现代有轨电车嵌入式轨道板的研究与设计

陈 鹏，刘 薇，杨 刚

（1. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；2. 成都市新筑路桥机械股份有限公司，成都 611430）

国内针对现代有轨电车轨道系统的方案与传统城市轨道交通轨道系统的方案基本一致，1即采用传统的钢轨、扣件、轨枕、现浇混凝土道床等，主要存在的问题有：现场绑扎钢筋及浇筑道床，施工进度慢，工作量大；因工期较紧，尤其是路口地段，若露天环境下混凝土道床养护不到位，更易导致道床裂纹的产生；钢轨防护材料与钢轨粘接不牢靠，影响轨道的绝缘性能和钢轨寿命等。

鉴于此，结合工程需求研发了一种新型的现代有轨电车嵌入式预制道床板轨道结构[1]。

1 嵌入式预制道床板轨道结构的特点

研发的嵌入式预制道床板轨道系统是一种全新的有轨电车轨道系统解决方案，突破了传统的有轨电车现浇道床的结构形式，突破了城市轨道轨道交通钢轨与道床必须采用扣件连接的方式（采用高分子材料连接钢轨和道床，替代传统扣件）。嵌入式预制道床板分为绿化段 XB-I型轨道板及硬化段 XB-Ⅱ型轨道板两类（见图1～2）。轨道板下部设置100 mm厚的自密实混凝土调整层，调整层内布设钢筋网片。XB-I型轨道板之间设200 mm板缝，用于道床排水，板缝之间的钢轨部分采用钢板焊接成 U型槽向两侧轨道板搭接；XB-Ⅱ型轨道板之间设20 mm沥青木板伸缩缝。承轨槽内固定钢轨时，在轨下设置弹性垫板及调高垫板，轨腰填充调距块，采用绝缘性强的高分子复合材料填充承轨槽，并在上部设置封闭层。

图1 XB-I型轨道板道床断面Fig. 1 Cross section of XB-I slab track

图2 XB-Ⅱ型轨道板道床断面Fig. 2 Cross section of XB-II slab track

此轨道结构具有以下优点：

1）“工厂标准化预制、现场机械装配”相结合，减少了现场施工中人的因素、技术因素、环境因素对工程质量的影响，提高了轨道的施工质量，且美观性更好。

2）快速施工，减小对城市交通的影响，实现了“工厂预制、预制板运输、现场铺设安装”三阶段平行流水作业，有效提高劳动生产率，缩短轨道施工工期，加快工程建设进度。

3）高分子材料的采用使得轨道系统的绝缘性大幅增强，钢轨寿命相应增加，轨道系统的减振降噪性能也有所提高。

2 设计理论研究

本文以所承担的有轨电车工程设计项目的需求为背景[2]，对相关的设计理论阐述如下。

2.1 主要输入条件

2.1.1 参数选取

1）垂向静荷载 Pj。道床板的垂向荷载主要来自于列车荷载或者汽车荷载，分别以Pj1及Pj2表示。绿化地段的道床板仅受列车荷载作用，混行地段的道床板受列车和汽车荷载作用，但是两种荷载不同时，计算选取两种荷载作用下的最不利工况。

2）垂向设计荷载Pd及检算荷载Pf。因目前对于有轨电车的设计荷载及检算荷载动力系数的取值缺乏经验，参考国铁无砟轨道板的设计计算思路，结合有轨电车的特点，拟定设计荷载取静轴重的1.5倍，检算荷载取静轴重的1.2倍，即

3）横向设计荷载Q。横向设计荷载参考国铁相关标准[3]，取为0.8倍的静荷载，即

4）温度梯度。轨道板受到温度梯度作用时会产生翘曲，由于外部条件的作用，轨道板的翘曲变形被约束，因此在内部会产生翘曲应力。温度梯度分正温度梯度和负温度梯度两种情况，参考公路的相关规范取值[4]。

