市域鐵路裝配式軌道結構設計及力學特性研究

朱彬, 任西沖

（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）

0 引言

市域鐵路是解決都市圈中心城市與衛星城市間通勤需求的全新軌道交通模式, 是我國繼高速鐵路后又一重大國家戰略。我國市域鐵路建設起步較晚, 新型城鎮化的發展對快速度、大運量、公交化的市域鐵路提出了迫切需求[1-2］。

目前, 市域鐵路常采用的無砟軌道為現澆枕式軌道, 施工周期長, 且道床易出現裂紋等病害[1-2］。裝配板式軌道具有工廠預制質量好、平順性優、養護維修工作量少等優點, 同時還能助力推進綠色低碳發展, 契合國家“雙碳”目標要求, 推行裝配式軌道符合國家和行業政策要求。

目前已有學者對裝配式軌道進行了相關研究。劉偉斌等[3］、王偉華等[4］、姜曉文等[5］研究了城市軌道交通板式無砟軌道的設計應用情況；葉軍等[6］對地鐵裝配式軌道板的結構動力及減振特性進行研究；楊秀仁等[7］在城市軌道交通智能裝配式減振軌道系統方面開展了研究。

既有針對裝配式軌道的研究主要集中在城市軌道交通領域, 結合市域鐵路特點的裝配式軌道技術研究尚屬空白。為滿足市域鐵路大規模建設需求, 促進市域鐵路無砟軌道結構技術創新, 亟需研制結構穩定、適應性強、經濟性優、方便維修的預制裝配板式無砟軌道結構。

在借鑒高鐵及地鐵預制板式軌道應用經驗的基礎上, 提出一種適用于市域鐵路的新型裝配式無砟軌道結構設計方案, 同時建立新型裝配式無砟軌道的精細化靜力、動力分析模型, 對軌道結構的力學特性進行相關研究。該研究成果可為市域鐵路裝配式軌道結構設計、優化提供參考, 為裝配式軌道的工程化應用提供技術支撐。

1 市域鐵路新型裝配式軌道結構設計方案

1.1 影響因素

與既有技術體系相比, 市域鐵路兼具運行速度高（160 km/h, 為地鐵的1.6倍）、列車軸重相對于地鐵大（17 t, 約為地鐵的1.2倍）、曲線半徑?。ㄗ钚≈?50 m, 高速鐵路為2 800 m）、坡度大（最大值25‰, 高速鐵路為20‰）等困難線路條件, 以及靜態平順性要求高（參照《鐵路軌道設計規范》[8］, 時速160 km級鐵路高低、軌向等軌道靜態驗收指標與高速鐵路標準相同）, 所經區域居住密集區占比高（減振降噪需求大）、經濟性要求高等特點。市域鐵路裝配式軌道在確保結構安全可靠的前提下, 還需考慮以下因素：

（1）小半徑曲線適應性：市域鐵路受地形影響, 小半徑曲線線型較多, 設計時需匹配合理的軌道板長度以適應小半徑曲線地段。

（2）減振適應性：市域鐵路穿行市區, 需充分考慮線路減振要求, 盡量在保證結構整體型式統一的前提下實現減振。

（3）經濟性：應盡量減小軌道結構高度, 控制橋上二期恒載, 同時合理選用非預應力板可進一步減小裝配板制造費用, 降低整體造價, 提高經濟性。

（4）施工便利性：優化和減少軌道施工工序, 提高施工便利性和施工效率；優化裝配板的結構尺寸, 盡量減少異型板。

（5）運維便利性：為降低對運營的影響, 需在天窗期內完成軌道維修, 實現線型快速恢復。

1.2 設計方案

綜合考慮以上因素, 在此分別對市域鐵路隧道、橋梁、路基地段的軌道結構設計方案進行論述。

1.2.1 隧道地段

市域鐵路隧道地段新型裝配式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、隔離層/減振墊、自密實混凝土層等部分組成（見圖1）。

