（道路与铁道工程专业论文）桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道纵向力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本文针对我国广泛应用的c r t si 型板式无砟轨道，在跨区间无缝线路 条件下，分析其在桥上的纵向力及纵向位移分布特性，及凸型挡台对纵向 力和纵向位移的影响状况。 为了研究钢轨、轨道板和凸型挡台的纵向力分布特性，所建模型对梁、 底座板、c a 砂浆层、轨道板和凸型挡台均用实体模拟，c a 砂浆层与上下结 构层间考虑摩擦力作用，采用接触单元实现模拟，钢轨用e u l e r 梁模拟， 扣件纵向阻力采用非线性弹簧模拟，凸型挡台周围树脂填料和桥梁墩台刚 度以线性弹簧模拟。模型与实际更加吻合，可以对细部受力进行研究。此 外，利用有限元分析软件，建立了桥上c r t si 型板式无砟轨道结构纵向力 分析有限元模型。 对简支梁桥上c r t si 型板式无砟轨道进行了纵向静力分析，主要包括 伸缩力、挠曲力、制动力和断轨力的计算。并取有凸型挡台和无凸型挡台 两种工况，分别分析两种工况下钢轨、轨道板纵向力特性。此外，重点计 算分析了有凸型挡台时，凸型挡台纵向受力特性。 计算结果表明，温度荷载作用下轨道板和凸型挡台受力较大，可作为 其设计时的控制性因素考虑。设置凸型挡台可以阻止轨道板纵向位移，降低 钢轨纵向力，对结构受力有利。对凸型挡台细部的研究表明，其纵向受力 从台项往下逐渐减小，沿线路纵向变化趋势明显。 本文的分析对桥上c r t si 型板式无砟轨道设计提供了一定的理论指 导。 关键词：简支梁桥；c r t si 型板式无砟轨道；纵向力；计算分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s tr a c t b a s e do nw i d e l yu s e dc r t sis l a bb a l l a s t l e s st r a c ki nc h i n a ，u n d e rt h e c o n d i t i o n so ft r a n s s e c t i o n a lj o i n t l e s st r a c k ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fl o n g i t u d i n a lf o r c e sa n dl o n g i t u d i n a ld i s p l a c e m e n to fi t ，a n d c o n v e xs h a p ep l a t f o r m si n f l u e n c eo nt h el o n g i t u d i n a lf o r c e sa n dl o n g i t u d i n a l d i s p l a c e m e n t i no r d e rt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl o n g i t u d i n a lf o r c e so f r a i l ，t r a c kp l a t e sa n dc o n v e xs h a p ep l a t f o r m ，i nt h i sp a p e rm o d e lo fb r i d g e ，b a s e p l a t e ，c am o r t a rl a y e r ，t r a c kp l a t e sa n dc o n v e xs h a p ep l a t f o r ma r es i m u l a t e d w i t h t h ee n t i t ye l e m e n t s f r i c t i o nf o r c ei sc o n s i d e r e db e t w e e nc am o r t a rl a y e ra n dt h e u p p e r a n dl o w e rs t r u c t u r e l a y e r , t h e c o n t a c te l e m e n tt os i m u l a t et h i s s i m u l a t i o n r a i li sb es i m p l i f i e dt h ee u l e rb e a m ，f a s t e n e rl o n g i t u d i n a lr e s i s t a n c ei s s i m u l a t e db yn o n l i n e a rs p r i n g ，r e s i ns t u f f i n ga n dt h ep i e rs t i f f n e s si ss i m u l a t e d b yl i n e a rs p r i n g t h i sm o d e lc o i n c i d ew i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c ew e l l ，c a nb eu s e d i nm i n u t ep a r tr e s e a r c h b e s i d