5）基础不均匀沉降。沉降形式为弦曲线[5]，计算如下：

式中，x代表20 m范围内的不同位置，f0为不均匀沉降值（15 mm），l为沉降长度（20 m）。

6）高分子材料的性能指标参考扣件的刚度取值范围、高聚物多孔弹性材料的相关规范等研究出不同性能的产品。计算时高分子材料按实体单元进行模拟，按线弹性体考虑，弹性模量为18 MPa，密度为0.94 g/mm3。

2.1.2 设计取值

本工程钢轨为槽型轨，规格采用德国的 59R2槽型轨[6]。

道床板分两种形式，分别用于混行及绿化地段，绿化地段为XB-I型，混行地段为XB-II。道床板根据工程情况（除考虑板的自身构造设计需求外，还需考虑高分子材料与钢轨的粘接面、混行地段的铺面要求等）拟定的规格（见表1）。

列车荷载加载时，分别施加于道床板的中部和边缘，取两种工况的最不利情况。对于混行地段的道床板（XB-Ⅱ），除列车荷载外，还会受到汽车荷载的作用，汽车荷载偏安全考虑采用公路I级荷载进行设计。

表1 拟定的轨道板主要尺寸Tab. 1 The main dimensions of slab mm

铺设于路基上的道床板，需要考虑路基不均匀沉降的影响。参考客专不均匀沉降对道床板影响的计算方法[7]，路基沉降曲线拟定为弦曲线，沉降幅值f0=15 mm，长度l=20 m。

因轨道板在宽度方向的尺寸比公路路面小得多，需结合国内外高速铁路无砟轨道对温度梯度的取值，参考客专轨道板的取值方法按45℃/m考虑。

设计垂向荷载仅考虑列车或汽车荷载，检算荷载考虑车辆荷载+路基沉降或车辆荷载+温度梯度，取二者的较大值。设计横向荷载仅考虑0.8倍的垂向荷载。轨道板纵向不受约束，边界条件自由，可认为不必进行纵向力检算。纵向力作用下主要检算高分子材料的撕裂强度是否满足限值。

2.2 XB-I型预制道床板的受力分析

1）设计及检算荷载作用下的弯矩值见表2。

表2 设计荷载、检算荷载弯矩Tab. 2 Bending moment of slab under design load kN·m/m

2）配筋及承载力计算结果见表3、表4，由表3可见，配筋方案满足设计荷载要求。

表3 横截面钢筋量计算Tab. 3 Reinforcement calculation of cross section

表4 纵截面钢筋量计算Tab. 4 Reinforcement calculation of longitudinal section

由表4可见，纵截面弯矩值较小，拟配置的普通构造钢筋间距为200 mm，直径10 mm，上下层各32根，配筋率为0.25%及0.31%，符合最小配筋率0.2%的要求。

3）结构检算结果见表5。可以看出，混凝土及钢筋应力检算满足要求。另外，对应的裂缝宽度不大于0.2 mm，裂缝检算结果满足设计要求。

4）横向力作用下凸台剪切应力计算。在横向力作用下，凸台最大剪切应力远小于容许的剪应力，满足设计要求。

表5 结构检算结果Tab. 5 Results of stucture calculation

2.3 XB-II型预制道床板的受力分析

设计及检算过程与 XB-I制道床板的计算思路基本相同，主要区别在于XB-II型除列车荷载外，还会受到汽车荷载的作用，汽车荷载偏安全考虑采用公路I级荷载[8]。汽车荷载不与列车荷载进行叠加，按照计算的弯矩取两者中的较大值进行设计。主要计算结果如下。

1）荷载组合下的弯矩见表6。

表6 设计荷载弯矩Tab. 6 Bending moment of slab under design load kN·m/m

2）配筋及承载力计算见表7、表8。

由表可见，配筋方案满足设计荷载要求。纵截面弯矩值较小，拟配置的普通构造钢筋间距为200 mm，直径 10 mm，上下层各 32根，配筋率为 0.24%及0.27%，符合最小配筋率0.2%的要求。