圖1 隧道地段新型裝配式無砟軌道組成

（1）鋼軌及扣件。采用60 kg/m鋼軌, 扣件間距600 mm, 扣件系統垂向剛度30~40 kN/mm。

（2）軌道板。軌道板為工廠預制單元分塊式平板結構, 隧道地段可采用非預應力結構, 混凝土等級C50。軌道板分P4700板和P3500板2種標準型式, 2種標準板寬2 400 mm、厚200 mm、板長分別為4 700 mm和3 500 mm, 分別對應8對承軌臺和6對承軌臺；當線路曲線半徑不超過400 m時, 用P3500板, 其余地段用P4700板。相鄰軌道板之間設100 mm板縫, 過軌管線及橫向排水可在板縫處實現。單塊標準軌道板設有2個限位孔, 孔縱向長500 mm, 橫向寬500 mm, 倒角半徑100 mm。限位孔與板下澆筑的自密實混凝土層形成限位凸臺耦合作用, 限制軌道板的縱橫向移動。P4700軌道板平面示意見圖2。軌道板限位孔與自密實混凝土凸臺之間設置彈性緩沖墊層, 隨軌道板出廠時安裝到位。

圖2 P4700軌道板平面示意圖

（3）隔離層/減振墊。軌道板下粘貼4 mm厚土工布隔離層, 設置在軌道板與自密實混凝土層之間, 起緩沖隔離作用。當線路有高等減振要求時, 土工布可更換為30 mm厚橡膠減振墊, 實現高等減振功能。減振地段軌道板可適當加厚, 以提高減振效果。

（4）自密實混凝土層。在軌道板與下部基礎之間灌注流動性能好的自密實混凝土材料, 與下部基礎緊密結合, 彌補線下基礎施工誤差, 同時墊層內配雙層鋼筋網片, 限位凸臺設鋼筋籠, 整體起到限位傳力、填充、調平、保證軌道精調到位后施工線型的作用。自密實混凝土強度等級C40, 與軌道板同寬同長, 墊層厚160~200 mm（見圖3）。墊層施工時軌道板其中一個限位孔作為灌注孔, 另一個限位孔作為觀察孔和出氣孔。隧道地段軌道結構超高通過自密實混凝土層實現。

圖3 隧道地段軌道結構橫斷面示意圖

隧道地段仰拱回填層或底板設有門形筋或預埋鋼筋, 與上部自密實混凝土層形成可靠連接。軌道在兩側設有排水溝進行縱向排水, 排水溝與軌道結構接觸面涂抹防水密封材料。限位結構設計采用“矩形凸臺+圓形倒角”方案, 既具有圓形凸臺在溫度荷載作用下不易出現應力集中的優點, 又融合了矩形凸臺在列車縱橫向荷載作用下受力均勻的優點[9］。

1.2.2 橋梁地段

橋梁地段軌道結構組成與隧道地段相同。軌道板優先采用雙向預應力結構, 混凝土強度等級C60。軌道其他尺寸與隧道地段相同。橋梁地段軌道結構無底座板, 板下自密實混凝土層通過橋上預埋鋼筋直接與橋面相連。橋梁地段軌道結構超高通過自密實混凝土層實現。

1.2.3 路基地段

路基地段自密實混凝土層厚100 mm, 自密實混凝土層下設有底座板, 底座板具體設計可參考路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道。軌道其他組成部分與隧道地段相同, 軌道結構超高通過底座板實現。

底座板與自密實混凝土層的傳力方式有2種：（1）底座板對應每塊軌道板設置2個限位凹槽, 與現澆自密實混凝土層底部形成的限位凸臺耦合限位, 限位凹槽周圍設彈性緩沖墊層, 凹槽底部及底座板上表面設有土工布隔離層, 整體形成“雙隔離層”結構體系進行受力, 其橫斷面示意見圖4；（2）底座板上表面無需設置凹槽, 直接通過預埋鋼筋或門形筋與上部自密實混凝土層連接形成整體進行受力。

圖4 路基地段軌道結構橫斷面示意圖

“雙隔離層”結構體系在后期換板維修方面優勢明顯。由于雙隔離層的存在, 揭板后可直接通過起重裝置吊走自密實混凝土層, 無需鑿除混凝土, 軌道線型調整完成后重新灌注自密實混凝土層即可；底座板表面設置預埋筋方案的結構連接可靠, 薄弱環節相對較少, 但換板時需鑿除自密實混凝土層, 對底座板混凝土也會有一定程度影響。2種設置方式在設計時各有側重, 現場可根據線路實際情況合理選用。

