客运专线无渣轨道结构及施工技术II型板式无砟轨道设计

1京沪高速铁路纵连板式无砟轨道设计原理与方法内容提要2高速铁路轨道结构概述纵连板式轨道结构概述路基上纵连板式无砟轨道设计原理桥上纵连板式无砟轨道设计原理开展的相关工作结束语۩高速铁路轨道结构概述۩纵连板式轨道结构概述۩路基上纵连板式无砟轨道设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计原理۩开展的相关工作۩结束语高速铁路轨道结构概述34高速铁路轨道结构从总体上分为有砟轨道和无砟轨道。两类轨道结构在技术经济性方面具有一定的差异，世界各国均根据自己的国情路情合理选用，以取得最佳的技术经济效益。法国-有砟轨道德国-无砟轨道5随着列车运行速度的不断提高，有砟轨道道砟粉化及道床累积变形的速率随之加快，须通过轨道结构强化措施来满足高速铁路对线路的高平顺性、稳定性、减少频繁线路维修工作的要求。自上世纪60年代，国外在研究强化有砟轨道的同时，相继研发了以“高平顺性”和“少维修”为主要目标的无砟轨道结构，随着无砟轨道技术经济性的不断完善，其在高速铁路上的应用范围愈来愈广，日本、德国、韩国、我国台湾等后期修建的高速铁路中无砟轨道所占比例均在90%以上。纵连板式双块式单元板式6无砟轨道结构型式预制板式现浇混凝土式单元板式纵连板式整体轨枕埋入式双块轨枕埋入式我国高速铁路建设中采用的无砟轨道型式如下:纵连板式纵连板式轨道结构概述7۩高速铁路轨道结构概述۩纵连板式轨道结构概述۩路基上纵连板式无砟轨道设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计原理۩开展的相关工作۩结束语8纵连板式无砟轨道技术引进于德国MaxBögl公司，该轨道系统的前身是1979年铺设在“卡尔斯费尔德-达豪”试验段上的一种预制板式轨道，该轨道系统的组成类似于日本新干线板式轨道；它吸收了轨枕埋入式无砟轨道整体性和板式轨道制作和施工便利的特点，并在后续研发工作进行了优化改进。纵连板式无砟轨道在德国科隆至法兰克福高速铁路A标段、纽伦堡至因格斯塔特高速铁路北段（35km）两项高铁线路上经受了工程实践的检验。纵连板式无砟轨道试验段9整体板式板与板连接横向施加预应力纽伦堡-因格斯塔特路基上轨道结构纽伦堡-因格斯塔特隧道内轨道结构纵连板式无砟轨道系统在德国应用情况纵连优点：有效约束板端在活载、温度梯度等荷载作用下翘曲变形，较好地保证线路平顺性。10德国的各种无砟轨道形式采用的技术标准是DS804和AKFF（《无砟轨道工程技术要求纲要》2002），根据桥梁的长度分别对桥上无砟轨道设计进行了明确的规定。短桥：指桥长在25m以下的桥梁，通常是单跨简支梁桥或刚架桥；长桥：指25m以上的单跨、多跨简支或连续梁桥。德国桥上无砟轨道应用情况11短桥上无砟轨道可连续铺设，在道床板底部铺设滑动层，通过在道床板两侧设置侧向挡块固定其横向位置。但为避免梁端转角对无砟轨道受力的影响以及满足顶梁要求，无砟轨道在梁端接缝处必须断开。德国桥上无砟轨道应用情况德国短桥上无砟轨道构造特征12长桥上无砟轨道不允许连续铺设，轨道板的长度一般在4.0～5.0m之间，板间隔缝为0.1m。在梁跨间接缝及桥梁与桥台间接缝位置，同样为避免梁端转角对无砟轨道受力的影响以及满足顶梁要求，无砟轨道须在接缝处断开。长桥上轨道板与底座混凝土板间应设置隔离层，必要时顶起轨道板进行更换。德国桥上无砟轨道应用情况德国长桥上无砟轨道构造特征13纽伦堡-因格斯塔特桥上轨道结构博格型无砟轨道在德国桥上应用情况桥上轨道板外形尺寸：4.50m×2.55m×0.30m尺寸限位措施14京津城际铁路纵连板式无砟轨道的应用情况针对京津城际铁路高架桥为主的线路特征，为避免桥上过多使用补偿板、加快施工进度，设计提出了长桥上无砟轨道设计新方案（简称“长桥新方案”），并进行了技术论证。京津城际铁路高架桥京津城际铁路高架桥上轨道结构15京津城际铁路纵连板式无砟轨道的应用情况长桥新方案与目前德国、日本已建高速铁路桥上无砟轨道的主要差别在于它采用了连续的轨道结构，放弃了长桥上无砟轨道必须设置断缝并在梁端接缝处断开的设计原则。