝和疲劳产生机理和计算方法入手， 进行理论研究，之后通过试验和工程经验积累，建立较为完整的理论和实际结合 的体系，找到更为准确的计算方法和更为合理的验收标准。本论文将从理论方面 进行一些初步的探索。 1 3 2 无砟轨道裂缝与疲劳的试验研究 ( 1 ) 郑西客运专线双块式无砟轨道道床板防开裂试验【5 3 】，【5 4 】f 5 5 1 德国旭普林双块式无砟轨道首次在郑州至西安铁路客运专线铺设，在先期施 工的无砟轨道铺设试验段中，混凝土道床板存在裂缝现象，裂缝大多在0 5 m m 左 右，部分大于0 5 m m ，不满足国内现行标准对混凝土保护层裂缝宽度的限值要求 ( o 2 r a m ) 。为贯彻铁道部“引进消化吸收再创新”的要求，解决无砟轨道混凝土 道床板的裂缝问题，适应中国规范标准要求。按照郑西公司的统一安排，在路基、 桥梁和隧道试验段分别进行了无砟轨道道床板混凝土防开裂试验。试验从技术、 施工、材料对旭普林无砟轨道施工进行改进，按照确定的方案进行现场试验。 试验方案从总体上分类共为七种： 方案：支承层与道床板施工间隔7 天以上； 方案二：支承层与道床板施工间隔7 天以上，在道床板两侧各增加2 根直径 1 5 北京交通大学硕士论文 2 0 m m 的纵向钢筋； 方案三：支承层与道床板施工间隔3 0 天以上； 方案四：支承层与道床板施工间隔3 0 天以上，在道床板两侧各增加2 根直径 2 0 m m 的纵向钢筋； 方案五：支承层与道床板均设置假缝； 方案六及方案七：采用特殊混凝土，仅在隧道内试验段使用。 试验结果表明： 无砟轨道试验段在道床板不增加钢筋的情况下，道床板与支承层施工间隔 一个月较间隔9 1 4 天在抑制道床板防开裂方面具有明显的优势。 增加防开裂钢筋试验段与未增加钢筋的试验段相比，裂缝数量明显增加， 贯通裂缝占裂缝总数的比例有一定的下降。在支承层与道床板施工间隔9 1 4 天 的试验段，增加配筋对裂缝宽度有明显的改善作用； 支承层假缝按3 2 7 m 间隔设置，既控制了裂缝宽度，也未增加施工难度； 道床板设置假缝，只有少量裂缝出现在假缝处，与相同施工条件下未切割假缝段 比较，裂缝数量减少，裂缝宽度也有所降低。但是，切割道床板假缝降低了工效， 增加了施工难度。 ( 2 ) 纵连板式无砟轨道试验研究 博格板式无砟轨道在研发过程了进行了一系列试验，来检验轨道结构和部件 的耐久性表现。 1 9 8 6 年德国陆地交通道路建设检验局与慕尼黑理工大学共同进行了短桥上 的博格板式无砟轨道承台微缩试验，试验中利用一根7 m 长的h e a 3 0 0 宽凸缘钢 支撑架来模拟桥梁，用宽4 0 0 m m ，高2 0 0 m m 的中间加筋混凝土梁模拟无砟轨道 上部结构，进行了不同等级的循环荷载加载。试验方案简图与横截面详细布置如 图1 1 5 所示。 2 6 1 ，i 了p1 p 1 i混凝十粱： 钢支架： 图1 16 博格板式无砟轨道微缩试验方案 f i g 1 1 6m i c r o f i l me x p e r i m e n to fb f g ls l a bt r a c k 1 6 绪论 试验结果表明，无砟轨道上部结构各部件有良好的耐久性能，中间层的轻微 损坏不会对上面部分结构的连接和整体承载特性产生持久影响。硬泡沫塑料板没 有与混凝土防护层发生分离，经过多次重复加载后性能参数基本没有发生变化。 2 0 0 6 年博格公司与慕尼黑理工大学共同进行了博格板式无砟轨道梁端转角 影响的试验台试验。试验在大型测试台上安装了1 ：1 的试件，试件长5 3 m ，宽 为截面宽的一半，安装了8 个承轨台和一根u i c 6 0 钢轨。试验表明梁端处轨道承 受较大的力，易出现开裂。 1 4 研究意义及主要内容 我国无砟轨道结构技术研究还处于初步阶段，对于无砟轨道的耐久性研究涉 及很少。桥上纵连板式无砟轨道更是一种新型无砟轨道结构，其结构组成和受力 机理都非常复杂，而且设计理念和设计方法与其他的无砟轨道结构有着非常大的 差别。桥上纵连板式无砟轨道是从德国博格板式无砟轨道优化得到的，设计参数 和规范都是采用德国标准，因此有必要对桥上纵连板式无砟轨道结构进行详细研 究，在彻底消化吸收其技术特点的情况下，参考我国铁路设计规范和技术参数， 对这种无砟轨道结构的耐久性进行分析研究。 桥上纵连板式无砟轨道作为通长的钢筋混凝土构件，在运营过程中必然出现 开裂，因此设计时采用了刚度折减设计方法，这样就提出了一个问题，该理论和 方法如何用于裂缝检算和控制。无砟轨道结构的疲劳性能，尤其是开裂后的钢筋 应力是需要关注的问题，而我国目前一般不进行无砟轨道耐久性设计和检算，这 样就提出了本文关注的第二个问题，如何对结构进行疲劳检算。 本论文以桥上纵连板式无砟轨道中的核心组成部分底座板为研究对象， 以其裂缝和疲劳为研究内容，从设计和检算两个方面对其耐久性进行了初步研究。 研究了基于刚度折减的设计方法，利用该方法得到的结果结合我国现行混凝土结 构设计规范对底座板最大裂缝宽度进行了计算。结合客运专线无砟轨道再创新攻 关的阶段性成果，建立了桥上纵连板式无砟轨道的疲劳检算模型，利用大型商业 有限元软件，对底座板混凝土和钢筋应力进行了计算，对计算结果进行了疲劳方 面的初步分析，可对未来研究无砟轨道结构疲劳特性提供一定的参考。 1 7 北京交通大学硕士论文 2 底座板耐久性影响因素分析 桥上纵连板式无砟轨道结构中，底座板是主要的承重构件，也是桥梁顶面和 轨道结构的连接构件，是整个轨道结构的核心组成部分，因此设计中的主要内容 是底座板的设计和检算。 底座板设计的主要计算内容包括：【3 1 1 1 )活载引起的底座拉力计算 2 )制动荷载引起的底座拉力计算 3 ) 温度收缩荷载引起的底座拉力计算 钔温差荷载引起的底座拉力计算 5 )受压计算：轴向压杆屈曲稳定计算 6 )底座板受弯检算 底座板计算流程如下： 底座滋凝士板设计计算 轴向受力分析ii 粱端弯曲受力分析 l 受拉l 开裂后钢蹦混凝藏面 嘲度拆叛理念l 温 差 荷 筑 洲障 度li 制li 潍 收li 动il 巽 缩ii 荷il