e s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dac r t sis l a bb a l l a s t l e s s t r a c ko nb r i d g e sf i n i t ee l e m e n tm o d e lt oa n a l y s i so ft h el o n g i t u d i n a lf o r c e s t h i sp a p e ra n a l y s i so ft h ec r t sis l a bb a l l a s t l e s st r a c kl o n g i t u d i n a ls t a t i c f o r c et os i m p l y - s u p p o r t e db r i d g e ，i n c l u d i n gs t r e t c h i n gf o r c e ，r a i ld e f l e c - t i o n f o r c e ，b r a k i n gf o r c ea n dt h er u p t u r ef o r c eo fr a i l s c o n s i d e r i n gb e i n g - c o n v e x s h a p ep l a t f o r m a n dn o n b e i n g - c o n v e x s h a p ep l a t f o r m t w oc o n d i t i o n ，i t r e s p e c t i v e l ya n a l y s e t h e l o n g i t u d i n a l s t a t i c f o r c eo fr a i la n dt r a c k p l a t e s b e s i d e s ，i te m p h a t i c a l l ya n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i co fl o n g i t u d i n a ls t a t i c f o r c eo fc o n v e xs h a p ep l a t f o r m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a c kp l a t ea n dc o n v e xs h a p ep l a t f o r mu n d e ral a r g e r f o r c ei n t e m p e r a t u r e l o a dc a nb e u s e da sap r e d o m i n a n tf a c t o r i ni t s d e s i g n c o n v e xs h a p ep l a t f o r mc a np r e v e n tl o n g i t u d i n a ld i s p l a c e m e n to ft r a c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 p l a t e ，e n a b l i n gf o r c eo ft h es t r u c t u r e ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h el o n g i t u d i n a l f o r c eo fr a i l t h er e s e a r c h so ft h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo f c o n v e xs h a p e p l a t f o r mh a v e s h o w nt h a tt h el o n g i t u d i n a lf o r c eo fi td e c r e a s e sg r a d u a l l yf r o mt o po fp l a t f o r m t ob o t t o m ，a n d c h a n g et e n d e n c yi so b v i o u sa l o n gl o n g i t u d i n a lo ft h er a i ll i n e t h i ss t u d yp r o v i d e st h et h e o r i e sf o rd e s i g n i n gt h ec r t sis l a bb a l l a s t l e s s t r a c ko v e rs i m p l y - s u p p o r t e db r i d g e k e yw o r d s ：s i m p l y - s u p p o r t e db r i d g e s ；c r t sis l a bb a l l a s t l e s st r a c k ；l o n g i t u d i n a l f o r c e ；a n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密讧使用本授权书。 ( 请在以上方框内打t ，) 学位论文作者签名：p 辱彳向 日期：纠名 指导掷签名：獭男 日期： 矽石叱。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本文根据轨一板相互作用原理，结合我国桥上c r t si 型板式无砟轨 道实际情况，针对所研究问题建立三维实体模型，此模型较以往模型更加 符合实际工况，能够研究结构细部受力，计算结果更加准确； 2 本文利用该模型分析了桥上c r t si 型板式无砟轨道纵向力特性， 以3 2 4 m 简直梁桥为例，取有凸型挡台与无凸型挡台两种工况，分别计算 在桥梁伸缩、挠曲，列车制动和钢轨断轨等情况下，c r t si 型板式无砟轨 道的伸缩力、挠曲力、制动力和断轨力特性，讨论凸型挡台对纵向力的影 响。重点分析了这两种工况下，钢轨、轨道板和c a 砂浆纵向力分布特性。 分析了设置凸型挡台时，凸型挡台细部纵向受力特性。 论文作者签名：下辱幺向 日期： 硼6 一l 岛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 高速铁路因其运行速度快，且具有全封闭、全立交、高度自动化、高 效率、高舒适度、高安全性、高可靠性等特点，使得近几十年在世界许多 国家得到快速发展n 0 1 。 日前，高速铁路轨道结构主要有两种类型：有砟轨道和无砟轨道。 实际工程中，这两种轨道均可以运行3 0 0 k m h 以上的高速列车，如法 国高速铁路和日本的山阳新干线均全部或部分铺有有砟轨道，列车速度已 经达到3 0 0 k m h ，虽然法国也在对无砟轨道进行实验研究，但至今在t g v 运 营线上仍全部采用有砟轨道。德国高速列车轴重较大，且客货混跑，其有 砟轨道破损严重，要求换铺无砟轨道的要求很急切。有砟轨道在高速列车 载荷的反复作用下，残余变形积累很快，而且沿线路方向的变形积累和轨 道刚度分布不均匀，从而造成轨道不平顺，影响列车运行的舒适性和安全 性，同时显著增加轨道的养护维修工作量，加大铁路的运营投入。 无砟轨道具有轨道平顺性好，整体性强，稳定性好，结构高度低，几 何状态持久，以及低维修量等优点，可形成显著的社会经济效益，在国际 上日益受到重视，越来越多的国家正致力采用和发展无砟轨道工程技术， 并取得了长足进展“1 。应用范围己从隧道、桥梁拓延至土质路基和车站的道 岔区，并有新技术与新型结构不断出现心3 1 。毫无疑问，无砟轨道工程技术 已成为世界高速铁路轨道结构的发展趋势啼6 1 。 近5 0 年来，国外出现了1 0 0 多种无砟结构形式，但只有近3 0 中无砟 轨道结构形式得以试铺和运用，主要铺设在隧道内和桥梁上，路基上仅占 1 8 ，且主要铺设在德国铁路线路上。无砟轨道在高速铁路上的应用始于 1 9 7 1 年日本山阳新干线，其后在日本获得迅速发展，2 0 世纪8 0 年代以来 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 修建的新干线，无砟轨道比例都在8 5 以上。但是，日本新干线桥隧比例 比较大，截至到2 0 0 4 年，在路基上无砟轨道铺轨长度仅有9 0 k m ，占无砟轨 道铺设总长度的3 左右。德国虽然无砟轨道结构类型很多，但在高速铁路 上的实际铺设长度只有2 4 8 k m ( 截止2 0 0 4 ) ，从1 9 9 8 年起在高速线上大量 应用至今有十多年时间。不过，德国无砟轨道主要铺设在路基上，其经验 对全面发展无砟轨道具有重要意义。法国除在英吉利海峡隧道内全部采用 无砟轨道外，还在t g v 地中海线第近马赛的一个隧道内进行无砟轨道试验， 运行速度达到2 4 0 k m h ；中国台湾高速铁路，原设计无砟轨道比例为4 5 ， 也全部改为无砟轨道；荷兰高速铁路新建线路，针对软土问题设计了板一桩 结构，也积极采用无砟轨道；西班牙、意大利、韩国、比利时等高速铁路 都进行了无砟轨道试验与试铺3 。 我国对无砟轨道的研究始于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止以取得初步 成果。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等整体道床以及沥 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。近年，参照 日本板式轨道、德国r h e d a 轨道的型式，我国分别研制了c r t si 板式轨道 和长枕埋入式两种无砟轨道型式，已经铺设在时速2 0 0 k m 的秦沈客运专线 的桥梁上。参照国外经验，研制了弹性支承块式无砟轨道，已铺设在秦岭 隧道中。参考德国博格板式轨道，研制了c r t si i 型板式轨道，在京津城际 中得到广泛应用。 在各种无砟轨道结构中，日本板式轨道的技术比较成熟，应用也比较广 泛。这种无砟轨道由轨道板、水泥沥青砂浆( c a 砂浆) 和混凝土基础三大部分 组成。钢轨铺设在轨道板上，c a 砂浆作为轨道板的弹性垫层，并抵抗一定的 纵向力，要求其摩擦系数要大于一定值，同时可以通过再次灌注c a 砂浆对轨 道板进行一定程度上的调整。混凝土基础上每间隔一定距离布置凸型挡台， 以承受轨道的纵、横向力。日本在板式无砟轨道上大量铺设带有“伸缩调节 器”的无缝线路，由于它在两根长轨条之间铺设了钢轨调节器，消除了钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 接头和短轨组成的“缓冲区”。