陳 鵬，劉 薇，楊 剛

（1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；2. 成都市新筑路橋機械股份有限公司，成都 611430）

國內(nèi)針對現(xiàn)代有軌電車軌道系統(tǒng)的方案與傳統(tǒng)城市軌道交通軌道系統(tǒng)的方案基本一致，1即采用傳統(tǒng)的鋼軌、扣件、軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床等，主要存在的問題有：現(xiàn)場綁扎鋼筋及澆筑道床，施工進度慢，工作量大；因工期較緊，尤其是路口地段，若露天環(huán)境下混凝土道床養(yǎng)護不到位，更易導(dǎo)致道床裂紋的產(chǎn)生；鋼軌防護材料與鋼軌粘接不牢靠，影響軌道的絕緣性能和鋼軌壽命等。

鑒于此，結(jié)合工程需求研發(fā)了一種新型的現(xiàn)代有軌電車嵌入式預(yù)制道床板軌道結(jié)構(gòu)[1]。

1 嵌入式預(yù)制道床板軌道結(jié)構(gòu)的特點

研發(fā)的嵌入式預(yù)制道床板軌道系統(tǒng)是一種全新的有軌電車軌道系統(tǒng)解決方案，突破了傳統(tǒng)的有軌電車現(xiàn)澆道床的結(jié)構(gòu)形式，突破了城市軌道軌道交通鋼軌與道床必須采用扣件連接的方式（采用高分子材料連接鋼軌和道床，替代傳統(tǒng)扣件）。嵌入式預(yù)制道床板分為綠化段 XB-I型軌道板及硬化段 XB-Ⅱ型軌道板兩類（見圖1～2）。軌道板下部設(shè)置100 mm厚的自密實混凝土調(diào)整層，調(diào)整層內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片。XB-I型軌道板之間設(shè)200 mm板縫，用于道床排水，板縫之間的鋼軌部分采用鋼板焊接成 U型槽向兩側(cè)軌道板搭接；XB-Ⅱ型軌道板之間設(shè)20 mm瀝青木板伸縮縫。承軌槽內(nèi)固定鋼軌時，在軌下設(shè)置彈性墊板及調(diào)高墊板，軌腰填充調(diào)距塊，采用絕緣性強的高分子復(fù)合材料填充承軌槽，并在上部設(shè)置封閉層。

圖1 XB-I型軌道板道床斷面Fig. 1 Cross section of XB-I slab track

圖2 XB-Ⅱ型軌道板道床斷面Fig. 2 Cross section of XB-II slab track

此軌道結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

1）“工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制、現(xiàn)場機械裝配”相結(jié)合，減少了現(xiàn)場施工中人的因素、技術(shù)因素、環(huán)境因素對工程質(zhì)量的影響，提高了軌道的施工質(zhì)量，且美觀性更好。

2）快速施工，減小對城市交通的影響，實現(xiàn)了“工廠預(yù)制、預(yù)制板運輸、現(xiàn)場鋪設(shè)安裝”三階段平行流水作業(yè)，有效提高勞動生產(chǎn)率，縮短軌道施工工期，加快工程建設(shè)進度。

3）高分子材料的采用使得軌道系統(tǒng)的絕緣性大幅增強，鋼軌壽命相應(yīng)增加，軌道系統(tǒng)的減振降噪性能也有所提高。

2 設(shè)計理論研究

本文以所承擔(dān)的有軌電車工程設(shè)計項目的需求為背景[2]，對相關(guān)的設(shè)計理論闡述如下。

2.1 主要輸入條件

2.1.1 參數(shù)選取

1）垂向靜荷載 Pj。道床板的垂向荷載主要來自于列車荷載或者汽車荷載，分別以Pj1及Pj2表示。綠化地段的道床板僅受列車荷載作用，混行地段的道床板受列車和汽車荷載作用，但是兩種荷載不同時，計算選取兩種荷載作用下的最不利工況。

2）垂向設(shè)計荷載Pd及檢算荷載Pf。因目前對于有軌電車的設(shè)計荷載及檢算荷載動力系數(shù)的取值缺乏經(jīng)驗，參考國鐵無砟軌道板的設(shè)計計算思路，結(jié)合有軌電車的特點，擬定設(shè)計荷載取靜軸重的1.5倍，檢算荷載取靜軸重的1.2倍，即