1.3 結構特點

（1）垂向分層設計：在結構組成方面, 路基地段軌道結構分3層, 即軌道板、自密實混凝土層和底座板；橋、隧地段軌道結構分2層, 無底座板, 直接鋪設在下部基礎上。軌道板下設隔離層, 當線路有高等減振需求時可適當增加板厚, 同時將隔離層更換為減振墊, 可在軌道結構型式統一的前提下實現高等減振功能。在材料屬性方面, 軌道各主要結構層材料彈性模量從上向下總體逐級遞減。在施工工藝方面, 結構采用分層施工完成。

（2）縱向單元設計：路橋隧地段相鄰軌道板之間設100 mm真縫, 路基地段底座單元之間設置20 mm伸縮縫。軌道整體采用單元分塊式結構可以明顯減少裂紋及上拱病害的產生, 降低溫度荷載對軌道結構的影響。

（3）傳力特性：列車荷載通過鋼軌和扣件傳遞至軌道板, 軌道板通過限位孔位置現澆形成的限位凸臺將縱橫向荷載傳遞至自密實混凝土層；橋、隧地段, 自密實混凝土層通過預埋鋼筋將力傳遞至橋面或仰拱回填層/底板上；路基地段自密實混凝土層通過底座板傳遞至下部基礎。

總體來說, 新型裝配式無砟軌道單塊軌道板沿線路縱向長度較短, 質量較輕, 施工運輸方便, 對小半徑曲線適應性較強；限位結構與板下調整層一體化澆筑, 施工方便、穩定性好、傳力清晰；橋梁地段取消底座板, 控制橋上二期恒載；隧道地段直接鋪設在仰拱回填層或底板上, 盡可能減小軌道結構高度, 同時在隧道地段可考慮采用非預應力板, 降低整體造價, 提高經濟性；板下設置隔離層或減振墊層, 一般與高等減振地段軌道結構型式統一, 且后期養護維修時換板方便, 可維修性較強。

2 市域鐵路新型裝配式軌道結構靜力特性

考慮市域鐵路路基地段較少, 隧道地段軌道結構受溫度荷載影響較小, 在此以橋梁地段為例, 結合軌道結構特點建立有限元分析模型, 研究軌道結構在溫度、列車荷載作用下的靜力特性。

2.1 靜力特性分析模型

2.1.1 計算參數

軌道結構主要組成部件均按設計尺寸考慮, 以P4700板為例, 扣件垂向、橫向剛度分別取30 kN/mm、50 kN/mm, 扣件縱向阻力按9 kN/組考慮。軌道結構主要組成部件計算參數見表1。

表1 計算參數

參考《市域（郊）鐵路設計規范》[10］, 列車軸重取17 t, 動載系數取2.0, 車輪垂向荷載為170 kN；橫向力為靜輪載的0.8倍, 即68 kN；縱向荷載考慮最不利條件, 按每個扣件節點最大縱向阻力取值, 即每塊軌道板所受最大縱向力為144 kN。溫度荷載考慮整體升溫45℃、整體降溫40℃、正溫度梯度90℃/m以及負溫度梯度45℃/m作用。

2.1.2 計算模型

鋼軌、軌道板、自密實混凝土層和限位凸臺采用實體單元模擬, 扣件采用非線性彈簧單元模擬, 軌道板與自密實混凝土層界面以及限位凸臺與軌道板限位孔界面法向采用硬接觸模擬, 切向摩擦系數取0.35, 自密實混凝土層與橋面采用綁定連接, 鋼軌兩端采用對稱約束[11-12］。有限元靜力分析模型見圖5。

圖5 軌道結構有限元靜力分析模型

2.2 軌道結構靜力特性

2.2.1 列車荷載作用

裝配式無砟軌道在列車荷載作用下的部分典型受力變形指標云圖見圖6、圖7。

圖6 列車垂向荷載云圖

圖7 自密實混凝土受力云圖

軌道板在列車垂、橫、縱3個方向荷載作用下所受應力水平均較小, 最大主拉應力分別為0.357、0.633、0.228 MPa, 均遠小于C60混凝土抗拉強度設計值。在變形方面, 軌道板最大垂、橫、縱向位移分別為0.012 3、0.903 0、0.679 0 mm。