其轨节长度只有1 5 0 0 m 左右，轨面平顺，减 少了冲击和振动，但线路上铺设大量伸缩调节器便增多了线路的薄弱环节， 加大了养护维修工作量，从而也不利于重载运输。 我国在参考日本板式轨道结构的基础上，开发了c r t si 型板式无砟轨道 结构。与日本不同的是，我国在无砟轨道上大量铺设跨区间无缝线路，取消 了缓冲区，固定区无限延长。其中，桥上无缝线路大部分处于固定区，钢轨 传于轨下的纵向力主要是制动力和断轨力，而传到板的纵向力较小。此外还 有由于桥梁伸缩、挠曲，列车制动和钢轨断轨等因素产生的纵向力。而目前 对于这些力的大小和分布状况，凸型挡台所受纵向力大小数值等问题尚不清 楚，致使在c r t si 型板式无砟轨道结构的设计和施工中存在诸多问题。因此， 在跨区间无缝线路情况下，研究桥上c r t si 型板式无砟轨道结构纵向力特 性，计算钢轨、轨道板和凸型挡台所受纵向力大小与分布，比较有、无凸型 挡台对结构受力特点是十分必要的，可为我国无砟轨道进一步发展提供一定 的理论指导。 1 2 国内外无砟轨道结构应用和发展概况 1 2 1 国外无砟轨道概况 ，虽然传统有砟轨道具有铺设简便，综合造价较低的特点，但随着重载、 高速铁路运输的发展，有砟道床的累积变形速率随之增长，而为了保持运 行条件，不得不进行频繁维修，致使维修费用上升“1 1 引。从2 0 世纪6 0 年代 开始，德国和日本，对铁路相继开展了以整体式或固化道床取代散粒体道 砟的各类无砟道床的研究n 3 q 。其中日本的无砟轨道为轨道板结构，由此组 成的轨道称为板式轨道，而德国铁路最初对无砟轨道的研究与推广应用主 要是针对土质路基和隧道区段，后来逐步扩大到预应力混凝土桥上。至今， 尽管大部分国家的无砟轨道由于建设初期造价高等原因还处于试铺或短区 段分散铺设的状况，但在德国已有r h e d a 系、z u b l i n 系等5 种无砟轨道得 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 到批准正式使用，并在新建的高速线上全面推广，铺设总长度达6 6 0 1 m 。其 中，德国在1 9 7 2 年就在r h e d a 车站首次试铺了无砟轨道结构( 后称“r h e d a ” 型) ，随后德国铁路曾对1 7 种无砟轨道型式进行过系统研究。日本的板式 轨道已在新干线大量铺设，总长度己超过2 7 0 0 k m ，最初一般都铺设在隧道 内( 或地下铁道) ，以后逐渐扩大到桥梁和路基上，如道铺设在山阳( 冈山 博多段) 、东北、上越、北陆等新干线全部的桥、隧结构上。除此之外，意 大利、法国、英国、澳大利亚、荷兰等国家均开发了自己的无砟轨道形式。 目前，世界范围内用于高速铁路上的无碎轨道结构型式主要是轨枕埋 入式和板式无砟轨道结构，具体的型式有r h e d a 型、z u b l i n 型轨枕埋入式 无砟轨道和新干线板式、博格板式无砟轨道等。下边对主要无砟轨道形式 作简要介绍。 ( 1 ) r h e d a 型无砟轨道 r h e d a 型无砟轨道于1 9 7 2 年在德国r h e d a 车站铺设，这也是该轨枕埋 入式无碎轨道名称的由来，截止2 0 0 6 年，r h e d a 型无砟轨道已在德国铁路 上铺设5 0 9 9 4 6 1 m ，其中，高速铁路上铺设4 7 0 1 m 。在韩国高速铁路铺设 5 3 8 4 1 k m 。r h e d a 型无砟轨道由u i c 6 0 钢轨+ v o s s l o h 3 0 0 扣件+ 整体式轨枕 或双块式轨枕+ 道床板+ 底座组成。底座又常称为水凝性材料支撑层。最新 的r h e d a 结构型式为r h e d a 2 0 0 0 ( 如图卜1 ) ，其底座宽度一般为3 4 3 8 m 。 结构高度为4 7 2 4 7 3 m “1 。 图卜1p , h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道结构断面 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 r h e d a 2 0 0 0 即实现了结构高度整体性的设计目标，又达到了减少预制结 构与现浇混凝土结合面面积、控制表面裂纹产生与扩展的效果。相比以往 的r h e d a 型无砟轨道，r h e d a 2 0 0 0 简化了轨枕块结构，取消了混凝土槽，降 低了结构高度，完善了结构的整体性，可降低轨道本身和线路的造价，统 一了结构型式，即在土质路基、桥梁、隧道，以及道岔区和钢轨伸缩调节 器区域都具有相同或相似的结构。在隧道内铺设时，可取消底座结构，在 桥上铺设时，底座与桥面间通过凸台结构联结，保证上部结构与下部基础 间不产生相对移动，抵抗纵横向作用力b 1 。 ( 2 ) z u b li n 型无砟轨道 一z u b l i n 型无砟轨道是1 9 7 4 年在z u b l i n 铺设的一种轨枕埋入式无砟轨 道结构型式。z u b li n 型无砟轨道系统结构组成与r h e d a 2 0 0 0 相似，其研发 初衷是寻求一种高度机械化的施工方法，以解决r h e d a 轨枕埋入式无砟轨 道传统的手工施工带来的进度慢、成本高的问题。