高速鐵路橋軌一體化無砟軌道設計技術

孫立

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究院, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430063）

1 概述

軌道技術是高速鐵路的核心技術之一, 軌道跨越路、橋、隧不同線下基礎, 直接承受列車活載、溫度荷載、線下基礎變形, 是保障列車安全、平穩和舒適運行的重要基礎設施。自2005年起, 通過無砟軌道技術引進、消化、吸收和再創新研究, 并結合工程實踐應用, 目前我國形成的無砟軌道結構型式主要有雙塊式無砟軌道和CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟軌道[1］。經過10余年的高鐵運營經驗積累, 目前我國新建高鐵主要應用雙塊式無砟軌道及CRTSⅢ型板式無砟軌道[2］。

不同于路基、橋梁地段, 橋上無砟軌道受橋梁溫度荷載、橋梁撓曲變形、收縮徐變等復雜荷載影響, 其受力體系更加復雜[3］, 因此, 橋上無砟軌道設計是軌道設計中的難點及重點。橋上無砟軌道設計時, 橋梁與軌道專業間接口較多, 例如橋梁專業需根據軌道專業要求預埋無砟軌道底座連接鋼筋[4］, 橋梁墩臺設計需考慮無砟軌道-無縫線路附加力[5-6］, 軌道專業布置無砟軌道需結合橋梁專業設計梁縫值等。

目前無砟軌道均采用底座現澆在橋梁梁面的方式, 但在實際工程中難免出現設計返工, 甚至施工后需花費大量人力、物力重新調整的問題。例如：

（1）某項目由于施工誤差, 導致橋梁梁面高于設計值, 造成CRTSⅢ型板式無砟軌道結構高度不足, 底座厚度低于設計值。為了調整軌道結構高度到設計值, 建設單位、設計單位及施工單位需耗費大量時間進行專項論證, 但可采取的措施往往有限。例如將橋面保護層鑿除2~3 cm后澆筑底座板, 但梁面可鑿除厚度有限, 當超過一定限值時, 往往需要線路專業進行局部調線調坡, 這種做法耗時耗力, 嚴重影響施工工期。

（2）某項目由于施工誤差, 梁面預埋鋼筋位置有誤, 導致L形鋼筋與道床板內鋼筋沖突, 植筋不滿足要求, 施工單位需進行大面積植筋調整。

（3）目前雙塊式無砟軌道及CRTSⅢ型板式無砟軌道底座均采用現澆方式, 通過植筋與梁面連接。對于現澆結構, 底座板底部與橋面間隙施工難以控制, 在降雨量大、梁面排水坡坡度不足的情況下, 雨水不能及時排出易導致軌道結構受水害侵蝕。

由以上可知, 橋梁與軌道專業間的接口處理不當、施工精度不足等問題, 是造成設計項目出現瑕疵的重要因素。針對橋梁軌道接口處理, 我國開展過相關研究, 例如20世紀50年代, 我國很多鐵路局修建了無砟無枕梁, 其特點是借助扣件將鋼軌直接固定于橋梁上[7］, 其可視為橋軌一體化的早期型式；張政等[8］研發了明橋面軌枕板式軌道結構, 其特點是在軌枕板與鋼梁之間設置調整墊層, 并采用垂向高強螺栓將軌枕板與橋梁連接為一體。

基于上述設計, 提出橋軌一體化無砟軌道設計思路, 在橋梁預制階段, 將無砟軌道凸臺或底座直接與橋梁預制為一體, 減少橋梁軌道專業間接口, 將軌道橋梁一體化施工, 保證在橋梁施工時軌道精度, 減少后期梁面成型后軌道高度不足等問題。

2 橋軌一體化無砟軌道結構設計方案

提出2種橋軌一體化無砟軌道結構設計方案, 即取消底座, 凸臺與橋梁一體化方案, 以及保留底座, 底座與橋梁一體化方案。方案1：橋軌一體化無砟軌道由鋼軌、扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床板、隔離墊層及橋梁（帶凸臺）等組成；方案2：橋軌一體化無砟軌道由鋼軌、扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床板、隔離墊層及橋梁（帶底座）等組成。橋軌一體化無砟軌道結構設計見圖1。

圖1 橋軌一體化無砟軌道結構設計

2.1 具體方案

（1）在具備更高精度和智能化水平的系列橋梁預制裝備前提下, 標準跨度橋上無砟軌道的限位凸臺（方案1）、混凝土底座（方案2）鋼筋在工廠預制時與橋梁綁扎為一體, 灌注混凝土后直接與橋梁一體化預制, 對于曲線地段, 可根據設計數據對軌道結構打磨到設計要求。