京津城际铁路桥上无砟轨道采用长桥新方案，路基上无砟轨道采用既有方案。既有长桥方案长桥新方案采用了连续的轨道结构（预制轨道板＋底座板），放弃了长桥上无砟轨道必须设置断缝并在梁端接缝处断开的设计原则。为解决轨道结构连续带来的影响，分别采取了以下措施。16特点京津城际铁路桥上纵连板式无砟轨道设计思路17不传递纵向力减弱梁端转角对轨道结构的影响传递纵向力123轨道在梁端的受力问题？桥梁伸缩对轨道受力影响的问题？纵向力的传递问题？优点：从而避免桥梁伸缩对底座混凝土板受力的影响，也可以避免长桥上钢轨伸缩调节器的设置。京津城际铁路桥上纵连板式无砟轨道设计思路18限制横向位移保证轨道屈曲稳定性45轨道横向受力的问题？轨道稳定性的问题？京津城际铁路桥上纵连板式无砟轨道设计思路•设计认为桥跨间纵向连接刚度的加大可以使得桥上的纵向力在桥跨间更为均匀的分配；另外在桥台后采用了“端刺+摩擦板”的方案，解决底座混凝土板自桥梁至路基过渡的问题，使桥上纵向力不影响端刺以外路基上的轨道结构。19台后“端刺+摩擦板”方案6桥上纵向力传递问题？京津城际铁路桥上纵连板式无砟轨道设计思路路基上纵连板式无砟轨道设计原理20۩高速铁路轨道结构概述۩纵连板式轨道结构概述۩路基上纵连板式无砟轨道设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计原理۩开展的相关工作۩结束语在路基上，轨道板铺设在水硬性材料支承层上（HGT，最小厚度为30cm厚），HGT下设防冻层等，轨道板和HGT间灌注沥青-水泥砂浆（CA砂浆）垫层保证两者的可靠粘结。路基上无砟轨道结构构造标准轨道板设计流程标准轨道板设计流程路基上轨道结构标准轨道板设计模型约束条件：弹簧系数确定依据《混凝土年鉴》（1987年）规定。截面信息：采用轨道和HGT换算截面，按刚度等效的原则换算为0.196m厚度。计算荷载：活载250kN（UIC71）考虑动力效应50%和弯道上20%的附加力。温度：系统温差40℃。预应力：两端连接部位，按6×50kN计。标准轨道板纵向设计计算根据规范中关于荷载规定，在无砟道床的承重结构中，可以将集中荷载（450kN）分布在轨道的3个支撑点。标准轨道板纵向设计计算-活载轨道板在纵向是通长的，将轨道板近似认为两端固定的杆件考虑，故在系统温差作用下：є△T=1.0×10-5×40=0.4‰混凝土的收缩变形依据DIN4227进行，考虑自14天→∞收缩变形。єs,∞=-0.23‰轨道板混凝土受压检算（温度+活载组合）σ总=3.5+15.6=19.1MPaVB=30/19.1=1.57钢筋受拉检算（温度+收缩组合）考虑到轨道板的钢筋（6Φ20）布置在轨道板的中部，所以不计入活载作用下钢筋受力，仅考虑在降温和混凝土收缩情况下钢筋的应力，如下，σ钢筋=0.63‰×2.1×105＝132.3MPa286MPa=500MPa/1.75标准轨道板纵向设计计算-温度和收缩荷载在轨道板接缝部位，只有6Φ20的钢筋连接，根据轨道板内部钢筋受拉检算结果，检算接缝部位钢筋受力，同时控制裂缝宽度。在降温和收缩共同作用下，轨道板承受的轴向力为：N=σ钢筋*A钢筋=132.3MPa×3.16×10-3m2=418kN在截面B（接缝）部位，考虑纵向连接可以共可以提供6×50kN=300kN预压荷载，计算钢筋应力为：σ连接钢筋=（418-300）kN/1.88×10-3m2=62.7MPaє连接=62.7/210000=0.3‰△L=650mm×0.3‰=0.195mm另外，根据活载作用下轨道板的弯矩（38.0kN∙m），计算钢筋应力幅值：Fg1=M/Z=38.0/（0.85×0.13）=344kN扣除300kN的预应力，Fg2=Fg1-300=44kN△σg=44kN/1.88×10-3m2=23MPa180MPa标准轨道板纵向接缝设计检算根据计算结果，最大的支撑反力为107.5kN，HGT支撑层底部宽度为3.25m，纵向间距取0.6m，下部土压力为：σ土体=107.5/（3.25×0.6）=55.1KPa在计算中参考《混凝土年鉴2000》（P299），“在计算最大地面压应力时，如果考虑现已有的冗余，选择动力系数1.17，认为是足够的”σ土体=55.1×1.17/（1.2×1.5）=35.8KPa认为土体应力小于允许值50KPa，满足要求。