II型板式无砟轨道设计原理技术培训(1)

CRTSIICRTSII型板式无砟轨道系统设计原理与方法型板式无砟轨道系统设计原理与方法中国铁道科学研究院二OO九年八月1内容提要概述标准轨道板及板端连接设计原理桥上纵连板式无砟轨道设计思路桥上纵连板式无砟轨道设计思路桥上纵连板式无砟轨道设计原理我国目前开展的主要研究工作京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工若干问题讨论2概述概述۩概述۩标准轨道板及板端连接设计原理۩标准轨道板及板端连接设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计思路۩桥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۩我国目前开展的主要研究工作۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工3۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工若干问题讨论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。德国-无砟轨道法国-有砟轨道4中国-无砟轨道有砟、无砟轨道结构典型技术特征区别：道床整体型道床整体型道床刚度特征线路纵、横向阻力道床耐久性5道床耐久性有砟轨道高速预制板式单元板式速铁路轨无砟纵连板式轨道结构纵连板式砟轨道整体轨枕埋入式构现浇混凝土式整体轨枕埋入式双块轨枕埋入式关于纵连式无砟轨道两个问题的研讨关于纵连式无砟轨道两个问题的研讨：路基上轨道板间纵连优缺点？6桥上应用纵连式技术需解决的关键技术问题？№1路基上轨道板间纵连优缺点轨道板模型变形云图(顶面升温工况)变形云图(顶面升温况)7变形云图(顶面降温工况)板式无砟轨道砂浆破损照片№1路基上轨道板间纵连优缺点板端铝热焊连接技术板端预应力连接技术德国卡尔斯费尔德达豪试验段(1977年)8德国卡尔斯费尔德-达豪试验段(1977年)№1路基上轨道板间纵连优缺点纵向连接后轨道分析模型纵向连接后轨道分析模型变形云图（顶面升温工况）较单元板式有所不同9较单元板式有所不同№1路基上轨道板间纵连优缺点维修时需首先解除纵向连接接缝连接及砂浆关注不好时引发新的问题10№2桥上应用纵连式技术需解决的关键技术问题？国外桥上无砟轨道(长桥)主要技术要求国外桥上无砟轨道(长桥)主要技术要求：无砟轨道在梁跨间接缝及桥梁与桥台间接缝位置断开。无砟轨道不连续铺设，轨道板的长度一般在4.0～5.0m之间，板间隔缝为01m隔缝为0.1m。轨道板与底座混凝土板间应设置隔离层，便于更换维修。11桥上无砟轨道概貌图№2桥上应用纵连式技术需解决的关键技术问题？纽伦堡-因格斯塔特桥上无砟轨道施工概貌12№2桥上应用纵连式技术需解决的关键技术问题？需解决的关键问题需解决的关键问题：梁端轨道结构受力性能桥梁与轨道(轨道板、底座板)相互作用问题运营期间的维修性运营期间的维修性桥上纵连式无砟轨道效果图桥上纵连式无砟轨道效果图13标准轨道板及板端连接设计原理标准轨道板及板端连接设计原理۩概述۩标准轨道板及板端连接设计原理۩标准轨道板及板端连接设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计思路۩桥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۩我国目前开展的主要研究工作۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工14۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工若干问题讨论№1路基上无砟轨道结构构造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）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。№2标准轨道板设计流程标准轨道板设计流程№3标准轨道板设计模型路基上轨道结构№4标准轨道板纵向设计计算约束条件：弹性地基梁支撑。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计预应力：两端连接部位，按6×50kN计。№4标准轨道板纵向设计计算-活载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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。№4标准轨道板纵向设计计算-温度和收缩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：故在系统温差作用下：є△T=1.0×10-5×40=0.4‰轨道板混凝土的收缩变形：考虑自14天→∞收缩变形。єs,∞=-0.23‰№4标准轨道板纵向设计计算-温度和收缩混凝土受压检算（温度+活载组合）σ总=3.5+15.6=19.1MPaVB=30/19.1=1.57B钢筋受拉检算（温度+收缩组合）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：σ钢筋=0.63‰×2.1×105＝132.3MPa286MPa=500MPa/1.75应力钢筋№5标准轨道板纵向接缝设计在轨道板接缝部位，有6Φ20的钢筋连接，在降温和收缩共同作用下，轨道板承受的轴向力为：N=σA=1323MPa×316×10-3m2=418kNN=σ钢筋*A钢筋=132.3MPa×3.16×103m2=418kN在截面B（接缝）部位，钢筋初始张拉力为6×50kN=300kN。钢筋总应力为：227.3MPa注：轨道结构刚度均匀条件下。№5标准轨道板纵向接缝设计-工序施工工序图轨道板横向简化为65宽轨枕进行计算模型为两端带悬臂的简№6标准轨道板横向设计计算轨道板横向简化为65m宽轨枕进行计算，模型为两端带悬臂的简支梁。荷载（轴重300kN，轮重150kN）包括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。