（2）為方便施工時鋼筋綁扎, 凸臺采取向上突出方式, 為優化凸臺受力, 凸臺四周均鋪設彈性緩沖墊層并進行倒圓角處理。

（3）橋上混凝土道床采用分塊式結構, 分塊道床板的長度宜為5.0～7.5 m, 相鄰道床板間距100 mm左右, 道床板寬度為2 800 mm。道床板厚度、底座厚度需經專項研究確定。

（4）對于方案1、方案2, 為保證無砟軌道不受水害侵蝕, 線間采用有機硅酮嵌縫, 做好防水處理, 為方便后期維修, 道床板與凸臺、道床板與底座之間設置土工布隔離層。

（5）直線地段上, 橋梁凸臺或底座按照線路中心線兩側對稱設計, 凸臺間距及數量根據軌道專業設計的布板數據確定。曲線地段上, 方案1凸臺與橋梁梁面現澆時需根據曲線半徑確定凸臺偏移量, 方案2底座與橋梁梁面現澆時需根據曲線半徑確定偏移量及道床超高值。

（6）方案1凸臺及方案2底座在工廠預制, 其相對于橋面的位置可以得到保證。軌道的精度主要取決于橋梁架設精度, 因此建議針對不同等級鐵路, 橋梁架設精度高于對應標準, 軌道鋪設標準可采用現行標準。

2.2 設計優勢

（1）橋梁與軌道結構鋼筋一體化綁扎澆筑, 可在橋梁建設階段控制軌道建造精度, 減少軌道與橋梁間的設計接口。

（2）方案1凸臺或方案2底座與橋梁一體化, 其結構間強度更高, 軌道結構限位能力得到加強。

（3）方案2底座直接與橋梁現澆為一體, 不存在新老混凝土結合面, 底座耐久性可有較大提高。此外, 方案2底座與橋梁一體化, 不存在底座下滲水問題。

（4）橋軌一體化建設可減少設計接口導致的施工問題, 加快高速鐵路施工進度, 對于無底座方案, 軌道結構高度可適當降低, 減小橋梁二期恒載, 降低橋梁及軌道工程造價。

3 橋軌一體化無砟軌道結構設計檢算

3.1 計算模型

基于上述設計方案, 在Ansys環境下建立橋軌一體化無砟軌道精細化三維實體模型（見圖2、圖3）。

圖2 方案1無砟軌道有限元模型

圖3 方案2無砟軌道有限元模型

方案1模型中, 道床板、凸臺、橋面以Solid45實體單元模擬, 鋼軌選用Beam188梁單元模擬；扣件用Combin14彈簧單元模擬, 底座板與道床板采用接觸單元Conta173模擬, 法向以接觸剛度模擬, 切向考慮摩擦系數0.7。方案2模型仍采用相同實體單元模擬, 其中底座板與橋面板間采用綁定約束, 方案1、2模型中凸臺均考慮100 mm倒圓角, 凸臺高度取100 mm, 橋面板底部采用固定約束。模型計算參數見表1。

表1 模型計算參數

3.2 計算參數及工況

根據現場調研, 列車荷載、溫度變化是導致現場施工及后期運營過程中道床板結構出現裂紋、離縫等病害的重要原因。根據TB 10082—2017《鐵路軌道設計規范》[9］, 溫度荷載取整體溫降25℃, 溫度梯度取負溫度梯度45℃/m, 列車荷載取3倍靜輪載255 kN加載。

為了對比方案1道床板厚度、方案2底座厚度對無砟軌道結構受力特性影響, 方案1道床板厚度分別考慮200、300、400 mm三種工況, 方案2底座厚度分別考慮210、180、150 mm三種工況。工況情況見表2。

表2 工況情況 mm

3.3 計算結果及分析

3.3.1 列車荷載

列車活載加載在道床板中部, 左右2股鋼軌分別承受255 kN的垂向力（見圖4）。典型工況2下, 無砟軌道道床板、凸臺位移與受力云圖見圖5。

圖4 列車垂向荷載板中加載示意圖

圖5 列車荷載下道床板、凸臺位移與受力云圖

方案1、方案2下, 道床板、橋面位移及拉應力計算結果見表3。

表3 列車荷載下最大位移與拉應力計算結果

由表3可知, 列車荷載下, 各工況計算的最大拉應力為1.642 MPa, 遠小于混凝土抗拉強度2.390 MPa, 證明橋軌一體化設計方案結構強度可滿足列車運行需求。

對比表3中工況1—工況3、工況4—工況6可知, 不同工況下方案2中結構受力及變形基本不變；方案1中, 隨著道床板厚度減小, 道床板拉應力和位移逐漸增大, 因此對于方案1, 道床板厚度不宜太小。