活载作用下土压力检算在横向，轨道板简化为65m宽轨枕进行计算，模型为两端带悬臂的简支梁。荷载根据慕尼黑工大拟定的工作表格EI测定（轴重300kN，轮重150kN），并提出该荷载包括所有的荷载组合、动力系数及曲线段行车所造成的附加荷载等，并根据道床形式的不同分别进行计算。标准轨道板横向设计计算LF1LF2LF3标准轨道板横向设计计算横向预应力筋为6Φ10，根据DIN4227计算收缩和徐变系数，有效预应力取870MPa。计算结果如下：混凝土最大拉应力1.84MPa，混凝土可以长久承载此应力。标准轨道板横向设计计算-预应力与活载组合标准轨道板设计流程小结¶轨道板接缝张拉测试分析¶温度梯度荷载的测试分析桥上纵连板式无砟轨道设计原理33۩高速铁路轨道结构概述۩纵连板式轨道结构概述۩路基上纵连板式无砟轨道设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计原理۩开展的相关工作۩结束语设计构造特点№1新方案中的预制轨道板和底座混凝土板在长桥上是跨过梁缝的连续结构，轨道板结构及外形尺寸不受桥跨的限制，可采用与路基、隧道内一致的轨道板，轨道板本身的制造和安装铺设较既有方案简便。№2底座混凝土板在每孔桥梁固定支座上方，通过预设齿槽、锚固螺栓（每排7Ф28mm）以保证其和桥梁间纵向的可靠连接，其余部位通过在梁面设置滑动层以保持滑动状态，认为可不计桥梁伸缩对无砟轨道的影响。既有方案长桥新方案№3通过梁缝处前后3.1m范围的梁面上铺设5cm厚硬质泡沫塑料板，以减小梁端转角对无砟轨道结构受力的影响。№4通过在底座板两侧设计侧向挡块进行横向限位（底座板与梁面间横向为滑动状态）。№5通过在台后路基上设置摩擦板、端刺等结构，使桥梁纵向力不影响路基段轨道结构。№6在设有排水坡的梁面上喷涂防水层，取消了钢筋混凝土保护层。39在长桥新方案中，轨道结构的主承重构件是底座混凝土板，各项设计均是围绕底座混凝土板展开的，以下重点对底座混凝土的设计进行介绍。底座混凝土板设计原理41•底座混凝土板为通长的普通钢筋混凝土构件，在运营过程中必然出现开裂；•开裂后的底座混凝土板不提供抗弯刚度，将长桥上的底座混凝土板按拉压杆件设计；•应用了开裂后钢筋混凝土构件刚度折减的理念，考虑底座混凝土不同开裂程度时的刚度；•对底座混凝土板按照正常使用极限状态和承载能力极限状态进行设计。[刚度折减概念的应用]42底座混凝土板法向力与应变关系图德国规范（开裂前）（充分开裂后）（纯钢筋状态）（确定底座混凝土板不同开裂程度时的刚度）[极限状态法设计]43正常使用极限状态检算承载能力极限状态检算温度为主组合活载为主组合温度为主组合活载为主组合确定最不利组合[裂缝宽度/适用耐久性][力学模型-竖向活载作用]44力学模型变形分析结果[力学模型-水平活载作用]4565m路基+100m摩擦板+25×33m（25跨32m的简支梁）力学模型[力学模型-温度和混凝土收缩作用]46简化力学模型应用开裂后刚度折减理念[力学模型-温差荷载]47推板试验分析模型[力学模型-受压检算]48[依据Euler理论进行检算，确定扣压式挡块的最大间距][力学模型-梁端弯曲受力状况]49模型试验力学模型底座混凝土板设计检算荷载的确定1）混凝土收缩和温度荷载根据温度、收缩工况分析结果，收缩引起的总变形量εges约为-0.30‰，与降温-30℃工况基本相同，故可采用-30℃的附加温度荷载来计算混凝土收缩的影响。最大降温荷载按-40℃考虑。2）温差荷载（与轨道板）根据轨道板与底座混凝土板温差工况分析结果，设计偏安全地考虑剪力在整个轨道板垫层砂浆范围内（6.45m）叠加，即认为从轨道板传递至底座混凝土板的最大荷载为410kN。3）制动力荷载根据中国