z u b li n 与r h e d a 的主要 差异在施工方式上，后者是底座浇注完成后，将预制轨枕组合的轨排放置 在底座上，绑砟好钢筋以后，浇注混凝土，使轨枕与道床板成为一个整体 结构；前者是在现场混凝土道床板浇注以后，通过振动方式将轨枕“振入 到新鲜混凝土中，使轨枕与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，只能将轨枕“振”入其中，而不允许轨枕靠重力“沉” 入其中b 】。 ( 3 ) 博格板式无砟轨道 德国博格板式无砟轨道系统的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔费尔德一 达豪的一种预制板式无砟轨道。通过对其进行包括预应力结构、结构尺寸、 纵向连接等方面的优化和改进：采用先进的数控磨床来2 n - r 预制轨道板上 的承轨槽；使用方便的测量系统，使其精度容易满足高速铁路对轨道几何 尺寸的高要求。高性能沥青水泥砂浆垫层可以为轨道提供适当的刚度和弹 性。博格公司为轨道板施工研制生产了成套设备，使得博格板式轨道机械 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 化程度高于一般轨道结构。博格板式无砟轨道已获得了德国联邦铁路管理 局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁路，在德国纽伦堡至英戈尔施 塔特的新建高速线上有铺设。 根据不同的需求，德国研制了适应不同基础设施条件的博格板式无砟 轨道。分别有路基上的博格板式无砟轨道，长度小于2 5 m 桥梁上的博格板 式无砟轨道，长度大于2 5 m 桥梁上的博格板式无砟轨道，隧道内的博格板 式无砟轨道乜一1 。 博格板式无砟轨道的特点主要有：每块板上有1 0 对承轨台，承轨台的 精度用机械打磨并由计算机控制；轨道板在工厂批量生产，进度不受施工 现场条件制约；工地安装时，不需对每个轨道支承点进行调整，使工地测 量工作可大大减少；预制轨道板可用汽车在普通施工便道上运输，并通过 龙门吊直接在线路上铺设，无须二次搬运；现场的主要工作是沥青水泥砂 浆层的灌注，灌注层在灌注5 ，- - 6 h 后即可硬化；具有可修复性，除在每个 钢轨支撑点处( 轨道扣件) 调高余量外，还可以调整预制板本身的高程；博 格板式轨道的缺点是制造工艺复杂，成本相对较高。博格板式无砟轨道结 构如图卜2 所示。 日 目 f 夏ff 罩i 曰 曰马马 目 同曰f 暴j 目目 l ij l 目目目 二j 目u甘 b ij 。 ll _ j l ， f 删i 纵匀适安镣件 f ：= ；11 嗣 仁=3 目目 p f 罔 同 臣 固囝 同曰 目目 i y l j l 三 目 目id吕 目 目 目 l 鬻-i 一 i 雠 图1 - 2 博格板式无砟轨道结构 ( 4 ) 日本板式无砟轨道 从无砟轨道结构的推广应用看，以日本的板式轨道乜町最为广泛，截止 2 0 0 6 年，其板式轨道累计铺设里程已达2 7 0 0 多公里。板式轨道的开发始于 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 9 6 5 年，主要是为了适应高速行车的需要，解决线路维修困难的问题，以 及由于山阳、东北、上越等新干线桥隧工程结构占全线的比例非常大等问 题，日本开始了板式无砟轨道结构系统的理论研究与试验。在最初的“新 轨道结构的研究”研究项目中，日本铁道综合技术研究所组成了由轨道结 构、材料、土工、物理、有机化学研究室人员组成的新轨道结构研究组， 承担相应的课题研究。在研究开发初期，研究小组针对不同的板式轨道方 案进行了设计选型，并通过部件试验、实尺模型加载试验、设计修改、运 营试验段铺设，最终形成了日本板式轨道的系列产品。 日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的a 型、框架型轨道板( 如 图1 - 3 ) 、适用于土质路基上的r a 型轨道板及特殊减振区段用的防振g 型轨 道板等，构成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列口1 。 从2 0 世纪6 0 年代中期开始进行板式无砟轨道的研究到目前大规模的 推广应用，走过了4 0 余年的历程。对于最初提出的轨道结构方案，铁道综 研相继进行设计、部件试验、实尺模型试验、设计修改、在营业线上试铺 等，试验中采用x 2 0 0 型试验车，在棚车的中央设置特殊的加载轴，施加各 种轮重和横向力，测定轨道各部件由荷载产生的位移、应力和压力，与设 计值进行对比。此外，将两轴车固定在试验轨道上，在车轴上安装激振装 置产生振动，测定钢轨和轨道板的振幅，取得轨道的振动特性，对轨道部 件进行静载、疲劳试验，确认在营业线上应用的实用性陋引。 日本在既有线、新干线上进行大量试铺实验，总共建立了2 0 多处近3 0 多公里的试验段，开展了大量的室内、运营线上动力测试和长期观测的试 验研究工作，并在试验结果的基础上，不断地改进完善结构设计参数和技 术条件，最终将普通a 型、框架型等板式轨道结构作为标准定型，在山阳、 东北、上越、北陆和九州新干线的桥梁、隧道和路基上大量使用。为应用 于东北、上越新干线的寒冷地区，后来又研制出双向预应力结构的轨道板， 以防止混凝土裂纹的发生与扩展。为解决新干线的噪声振动问题，实现高 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 速铁路发展与社会环保兼容的目的，日本从2 0 世纪7 0 年代后期开始，在 日野土木研究所、东北新干线上的“小山试验线”、北上地区、古河地区的 高架桥上分别试铺了加多种型式的减振性板式轨道结构( 防振a 型防振h 型) ，观测其噪声振动效果，在进行技术、经济分析后，最终将防振g 型板 式轨道作为标准型式在减振降噪区段推广铺设口一1 。 