3.3.2 溫度荷載

橋上道床、底座板為現澆混凝土結構, 受溫度荷載影響較為明顯。典型工況2下, 計算橋軌一體化無砟軌道結構受整體溫降、溫度梯度荷載作用下的受力變形, 道床板、凸臺應力云圖見圖6。

由圖6可知, 降溫工況下, 道床板最大拉應力出現在板四角處；溫度梯度下, 道床板最大拉應力出現在板凹槽四角處。計算的道床板最大拉應力為2.28 MPa, 橋面凸臺最大拉應力為1.82 MPa, 均低于混凝土抗拉強度2.39 MPa。

圖6 溫度荷載下道床板、凸臺應力云圖

2種方案在整體溫降25℃、負溫度梯度45℃/m下, 道床板及橋面凸臺最大拉應力見表4。

表4 溫度荷載下最大拉應力計算結果

由表4可以看出, 橋面凸臺在整體溫降、負溫度梯度荷載作用下, 方案1、方案2中最大拉應力為1.94 MPa, 低于混凝土最大拉應力。

隨著道床板和底座板厚度增加, 道床板受力變形也隨之增大, 方案1中道床板厚度為400 mm, 方案2中底座厚度為210 mm時, 道床板最大拉應力均超過混凝土抗拉強度2.39 MPa。因此, 建議方案1考慮道床板厚度在300 mm以下, 方案2考慮底座板厚度在180 mm以下, 并且在道床板四角凹槽和橋面凸臺處進行配筋加強設計, 現場澆筑施工時應關注振搗密實度等關鍵工藝[10-11］, 加強養護, 提高混凝土結構抗裂能力和整體質量。

4 存在問題

提出的橋軌一體化無砟軌道結構設計理念可以為高速鐵路未來的發展提供新思路, 減少由于橋梁軌道專業間過多的設計接口帶來的后期問題, 在橋梁現澆階段通過綁扎鋼筋, 將無砟軌道與橋梁一起現澆, 可增加無砟軌道與橋梁連接性能, 消除無砟軌道在水環境下的劣化損傷, 可在橋梁建造階段對無砟軌道線型進行直觀測量, 防止出現后期軌道結構高度預留不足等問題。這種無砟軌道結構設計理念雖有眾多優勢, 但也仍存在一些問題值得探討。

（1）在直線地段, 對于標準跨長梁型, 橋梁預制時可結合軌道布板數據布置統一數量的凸臺或底座, 但對于曲線地段, 即使是標準跨長梁型, 受橋梁所在里程曲線半徑不同, 每一種橋梁又需單獨設計, 而對于非標準梁, 其設計工作量將加大。因此, 橋軌一體化無砟軌道結構設計需結合最新設計手段, 例如采用智能化手段, 根據梁長及曲線半徑, 自動生成每一里程處橋梁的凸臺或底座布置數量、布置位置、偏移量、超高值等設計數據, 并生成三維模型。在智能化手段不斷進步的前提下, 橋軌一體化無砟軌道結構設計理念才可進一步突破。

（2）方案1取消底座后, 可以降低軌道結構高度, 降低橋梁二期恒載, 在經濟性上具有一定優勢。但取消底座后, 軌道結構毫米級精度的保證是一大難點, 該方案軌道結構僅可依靠道床板厚度及扣件調整量實現軌道結構高度的調整。因此, 發明更加精細的施工工法, 研制更先進的施工設備, 是保障該方案順利實施的一大重要先決條件。

（3）當橋梁梁縫較大時, 為減小梁端扣件間距, 保證梁端扣件受力及剛度均勻, 底座往往需要延伸出梁端, 端部底座鋼筋如何與橋梁綁扎, 如何保證澆筑時的立模, 同樣值得思考。

5 結論

為加強橋梁軌道專業間協同設計, 提出2種高速鐵路橋軌一體化無砟軌道設計方案并建立了橋軌一體化無砟軌道精細化三維實體模型, 得到以下結論：

（1）2種無砟軌道結構在受力變形角度均可滿足高速鐵路行車要求。方案1中, 道床板厚度宜在300 mm左右；方案2中, 底座厚度宜在180 mm左右。更加精細化的結構設計尺寸后續可結合動力學計算及試驗研究確定。

（2）橋軌一體化無砟軌道設計方案可以在橋梁施工時對無砟軌道精度進行把控, 減少設計的接口問題, 更好地保障無砟軌道建造精度。

（3）建議橋軌一體化無砟軌道適用地段：軌道高度較低, 且無法設置底座的特殊地段。

（4）提出的橋軌一體化無砟軌道設計思路在本階段應用還存在一些不足, 需結合最新的智能化手段進一步深化及發展, 但該思路可為高速鐵路無砟軌道未來的發展提供參考。