高速铁路桥轨一体化无砟轨道设计技术

孙立

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 线路站场设计研究院, 湖北 武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430063）

1 概述

轨道技术是高速铁路的核心技术之一, 轨道跨越路、桥、隧不同线下基础, 直接承受列车活载、温度荷载、线下基础变形, 是保障列车安全、平稳和舒适运行的重要基础设施。自2005年起, 通过无砟轨道技术引进、消化、吸收和再创新研究, 并结合工程实践应用, 目前我国形成的无砟轨道结构型式主要有双块式无砟轨道和CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道[1］。经过10余年的高铁运营经验积累, 目前我国新建高铁主要应用双块式无砟轨道及CRTSⅢ型板式无砟轨道[2］。

不同于路基、桥梁地段, 桥上无砟轨道受桥梁温度荷载、桥梁挠曲变形、收缩徐变等复杂荷载影响, 其受力体系更加复杂[3］, 因此, 桥上无砟轨道设计是轨道设计中的难点及重点。桥上无砟轨道设计时, 桥梁与轨道专业间接口较多, 例如桥梁专业需根据轨道专业要求预埋无砟轨道底座连接钢筋[4］, 桥梁墩台设计需考虑无砟轨道-无缝线路附加力[5-6］, 轨道专业布置无砟轨道需结合桥梁专业设计梁缝值等。

目前无砟轨道均采用底座现浇在桥梁梁面的方式, 但在实际工程中难免出现设计返工, 甚至施工后需花费大量人力、物力重新调整的问题。例如：

（1）某项目由于施工误差, 导致桥梁梁面高于设计值, 造成CRTSⅢ型板式无砟轨道结构高度不足, 底座厚度低于设计值。为了调整轨道结构高度到设计值, 建设单位、设计单位及施工单位需耗费大量时间进行专项论证, 但可采取的措施往往有限。例如将桥面保护层凿除2~3 cm后浇筑底座板, 但梁面可凿除厚度有限, 当超过一定限值时, 往往需要线路专业进行局部调线调坡, 这种做法耗时耗力, 严重影响施工工期。

（2）某项目由于施工误差, 梁面预埋钢筋位置有误, 导致L形钢筋与道床板内钢筋冲突, 植筋不满足要求, 施工单位需进行大面积植筋调整。

（3）目前双块式无砟轨道及CRTSⅢ型板式无砟轨道底座均采用现浇方式, 通过植筋与梁面连接。对于现浇结构, 底座板底部与桥面间隙施工难以控制, 在降雨量大、梁面排水坡坡度不足的情况下, 雨水不能及时排出易导致轨道结构受水害侵蚀。

由以上可知, 桥梁与轨道专业间的接口处理不当、施工精度不足等问题, 是造成设计项目出现瑕疵的重要因素。针对桥梁轨道接口处理, 我国开展过相关研究, 例如20世纪50年代, 我国很多铁路局修建了无砟无枕梁, 其特点是借助扣件将钢轨直接固定于桥梁上[7］, 其可视为桥轨一体化的早期型式；张政等[8］研发了明桥面轨枕板式轨道结构, 其特点是在轨枕板与钢梁之间设置调整垫层, 并采用垂向高强螺栓将轨枕板与桥梁连接为一体。

基于上述设计, 提出桥轨一体化无砟轨道设计思路, 在桥梁预制阶段, 将无砟轨道凸台或底座直接与桥梁预制为一体, 减少桥梁轨道专业间接口, 将轨道桥梁一体化施工, 保证在桥梁施工时轨道精度, 减少后期梁面成型后轨道高度不足等问题。

2 桥轨一体化无砟轨道结构设计方案

提出2种桥轨一体化无砟轨道结构设计方案, 即取消底座, 凸台与桥梁一体化方案, 以及保留底座, 底座与桥梁一体化方案。方案1：桥轨一体化无砟轨道由钢轨、扣件、SK-2型双块式轨枕、道床板、隔离垫层及桥梁（带凸台）等组成；方案2：桥轨一体化无砟轨道由钢轨、扣件、SK-2型双块式轨枕、道床板、隔离垫层及桥梁（带底座）等组成。桥轨一体化无砟轨道结构设计见图1。