计算荷载工况及弯矩计算结果№6标准轨道板横向设计计算-预应力和活载组合横向预应力筋为6Φ10，有效预应力按870MPa进行设计，活载作用下，混凝土最大拉应力1.84MPa。筋活载作用下轨道板弯矩图横向预应力筋概貌桥上纵连板式无砟轨道设计思路桥上纵连板式无砟轨道设计思路۩概述۩标准轨道板及板端连接设计原理۩标准轨道板及板端连接设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计思路۩桥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۩我国目前开展的主要研究工作۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工26۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工若干问题讨论№1纵连式轨道结构梁端受力问题大跨度桥梁梁端平衡板设计理念解决方案借鉴大跨度桥梁梁端平衡板设计理念和公路领域先简支后连续结计理念和公路领域先简支后连续结构的梁端构造措施处理思路。在梁端顶板上方设置硬质泡沫塑料缓冲端顶板上方设置硬质泡沫塑料缓冲层，用于缓解梁端转角对轨道结构27受力的影响。№2桥梁与轨道(轨道板、底座板)相互作用问题无隔离层有隔离层解决方案通过在梁面和轨道间设置“两布一膜”隔离层减弱温度荷载通过在梁面和轨道间设置两布一膜隔离层，减弱温度荷载作用下梁体伸缩对钢轨水平受力的影响。是大跨度桥梁采用纵连板28式无砟轨道（不设置钢轨温度伸缩调节器）技术核心。№2桥梁与轨道(轨道板、底座板)相互作用问题有/无隔离层纵向应变特征两布一膜现场概貌解决方案通过在梁面和轨道间设置“两布一膜”隔离层利用该隔离层通过在梁面和轨道间设置两布一膜隔离层，利用该隔离层不传递层间剪力的特点，减弱梁体和轨道间竖向相互作用，改善轨29道结构受力。№3轨道结构整体纵向限位问题解决方案为限制升降温工况连续轨道结构伸缩位移利用台后填土结构为限制升降温工况连续轨道结构伸缩位移，利用台后填土结构，在两侧桥台以外设置纵向锚固措施。理想条件下，在系统温度荷载作30用下，轨道结构内部基本无应变(两端无位移或很小位移)。№3轨道结构整体纵向限位问题无温度变化条件下，轨道全长L温度变化T，假设一端自由，伸长量为∆L=L×ε×T梁端无位移条件下即产生∆L所需外力N=∆L×E×A/L=ε×T×E×A梁端无位移条件下，即产生∆L所需外力N=∆L×E×A/L=ε×T×E×A31№4桥梁上轨道结构纵向限位问题解决方案梁面剪力齿槽设计解决方案由于梁面和轨道间“两布一膜”隔离层的设置，使得轨道结构类似于梁面上的浮置体系，普通区域轨道与梁体间仅存在摩擦力。为使得桥上制动力均匀传至桥墩，根据桥跨伸缩特征，在固定支座32为使得桥上制动力均匀传至桥墩，根据桥跨伸缩特征，在固定支座上方设置了剪力齿槽，作为桥跨上轨道结构纵向限位措施。№5桥梁上轨道结构横向限位问题解决方案梁面与轨道间设置“两布梁面与轨道间设置两布一膜”隔离层，除固定支座上方剪力齿槽能够限制轨道结构的横向位移外，其余部位处于的横向位移外，其余部位处于相对自由状态，通过在轨道两侧设置侧向挡块作为桥跨上侧设置侧向挡块，作为桥跨上轨道结构横向限位措施。侧向限值措施概貌33№6桥梁上轨道结构竖向限位问题解决方案解决方案由于轨道结构在升温工况下产生较大的压力，且仅桥跨固定支座建立齿槽能够提供竖向约束，为保证轨道结构的竖向屈曲稳定性，将部分挡块设置成扣压式部分挡块设置成扣压式。34侧向挡块概貌桥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۩概述۩标准轨道板及板端连接设计原理۩标准轨道板及板端连接设计原理۩桥上纵连板式无砟轨道设计思路۩桥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۩我国目前开展的主要研究工作۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工35۩京沪桥上纵连板式无砟轨道设计施工若干问题讨论CRTSII型轨道系统中，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。36№1底座混凝土板设计框图•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•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37对底座混凝板按照正常使用极限状态和承载能力极限状态进行设计。№1底座混凝土板设计-钢筋混凝土杆件拉伸刚度强化钢筋混凝土拉杆荷载-应变曲线38№1底座混凝土板设计-极限状态法设计正常使用极限状态[裂缝宽度/适用耐久性]承载能力极限状态温度活载温度活载度为主组载为主组度为主载为主组合组合组合组合确定最不确定最不利组合39№1底座混凝土板设计-竖向活载效应力学模型变形分析结果40变形分析结果№1底座混凝土板设计-水平活载效应65m路基+100m摩擦板+25×33m（25跨32m的简支梁）力学模型41№1底座混凝土板设计-温度和混凝土收缩荷载简化力学模型42应用开裂后刚度折减理念№1底座混凝土板设计-温度和混凝土收缩荷载推板试验43№1底座混凝土板设计-屈曲稳定性(受压)[依据Euler理论进行检算，确定扣压式挡块[依据Euler理论进行检算，确定扣压式挡块的最大间距]44№1底座混凝土板设计-梁端弯曲受力考察模型试验45№2底座混凝土板设计荷载确定）混凝土收缩和温度荷载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ε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。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（645m）叠加，即认为从轨道板传递至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№2底座混凝土板设计荷载确定3）制动力荷载根据中国规范规定，竖向活载图示为ZK活载（0.8UICLM71活载），同样，制动荷载按DIN-专业报告101制动荷载的80%取用。将这个荷载分布在一条线最大