表7 横截面最小钢筋量计算Tab. 7 Reinforcement calculation of cross section

表8 纵截面钢筋量计算Tab. 8 Reinforcement calculation of longitudinal section

3）结构检算结果见表9。

表9 结构检算结果Tab. 9 Results of stucture calculation MPa

混凝土强度、钢筋强度及裂缝宽度检算均满足设计要求。

4）横向力作用下凸台剪切应力计算。横向力作用下，凸台最大剪切应力远小于容许的剪应力，满足设计要求。

2.4 纵向制动力下的高分子材料受力分析

列车制动时，轨道提供给车轮制动力，使得钢轨产生平动位移，压缩应变以及填充材料的剪切变形。计算得出，在制动力作用下，钢轨的纵向位移最大为0.6 mm，高分子弹性材料的纵向最大位移为0.48 mm，最大剪切应变为1.32%，最大剪切应力为0.02 MPa，未超出与钢轨的黏着强度，因此高分子材料不会被撕裂或剪切破坏（见图3）。

2.5 无缝线路的稳定性分析

因高分子材料锁固钢轨后形成的无缝线路与传统的无缝线路设计理念完全不同[9]，相关的无缝线路设计方法无标准可循。此系统的稳定性分析参照传统无砟轨道无缝线路的稳定性分析方法，通过建立有限元分析模型，分析钢轨竖向存在初弯矢度条件下，钢轨温度变化后对钢轨弯曲矢度的影响。计算条件采用比较困难的条件进行模拟，即轨道板铺设于半径R=50 m的曲线地段，竖曲线半径为1 000 m。因钢轨在横向方向右混凝土槽的约束，故横向不会发生失稳问题。非线性弹簧单元模拟弹性填充材料的竖向刚度。竖向刚度采用弹性填充材料的垂向拉裂试验位移——荷载曲线实测值进行模拟。

图3 制动力计算结果云图Fig. 3 Calculation result under braking force

假设轨道在零应力状态时存在原始弯曲，其线性函数为：

式中，f0为轨道原始弯曲矢度，取f0=0.02 cm；l0为轨道原始弯曲波长，取l0=720 cm。

计算钢轨升温40℃、45℃、50℃、55℃、60℃条件下的钢轨垂向变形见表10。

表10 不同钢轨升温条件下钢轨垂向位移计算结果Tab. 10 Rail vertical deformation under different temperature

由表中计算结果可知，随着钢轨升温幅度的增大，钢轨的垂向变形也逐渐增大。但是由于槽型钢轨周围填充的弹性材料刚度较大，钢轨变形绝对值很小，最大值未超过1×10–3mm，参考无砟轨道无缝线路评定安全可靠的要求（应满足 f0≤0.2 cm）可知，槽型钢轨的垂向变形量远小于该标准，不会发生明显失稳，表明有轨电车槽型钢轨周围填充弹性材料后的稳定性远好于传统扣件锁定钢轨的结构。

需要注意的是，本计算的前提是槽型钢轨周围填充的弹性材料处于良好工作状态，若高分材料性受外界条件影响不能达到室内试验的工作状态，有可能对轨道系统的稳定性产生影响。

3 相关的测试结果及分析

此类结构在结构设计完成后，进行了系统的室内及室外试验，室内试验主要包括疲劳性能及高分子材料本身的一些物理机械性能等方面的测试，线上主要进行了动力性能测试（见图4）。

图4 第三方室内疲劳试验Fig. 4 Slab fatigue test of the third-party

3.1 疲劳试验

1）道床板疲劳试验前后未出现开裂的情况。

2）试验过程中在疲劳荷载作用下轨道系统存在重复横向力作用。在横向力作用下轨道系统发生横向变形，300万次疲劳作用后实测轨道系统轨距未发生明显变化，变化量控制在0～1 mm之间，疲劳过程中横向变形稳定。竖、横向刚度疲劳前后变化均小于5%，性能稳定。

3）疲劳试验前后钢轨、高分子填充材料未出现明显高温区域，整个系统温度稳定，300万次疲劳试验结束后高分子填充材料无微裂纹、剥离、推挤等现象。

4）各满载工况下槽型轨相对最大竖向位移为–0.59～–0.741 mm，槽型轨相对最大横向位移为0.658～1.281mm；各静载工况下测点荷载—变形曲线呈线性变形，表明轨道系统处于弹性工作状态。