图1 3 日本板式无砟轨道结构 ( 5 ) 日本梯形无砟轨道 梯形无砟轨道由2 片矩形截面的预应力混凝土纵梁和横向钢管联接构成。 此轨枕结构形似扶梯( l a d d e r ) ，因此称之为梯形轨枕( 如图卜4 ) 。它是纵向 轨枕的一种，既能大幅度提高荷载分散能力，又可补充钢轨本身的刚性和质量 性能特点，可以说是轨枕的一种革新形式。 梯形无砟轨道由日本铁路研究学会( t h er a il w a yt e c h n ic a lr e s e a r c h i n s t it u t e ( r t r i ) ) 从1 9 9 5 年开始研制开发，它是基于纵枕轨道理论的基础 开发的，由预应力纵梁和钢管横撑组成的“梯子式 结构，并与钢轨组成“复 合钢轨”共同承担列车荷载。此结构从延长轨道维修周期，以及减小无砟轨 道中高架铁路桥结构振动噪声等方面作为着眼点。 梯形无砟轨道的出现，在很多方面解决了传统横向轨枕的不足。这种 桶搦凰搦 ， - 鞠镧周司 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 无砟轨道具有诸多优点： 第一能够减少轨道养护维修、延长维修周期； 第二梯形无砟轨道的纵向梁结构具有很好的分散荷载能力，对道床 压力较之传统轨枕小。这也是此种结构能够很好延长维修周期的一个因素； 第三有益于改善车辆动力学性能，降低冲击轮重，保持很好的轨道 平顺性与稳定性： 第四在高架桥、隧道等无砟轨道结构中，梯形无砟轨道能够很好的 减振降噪。 梯形无砟轨道不但充分发挥了复合轨道高刚性的特点，还使轨道构造 具有充分的弹性。利用减振材料等间隔支撑结构，使其浮于混凝土整体道床 之上，实现了轻量级质量弹簧系统的构想，达到了减少支撑弹簧数量的目 的。这种设计，还可在很大程度减小结构噪音，成为一种“低噪声、低振动 的轨道构造”。 母k；厶 r _ _ _ _ o i 麓，。_ 鼍氆匿 轨枕重量3 2 0 0 k g 图卜4 浮置式防振装置型梯形轨枕轨道 ( 6 ) 德国a t o 型无砟轨道 a t d 是德语a s p h a l tt r a g s c h i c h tm i td i r e k t a u f l a g e r u n g ( 沥青支承 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 轨排结构) 的简称。a t d 型无砟轨道属于轨枕支承式无砟轨道，采用双块式 轨枕直接置于沥青混凝土底座上，在轨枕与底座间设置一层无纺布来填平 表面的凹凸，不需要填充层，并在底座上设凸台，用树脂填充轨枕与底座 间的缝隙等以承受纵、横向水平力的作用。在沥青混凝土底座上的其它结 构，如b t d 、w a l t e r 型等是用轨枕取代a t d 型中的双块式轨枕块，且轨枕 与底座间的联接方式各不相同，这些联接方式以满足必要的纵、横向阻力 为前提1 。 ( 7 ) 英国p a c t 型无砟轨道 英国铁路从1 9 6 0 年开始研究无砟轨道，1 9 6 6 年起开始试铺各种型式的 板式轨道。英国铁路的无砟轨道与日本新干线和德国铁路干线所铺设的板 式轨道均不相同，它是用钢筋混凝土灌注成的无接缝连续的刚性道床板直 接支承钢轨，在轨底与混凝土道床之间放置一条带状的连续橡胶垫层，以 给轨道提供必要的弹性，采用潘德罗尔弹条扣件联结，这种轨道也称为p a c t 型无砟轨道。英国铁路试铺的p a c t 型无砟轨道，具有投资较低、维修费用 少、噪音小、稳定性强等特点，适宜在隧道内和高架桥上使用。但由于轨 道板与其基础是刚性联结，故要求基础必须坚实、不变形，一旦混凝土道 床损坏，修复是很困难的。p a c t 型无砟轨道由英国铁路首先在隧道内铺设， 西班牙1 9 7 5 年在路基上铺设了4 k m ，加拿大1 9 8 8 年在r o g e r p a s s 隧道内 铺设了7 8 k m 口1 。 1 2 2 国内无砟轨道概况 我国无砟轨道的研制工作起步相当早。在1 9 3 4 年就曾铺设过混凝上整 体道床轨道，1 9 5 8 年当时的唐山铁道学院与北京铁路局合作曾在唐山车站 铺设过无砟轨道。1 9 6 5 年即开始在长大山岭隧道内大量采用混凝土整体道 床。北京地下铁道也全部采用了整体道床无砟轨道，并取得了较好的效果。 初期我国主要曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 以及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1 公里的隧道内铺设，总铺设 长度约3 0 0 k m 。8 0 年代曾试铺过沥青整体道床，由沥青混凝土铺装层与宽 枕组成的整体道床，以及由沥青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道内 试铺，总长约l o k m ，但并未正式推广。另外，在京九线九江长江大桥上铺 设了无砟无枕结构，长度约7 k m 3 。在此2 0 多年期间，我国在无砟轨道的 结构设计，施工方法，轨道基础的技术要求，以及出现基础下沉等伤损的 整治等方面积累了宝贵的经验，并吸取了有益的教训，为发展无砟轨道新 技术打下了基础乜4 2 7 1 。