3）橫向設(shè)計荷載Q。橫向設(shè)計荷載參考國鐵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，取為0.8倍的靜荷載，即

4）溫度梯度。軌道板受到溫度梯度作用時會產(chǎn)生翹曲，由于外部條件的作用，軌道板的翹曲變形被約束，因此在內(nèi)部會產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。溫度梯度分正溫度梯度和負(fù)溫度梯度兩種情況，參考公路的相關(guān)規(guī)范取值[4]。

5）基礎(chǔ)不均勻沉降。沉降形式為弦曲線[5]，計算如下：

式中，x代表20 m范圍內(nèi)的不同位置，f0為不均勻沉降值（15 mm），l為沉降長度（20 m）。

6）高分子材料的性能指標(biāo)參考扣件的剛度取值范圍、高聚物多孔彈性材料的相關(guān)規(guī)范等研究出不同性能的產(chǎn)品。計算時高分子材料按實體單元進行模擬，按線彈性體考慮，彈性模量為18 MPa，密度為0.94 g/mm3。

2.1.2 設(shè)計取值

本工程鋼軌為槽型軌，規(guī)格采用德國的 59R2槽型軌[6]。

道床板分兩種形式，分別用于混行及綠化地段，綠化地段為XB-I型，混行地段為XB-II。道床板根據(jù)工程情況（除考慮板的自身構(gòu)造設(shè)計需求外，還需考慮高分子材料與鋼軌的粘接面、混行地段的鋪面要求等）擬定的規(guī)格（見表1）。

列車荷載加載時，分別施加于道床板的中部和邊緣，取兩種工況的最不利情況。對于混行地段的道床板（XB-Ⅱ），除列車荷載外，還會受到汽車荷載的作用，汽車荷載偏安全考慮采用公路I級荷載進行設(shè)計。

表1 擬定的軌道板主要尺寸Tab. 1 The main dimensions of slab mm

鋪設(shè)于路基上的道床板，需要考慮路基不均勻沉降的影響。參考客專不均勻沉降對道床板影響的計算方法[7]，路基沉降曲線擬定為弦曲線，沉降幅值f0=15 mm，長度l=20 m。

因軌道板在寬度方向的尺寸比公路路面小得多，需結(jié)合國內(nèi)外高速鐵路無砟軌道對溫度梯度的取值，參考客專軌道板的取值方法按45℃/m考慮。

設(shè)計垂向荷載僅考慮列車或汽車荷載，檢算荷載考慮車輛荷載+路基沉降或車輛荷載+溫度梯度，取二者的較大值。設(shè)計橫向荷載僅考慮0.8倍的垂向荷載。軌道板縱向不受約束，邊界條件自由，可認(rèn)為不必進行縱向力檢算?？v向力作用下主要檢算高分子材料的撕裂強度是否滿足限值。

2.2 XB-I型預(yù)制道床板的受力分析

1）設(shè)計及檢算荷載作用下的彎矩值見表2。

表2 設(shè)計荷載、檢算荷載彎矩Tab. 2 Bending moment of slab under design load kN·m/m

2）配筋及承載力計算結(jié)果見表3、表4，由表3可見，配筋方案滿足設(shè)計荷載要求。

表3 橫截面鋼筋量計算Tab. 3 Reinforcement calculation of cross section

表4 縱截面鋼筋量計算Tab. 4 Reinforcement calculation of longitudinal section

由表4可見，縱截面彎矩值較小，擬配置的普通構(gòu)造鋼筋間距為200 mm，直徑10 mm，上下層各32根，配筋率為0.25%及0.31%，符合最小配筋率0.2%的要求。

3）結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果見表5?？梢钥闯?，混凝土及鋼筋應(yīng)力檢算滿足要求。另外，對應(yīng)的裂縫寬度不大于0.2 mm，裂縫檢算結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4）橫向力作用下凸臺剪切應(yīng)力計算。在橫向力作用下，凸臺最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于容許的剪應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。

表5 結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果Tab. 5 Results of stucture calculation