3.2 高分子材料物理机械性能试验

1）高分子材料物理机械性能优异，具有很高的绝缘电阻（实测达7.9×109Ω，远高于地铁中扣件零部件的绝缘电阻108Ω的要求），能有效保障轨道系统的绝缘性，防止钢轨因迷散电流导致的锈蚀。

2）高分子材料还具有优良的耐水性，吸水膨胀率低。

3）耐老化性能优良，并满足300万次疲劳后，材料未出现裂纹、粘接失效等问题，有效保证了线路在各种气候情况下的使用寿命。

3.3 减振降噪性能试验方面

嵌入式道床轨道系统（见图5），其系统一阶固有频率为200 Hz左右，结构阻尼比达0.18。疲劳试验完成 300万次疲劳加载后各阶频率及模态阻尼比没有发生明显改变。表明结构有足够的耐久性，性能稳定，能有效抑制钢轨的振动，主要可降低钢轨的振动辐射噪声。

因本工程线路较短，且预制地段均铺设在直线上，故线上测试时，安全性指标较好。降噪效果的测试是重点内容之一，从此类结构的特征来看，对于降低钢轨的振动辐射噪声应有一定效果，测试结果也很好地验证了这一点。在车外距轨道中心7.5 m，轨面1.2 m高度处，相同速度下嵌入式轨道结构比传统扣件式轨道降低约5 dB（A），降噪效果与地铁中的阻尼钢轨相当。

图5 线上试铺的嵌入式轨道板结构Fig. 5 Embedded slab tack under construction

4 结语

嵌入式道床板轨道结构的设计及应用，是根据目前传统地铁和有轨电车轨道结构设计及施工中存在的一些问题，并借鉴国外的相关设计理念，进行的一种创新性尝试。此类轨道结构在加快轨道系统的施工进度、增强轨道系统的绝缘性，延长钢轨寿命，提高轨道系统减振降噪性能等多方面具有一定优势，目前已在四川新津、成都，云南蒙自、海南三亚等地有轨电车工程中推广应用。此类结构的研发为后续有轨电车轨道系统设计方案的研究提供了很好的借鉴和参考。

[1] 北京城建设计发展集团股份有限公司, 成都市新筑路桥机械股份有限公司. 嵌入式预制道床板研究[R]. 北京, 2014.

[2] 北京城建设计发展集团股份有限公司.成都新筑股份轨道交通基地示范线南段工程轨道施工设计说明[R]. 北京, 2013.

[3] 高速铁路设计规范: TB10621—2014[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2014.Code for design of high speed railway: TB10621—2014[S].Beijing: China Railway Publishing House, 2014.

[4] 公路水泥混凝土路面设计规范: JTG D40—2011[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.Specifications for design of highway cement concrete pavement: JTG D40—2011[S]. Beijing: China Communications Press, 2011.

[5] 陈鹏, 高亮, 马鸣楠. 高速铁路路基沉降限值及其对无砟轨道受力的影响[J]. 工程建设与设计, 2008 (5): 63-66.CHEN Peng, GAO Liang, MA Mingnan. Limited value of subgrade settlement and its snfluence on mechanical characteristics of ballastless track in high-speed railway[J].Construction & design for project, 2008(5): 63-66.

[6] National Research Council, Track design handbook for light rail transit[R]. National Academy Press, Washington,D.C. 2000.

[7] 沈东升. 无砟轨道设计理论及方法综述[J]. 铁道建筑,2008(2): 99-101

[8] 中国人民共和国交通运输部. 公路工程技术标准: JTG B01—2014[S]. 北京: 人民交通出版社, 2014.Technical standard of highway engineering, Ministry of Transport of the People's Republic of China: JTG B01—2014[S]. Beijing: China Communications Press, 2014.

[9] 张向民, 陈秀芳. 无缝线路轨道稳定性简便计算方法[J].铁道学报, 2007, 29(1): 124-126.ZHANG Xiangmin, CHEN Xiufang. A convenient computational method for analyzing the stability of continuously welded rail tracks[J]. Journal of the China Railway Society, 2007, 29(1): 124-126.