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着京沪高速铁路可行性研究的不断深入，无砟 轨道在我国重新得以关注。在“九五 国家科技攻关专题“高速铁路无砟 轨道设计参数的研究中，提出了适用于高速铁路桥、隧结构上的三种无 砟轨道型式( 长枕埋入式、弹性支承块式和板式) 及其设计参数；在铁道部 科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研究”中， 完成了对三种结构型式的无砟轨道( 长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式轨 道) 实尺模型的铺设及各项性能试验；初步提出高架桥上无砟轨道的施工方 案；提出了高速铁路无砟轨道桥梁徐变上拱的限值与控制措施；建立了桥 上无砟轨道车线桥祸合模型并进行了仿真计算，初步分析了高速铁路高架 桥上无砟轨道的动力特性与车辆走行性能口2 8 2 9 1 。尽管与国外高速铁路无砟 轨道的研究相比，我国无砟轨道的研究起步较晚，但通过我国科技人员的 努力，在无砟轨道结构的理论和实践方面均取得了长足的进步。 1 9 9 9 年，在铁道部科技开发计划项目“秦沈客运专线桥上无砟轨道设 计、施工技术条件的研究与编制”的有力推动下，秦沈客运专线选定了三 座高架桥作为无砟轨道的试铺段。其中，沙河特大桥( 长6 9 2 m ) 试铺长枕埋 入式无砟轨道；狗河特大桥( 长7 41 m ) 直线和双何特大桥( 长7 4 0 m ) 曲线上试 铺板式轨道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 为新型轨道结构发展的一个必要环节，掌握桥上无砟轨道在高速运行 条件下的结构受力、变形情况与振动特性，评估两种无砟轨道结构的动力 性能，2 0 0 0 年铁道部科技司与铁道部工程管理中心立项开展“秦沈客运专 线桥上无砟轨道综合试验 ，并在项目的试验大纲中，选定线路平纵断面、 桥梁结构型式相近的桥上有砟轨道试验工点( 石河二号特大桥、跨兴闰公路 特大桥) 进行对比测试。 我国规划及在建的客运专线，引用国外无砟轨道技术，大量铺设无砟 轨道。在西康线我国最长的秦岭隧道( 铺轨3 7 k m ) 内采用了弹性支承块式无 砟轨道，已于2 0 0 1 年正式开通运营，效果良好。在渝怀线鱼嘴2 号隧道( 铺 轨1 4 3 8 m ) 、赣龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 分别铺设长枕埋入式和板式 轨道，渝怀线鱼嘴2 号隧道长枕埋入式无砟轨道己于2 0 0 3 年6 月铺设完成， 赣龙线枫树排隧道板式轨道于2 0 0 3 年底完成铺设。同时，在线路开通后对 隧道内的无砟轨道结构进行动力测试与长期观测。 围绕着为了在我国客运专线推广应用无砟轨道，在2 0 0 4 年底在遂渝线 开展无砟轨道试验段研究，在包括桥梁、隧道和路基及各种过渡段在内的 不同线下基础上研究和试铺了双块式无砟轨道、轨枕埋入式无砟轨道、板 式轨道( 含平板型、框架型和减振型板式轨道) 和纵连板式轨道等轨道结构 类型。试验段采用了铁科院开发的w j 一7 型弹性分开式扣件。道岔区轨枕埋 入式轨道为我国首次在路基地段铺设了无砟无缝道岔。在新北碚嘉陵江大 桥桥上铺设了纵连板式无砟轨道结构，为我国在大跨度桥上铺设无砟轨道 提供了经验啪1 。 我国台湾省台北一高雄的高速铁路全长3 4 5 k m ，其中无砟轨道1 5 5 k m ， 在1 2 3 组道岔中有9 6 组采用雷达2 0 0 0 无砟轨道结构，全线2 0 0 5 年l o 月 已投入运营。 此外，已建成的京津客运专线全线采用博格板式无砟轨道；在建的郑 西客运专线和武广客运专线分别采用旭普林型无砟轨道和雷达型无砟轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 道。 下面着重介绍一下桥上c r t si 板式无砟轨道。 ( 1 ) 结构型式： c r t si 板式无砟轨道由混凝土底座+ r c 或p r c 轨道板+ 水泥沥青( c a ) 砂浆调整层+ 凸形挡台+ 钢轨+ 扣件系统组成。 桥上轨道板与混凝土梁体之间设置混凝土底座，并设置c a 砂浆层，两 块轨道板之间设置钢筋混凝土凸形挡台，以固定其水平位置，控制纵横向 位移。桥上轨道结构高度为6 5 7 m m ，底座在梁面构筑并分段设置，每块轨道 板长度底座设置2 0 m m 伸缩缝，伸缩缝对应凸型挡台中心并绕过凸型挡台； 底座范围内梁面不设防水层和保护层，轨道中心线2 6 m 范围内的梁面在梁 厂预制时进行拉毛处理，梁体采用预埋套筒植筋与底座相连。预应力平板 和预应力框架板混凝土强度等级为c 6 0 ，钢筋混凝土框架板混凝土强度等级 为c 5 0 1 。 c a 砂浆调整层是板式无砟轨道结构的关键组成部分，其性能的好坏直 接影响板式轨道应用的耐久性和维修工作量。c a 砂浆由水泥、乳化沥青、 细骨料( 砂) 、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成，其作为 板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层，是一种具有混凝土的刚性 和沥青的弹性的半刚性体，c a 砂浆的设计厚度为5 0 m m ，施工时的容许范围 为4 0 - - - l o o m m 。