2.3 XB-II型預(yù)制道床板的受力分析

設(shè)計及檢算過程與 XB-I制道床板的計算思路基本相同，主要區(qū)別在于XB-II型除列車荷載外，還會受到汽車荷載的作用，汽車荷載偏安全考慮采用公路I級荷載[8]。汽車荷載不與列車荷載進行疊加，按照計算的彎矩取兩者中的較大值進行設(shè)計。主要計算結(jié)果如下。

1）荷載組合下的彎矩見表6。

表6 設(shè)計荷載彎矩Tab. 6 Bending moment of slab under design load kN·m/m

2）配筋及承載力計算見表7、表8。

由表可見，配筋方案滿足設(shè)計荷載要求。縱截面彎矩值較小，擬配置的普通構(gòu)造鋼筋間距為200 mm，直徑 10 mm，上下層各 32根，配筋率為 0.24%及0.27%，符合最小配筋率0.2%的要求。

表7 橫截面最小鋼筋量計算Tab. 7 Reinforcement calculation of cross section

表8 縱截面鋼筋量計算Tab. 8 Reinforcement calculation of longitudinal section

3）結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果見表9。

表9 結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果Tab. 9 Results of stucture calculation MPa

混凝土強度、鋼筋強度及裂縫寬度檢算均滿足設(shè)計要求。

4）橫向力作用下凸臺剪切應(yīng)力計算。橫向力作用下，凸臺最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于容許的剪應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。

2.4 縱向制動力下的高分子材料受力分析

列車制動時，軌道提供給車輪制動力，使得鋼軌產(chǎn)生平動位移，壓縮應(yīng)變以及填充材料的剪切變形。計算得出，在制動力作用下，鋼軌的縱向位移最大為0.6 mm，高分子彈性材料的縱向最大位移為0.48 mm，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.32%，最大剪切應(yīng)力為0.02 MPa，未超出與鋼軌的黏著強度，因此高分子材料不會被撕裂或剪切破壞（見圖3）。

2.5 無縫線路的穩(wěn)定性分析

因高分子材料鎖固鋼軌后形成的無縫線路與傳統(tǒng)的無縫線路設(shè)計理念完全不同[9]，相關(guān)的無縫線路設(shè)計方法無標(biāo)準(zhǔn)可循。此系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析參照傳統(tǒng)無砟軌道無縫線路的穩(wěn)定性分析方法，通過建立有限元分析模型，分析鋼軌豎向存在初彎矢度條件下，鋼軌溫度變化后對鋼軌彎曲矢度的影響。計算條件采用比較困難的條件進行模擬，即軌道板鋪設(shè)于半徑R=50 m的曲線地段，豎曲線半徑為1 000 m。因鋼軌在橫向方向右混凝土槽的約束，故橫向不會發(fā)生失穩(wěn)問題。非線性彈簧單元模擬彈性填充材料的豎向剛度。豎向剛度采用彈性填充材料的垂向拉裂試驗位移——荷載曲線實測值進行模擬。

圖3 制動力計算結(jié)果云圖Fig. 3 Calculation result under braking force

假設(shè)軌道在零應(yīng)力狀態(tài)時存在原始彎曲，其線性函數(shù)為：

式中，f0為軌道原始彎曲矢度，取f0=0.02 cm；l0為軌道原始彎曲波長，取l0=720 cm。

計算鋼軌升溫40℃、45℃、50℃、55℃、60℃條件下的鋼軌垂向變形見表10。

表10 不同鋼軌升溫條件下鋼軌垂向位移計算結(jié)果Tab. 10 Rail vertical deformation under different temperature

由表中計算結(jié)果可知，隨著鋼軌升溫幅度的增大，鋼軌的垂向變形也逐漸增大。但是由于槽型鋼軌周圍填充的彈性材料剛度較大，鋼軌變形絕對值很小，最大值未超過1×10–3mm，參考無砟軌道無縫線路評定安全可靠的要求（應(yīng)滿足 f0≤0.2 cm）可知，槽型鋼軌的垂向變形量遠(yuǎn)小于該標(biāo)準(zhǔn)，不會發(fā)生明顯失穩(wěn)，表明有軌電車槽型鋼軌周圍填充彈性材料后的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)扣件鎖定鋼軌的結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，本計算的前提是槽型鋼軌周圍填充的彈性材料處于良好工作狀態(tài)，若高分材料性受外界條件影響不能達到室內(nèi)試驗的工作狀態(tài)，有可能對軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 相關(guān)的測試結(jié)果及分析