軌道結構在列車縱橫向荷載作用下, 限位凸臺與自密實混凝土相連位置存在較明顯的應力集中現象, 但整體受力水平較小, 最大值為0.246 MPa, 遠小于抗拉強度設計值。

2.2.2 溫度荷載作用

軌道結構在不同溫度荷載作用下的部分典型受力變形指標云圖見圖8、圖9。

圖8 整體升溫荷載云圖

圖9 負溫度梯度荷載云圖

軌道板在不同溫度荷載作用下所受應力水平較小, 最大拉應力為正溫度梯度荷載作用下的2.105 MPa, 未超過抗拉強度設計值。在變形方面, 軌道板最大垂向位移為正溫度梯度荷載作用下的1.039 mm, 最大縱向位移為整體升溫荷載作用下的1.060 mm。在正負溫度梯度荷載作用下的限位凸臺倒角位置, 會出現一定程度應力集中現象, 但整體受力水平較少, 均未超過混凝土抗拉、壓強度設計值。

綜上可知, 新型裝配式無砟軌道在列車、溫度荷載作用下受力變形水平均較小, 結構受力性能和穩定性能良好, 滿足設計要求。

3 市域鐵路新型裝配式軌道結構動力特性

同樣以橋梁地段為例, 建立車-軌-橋空間耦合動力分析模型, 研究系統在列車動載作用下的動力特性。

3.1 動力特性分析模型

建模時車體、轉向架以及輪對考慮沉浮、橫擺等共31個自由度, 軌道模型可參考靜力分析模型, 輪軌接觸采用Hertz非線性接觸模擬, 鋼軌施加美國六級不平順譜[13-14］, 動力分析模型見圖10。

圖10 車輛-軌道-下部基礎耦合動力分析模型

3.2 軌道結構動力特性

在行車速度160 km/h條件下, 車輛-軌道系統動力響應指標見表2、表3。

由表2可知, 輪軌橫向力和垂向力峰值分別為7.473 kN和85.049 kN, 脫軌系數和輪重減載率最大分別為0.129和0.157, 結果均未超限, 滿足行車安全要求。車體垂、橫向加速度分別為0.601 m/s2和0.324 m/s2, 滿足行車舒適性要求。由表3可知, 鋼軌、軌道板和自密實混凝土層垂向位移分別為1.973、0.933、0.201 mm；鋼軌、軌道板、自密實混凝土層的振動加速度從上往下逐漸衰減, 垂向加度峰值分別為297.025、52.140、18.420 m/s2。

表2 系統動力響應指標

表3 軌道結構動力響應指標

綜上可知, 新型裝配式無砟軌道結構在行車速度160 km/h條件下, 整體動力性能良好, 行車安全性和舒適性滿足要求。

4 結論

在充分吸收高鐵及地鐵無砟軌道建設、應用經驗的基礎上, 提出一種適用于市域鐵路的新型裝配式無砟軌道結構設計方案, 以橋梁地段為例, 建立橋上軌道結構三維精細化靜力、動力分析模型, 研究了橋上新型裝配式軌道結構的力學特性。研究結果表明：

（1）橋上軌道結構在列車荷載作用下, 最大拉應力為0.633 MPa, 最大位移為0.903 mm, 整體受力變形水平較低。

（2）軌道結構在列車縱橫向荷載作用下, 限位凸臺與自密實混凝土相連位置應力相對較大, 但滿足混凝土強度設計要求。

（3）軌道結構在溫度荷載作用下, 最大拉應力為2.105 MPa, 最大垂向位移為1.039 mm, 最大縱向位移為1.06 mm。

（4）軌道結構在正負溫度梯度荷載下, 限位凸臺倒角位置會出現一定程度應力集中現象, 但整體受力水平較少, 均未超過混凝土抗拉、壓強度設計值。

（5）車輛-軌道系統在160 km/h的行車速度下, 各項動力響應指標均在限值范圍內, 行車安全性和舒適性滿足要求。

（6）新型裝配式軌道結構穩定可靠、傳力清晰、可維修性強, 可為市域鐵路的裝配式軌道結構設計、優化提供參考。