我国对板式轨道c a 砂浆的特性开展了为期3 年的科研攻关 工作，在借鉴日本新干线板式轨道c a 砂浆研究资料的基础上，结合我国的 研究成果，针对性地提出了板式轨道c a 砂浆的性能指标及相应的试验方法 【3 l 】 o 凸形挡台外形在梁跨的端部为半圆形，在梁跨中部均为圆形，凸形挡 台与轨道板端部的半圆形缺口共圆心，半径为2 6 0 m m ，高度为2 5 0 r a m ，。在 曲线部分，凸形挡台竖向轴线与底座的项面垂直。凸形挡台采用c 4 0 级混 凝土，在混凝土底座施工完成后进行现场浇筑，其周围填充以砂浆或树脂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 材料“。 ( 2 ) 性能特点 轨道日常养护维修工作量和费用少，可以适应高速度、高密度铁路运输 需要；在桥梁、隧道处使用，可以降低结构物高度与自重，降低工程总造 价，综合评价工程建设投资时，更为经济合理；轨道稳定性好，纵横向阻 力大；线路表面平整便于行走，外观整洁美观；其主要受力部件一轨道板 由工厂预制，因而公差与质量均可有效控制，从而使施工质量得到可靠保 证；轨道弹性更均匀；轨道及基础各部件受力的离散性小，钢轨、轨道板、 基础等部件的工作应力明显降低，进而寿命得到延长。因此，c r t si 板式 无砟轨道是一种适应高速、重载运输的轨道结构型式。 1 3 板式无砟轨道国内外研究现状 板式无砟轨道自问世以来已有四十余年的时间，典型的板式无砟轨道 结构是日本新干线板式无砟轨道和德国博格板式无砟轨道。随着各国对板 式无砟轨道研究的不断深入，其技术逐步进步，形式逐步完善，铺设运营 效果良好。 因板式无砟轨道兴起于日、德等国，因此国外对其研究的比较成熟， 已经步入轮轨相互作用的系统动力学研究阶段，将机车车辆系统、轨道结 构系统和轮轨相互作用并集于一体，车辆与轨道通过轮轨关系耦合作用。 这种系统的研究车辆一轨道动力相互作用己成为轮轨相互作用研究的重要 手段，是轮轨动力分析的发展趋势，并逐渐为铁路轮轨相互作用的动力试 验结果所证实。近来，随着研究的逐步深入，多从车辆一轨道一桥梁动力相 互作用方面入手，讨论三者相互作用原理。 1 3 1 国外所做相关研究 国外尤以日本对板式轨道的研究较为成熟，以其日本板式无砟轨道闻 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 名。学者佐藤和佐藤吉彦采用集总参数模型和连续弹性基础梁模型研究了 轨道的动力效应，其中比较有代表性的则是s a t o “半车一轨道”集总参数模 型。为模拟新干线板式轨道，日本学者还提出了双层连续弹性基础上无限 长梁模型。佐佐木、直树在文献 9 中采用“梁一板模型对板式无砟轨道 进行力学分析，将扣件和板下支撑均视为线性弹簧。 1 3 2 国内所做相关研究 我国板式无砟轨道研究起步较晚，但也取得了一些成绩。最早提出采 用叠合梁法来对无砟轨道或者整体道床结构进行分析，可见参考文献 3 2 。 2 0 0 5 年，西南交通大学的李春霞等在土路基上板式轨道力学分析 中建立了土路基上板式轨道结构的分析模型，对土路基上板式轨道受力特 性进行了分析，将轨道结构当作弹性实体，计算了板式轨道各层结构的受 力和变形。 2 0 0 6 年，铁道第三勘察设计院的齐春雨在土质路基板式轨道结构强 度计算研究中采用弹性地基梁法对土质路基上板式轨道结构建立力学模 型，列出微分方程式及其边界条件，并采用牛顿下山法解出方程，得到土 质路基上板式轨道、轨道板、底座等各部件的弯矩、应力以及地基承载能 力，分析不同参数变化对结构响应的影响。 2 0 0 6 年，中南大学刘玉祥在其硕士论文铁路板式无砟轨道结构分析 方法的研究中，针对板式无砟轨道的结构特点，建立了基于弹性地基梁 理论的叠合梁模型、基于叠合梁结构体系的有限元模型和基于梁一板组合 结构体系的有限元模型，阐述了这三种模型在板式无砟轨道结构分析中的 应用。对桥上板式无砟轨道结构进行了分析研究，运用基于叠合梁结构体 系的有限元模型对桥上板式无砟轨道结构各部分在荷载作用下的变形、内 力等反应进行了计算。 2 0 0 7 年，西南交通大学徐锡江在其硕士论文大跨桥上纵连板式轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 纵向力计算研究中，基于梁轨相互作用原理和有限元方法，采用梁单元 和弹簧单元模拟各结构层，建立了大跨桥上纵连板式轨道纵向力计算模型， 计算了制挠力、温度力和断板力工况下桥上纵向附加力，同时分析了滑动 层摩擦系数、轨道板和底座板伸缩刚度变化以及固结机构设置对桥上附加 纵向力的影响。 2 0 0 7 年，西南交通大学曹利在其硕士论文简支梁桥上博格板式无砟 轨道纵向力分析中，结合京津城际轨道交通工程，利用a n s y s 有限元分 析软件建立了桥上博格板式无砟轨道结构的纵向力分析有限元模型，对多 跨简支梁桥进行了纵向静力分析，同时分析了桥梁与底座板之间摩擦系数 以及轨道板伸缩刚度变化对结构受力的影响。分析了摩擦板长度对结构受 力的影响。在断轨工况下分析了断缝值与轨温变化幅度、梁板温变化幅度 的关系。对比分析了2 4 m 、3 2 m 两种跨度梁长的简支梁桥上博格板轨道结构 的受力，以及不同的支座布置形式对结构受力的影响。 2 0 0 8 年，北京交通大学秦兰兰在其硕士论文铁路板式无砟轨道结构 分析方法的研究中研究了在单荷载作用