此類結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，進行了系統(tǒng)的室內(nèi)及室外試驗，室內(nèi)試驗主要包括疲勞性能及高分子材料本身的一些物理機械性能等方面的測試，線上主要進行了動力性能測試（見圖4）。

圖4 第三方室內(nèi)疲勞試驗Fig. 4 Slab fatigue test of the third-party

3.1 疲勞試驗

1）道床板疲勞試驗前后未出現(xiàn)開裂的情況。

2）試驗過程中在疲勞荷載作用下軌道系統(tǒng)存在重復(fù)橫向力作用。在橫向力作用下軌道系統(tǒng)發(fā)生橫向變形，300萬次疲勞作用后實測軌道系統(tǒng)軌距未發(fā)生明顯變化，變化量控制在0～1 mm之間，疲勞過程中橫向變形穩(wěn)定。豎、橫向剛度疲勞前后變化均小于5%，性能穩(wěn)定。

3）疲勞試驗前后鋼軌、高分子填充材料未出現(xiàn)明顯高溫區(qū)域，整個系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，300萬次疲勞試驗結(jié)束后高分子填充材料無微裂紋、剝離、推擠等現(xiàn)象。

4）各滿載工況下槽型軌相對最大豎向位移為–0.59～–0.741 mm，槽型軌相對最大橫向位移為0.658～1.281mm；各靜載工況下測點荷載—變形曲線呈線性變形，表明軌道系統(tǒng)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 高分子材料物理機械性能試驗

1）高分子材料物理機械性能優(yōu)異，具有很高的絕緣電阻（實測達7.9×109Ω，遠(yuǎn)高于地鐵中扣件零部件的絕緣電阻108Ω的要求），能有效保障軌道系統(tǒng)的絕緣性，防止鋼軌因迷散電流導(dǎo)致的銹蝕。

2）高分子材料還具有優(yōu)良的耐水性，吸水膨脹率低。

3）耐老化性能優(yōu)良，并滿足300萬次疲勞后，材料未出現(xiàn)裂紋、粘接失效等問題，有效保證了線路在各種氣候情況下的使用壽命。

3.3 減振降噪性能試驗方面

嵌入式道床軌道系統(tǒng)（見圖5），其系統(tǒng)一階固有頻率為200 Hz左右，結(jié)構(gòu)阻尼比達0.18。疲勞試驗完成 300萬次疲勞加載后各階頻率及模態(tài)阻尼比沒有發(fā)生明顯改變。表明結(jié)構(gòu)有足夠的耐久性，性能穩(wěn)定，能有效抑制鋼軌的振動，主要可降低鋼軌的振動輻射噪聲。

因本工程線路較短，且預(yù)制地段均鋪設(shè)在直線上，故線上測試時，安全性指標(biāo)較好。降噪效果的測試是重點內(nèi)容之一，從此類結(jié)構(gòu)的特征來看，對于降低鋼軌的振動輻射噪聲應(yīng)有一定效果，測試結(jié)果也很好地驗證了這一點。在車外距軌道中心7.5 m，軌面1.2 m高度處，相同速度下嵌入式軌道結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)扣件式軌道降低約5 dB（A），降噪效果與地鐵中的阻尼鋼軌相當(dāng)。

圖5 線上試鋪的嵌入式軌道板結(jié)構(gòu)Fig. 5 Embedded slab tack under construction

4 結(jié)語

嵌入式道床板軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用，是根據(jù)目前傳統(tǒng)地鐵和有軌電車軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工中存在的一些問題，并借鑒國外的相關(guān)設(shè)計理念，進行的一種創(chuàng)新性嘗試。此類軌道結(jié)構(gòu)在加快軌道系統(tǒng)的施工進度、增強軌道系統(tǒng)的絕緣性，延長鋼軌壽命，提高軌道系統(tǒng)減振降噪性能等多方面具有一定優(yōu)勢，目前已在四川新津、成都，云南蒙自、海南三亞等地有軌電車工程中推廣應(yīng)用。此類結(jié)構(gòu)的研發(fā)為后續(xù)有軌電車軌道系統(tǒng)設(shè)計方案的研究提供了很好的借鑒和參考。

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