图1 桥轨一体化无砟轨道结构设计

2.1 具体方案

（1）在具备更高精度和智能化水平的系列桥梁预制装备前提下, 标准跨度桥上无砟轨道的限位凸台（方案1）、混凝土底座（方案2）钢筋在工厂预制时与桥梁绑扎为一体, 灌注混凝土后直接与桥梁一体化预制, 对于曲线地段, 可根据设计数据对轨道结构打磨到设计要求。

（2）为方便施工时钢筋绑扎, 凸台采取向上突出方式, 为优化凸台受力, 凸台四周均铺设弹性缓冲垫层并进行倒圆角处理。

（3）桥上混凝土道床采用分块式结构, 分块道床板的长度宜为5.0～7.5 m, 相邻道床板间距100 mm左右, 道床板宽度为2 800 mm。道床板厚度、底座厚度需经专项研究确定。

（4）对于方案1、方案2, 为保证无砟轨道不受水害侵蚀, 线间采用有机硅酮嵌缝, 做好防水处理, 为方便后期维修, 道床板与凸台、道床板与底座之间设置土工布隔离层。

（5）直线地段上, 桥梁凸台或底座按照线路中心线两侧对称设计, 凸台间距及数量根据轨道专业设计的布板数据确定。曲线地段上, 方案1凸台与桥梁梁面现浇时需根据曲线半径确定凸台偏移量, 方案2底座与桥梁梁面现浇时需根据曲线半径确定偏移量及道床超高值。

（6）方案1凸台及方案2底座在工厂预制, 其相对于桥面的位置可以得到保证。轨道的精度主要取决于桥梁架设精度, 因此建议针对不同等级铁路, 桥梁架设精度高于对应标准, 轨道铺设标准可采用现行标准。

2.2 设计优势

（1）桥梁与轨道结构钢筋一体化绑扎浇筑, 可在桥梁建设阶段控制轨道建造精度, 减少轨道与桥梁间的设计接口。

（2）方案1凸台或方案2底座与桥梁一体化, 其结构间强度更高, 轨道结构限位能力得到加强。

（3）方案2底座直接与桥梁现浇为一体, 不存在新老混凝土结合面, 底座耐久性可有较大提高。此外, 方案2底座与桥梁一体化, 不存在底座下渗水问题。

（4）桥轨一体化建设可减少设计接口导致的施工问题, 加快高速铁路施工进度, 对于无底座方案, 轨道结构高度可适当降低, 减小桥梁二期恒载, 降低桥梁及轨道工程造价。

3 桥轨一体化无砟轨道结构设计检算

3.1 计算模型

基于上述设计方案, 在Ansys环境下建立桥轨一体化无砟轨道精细化三维实体模型（见图2、图3）。

图2 方案1无砟轨道有限元模型

图3 方案2无砟轨道有限元模型

方案1模型中, 道床板、凸台、桥面以Solid45实体单元模拟, 钢轨选用Beam188梁单元模拟；扣件用Combin14弹簧单元模拟, 底座板与道床板采用接触单元Conta173模拟, 法向以接触刚度模拟, 切向考虑摩擦系数0.7。方案2模型仍采用相同实体单元模拟, 其中底座板与桥面板间采用绑定约束, 方案1、2模型中凸台均考虑100 mm倒圆角, 凸台高度取100 mm, 桥面板底部采用固定约束。模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数

3.2 计算参数及工况

根据现场调研, 列车荷载、温度变化是导致现场施工及后期运营过程中道床板结构出现裂纹、离缝等病害的重要原因。根据TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》[9］, 温度荷载取整体温降25℃, 温度梯度取负温度梯度45℃/m, 列车荷载取3倍静轮载255 kN加载。

为了对比方案1道床板厚度、方案2底座厚度对无砟轨道结构受力特性影响, 方案1道床板厚度分别考虑200、300、400 mm三种工况, 方案2底座厚度分别考虑210、180、150 mm三种工况。工况情况见表2。

表2 工况情况 mm

3.3 计算结果及分析

3.3.1 列车荷载

列车活载加载在道床板中部, 左右2股钢轨分别承受255 kN的垂向力（见图4）。典型工况2下, 无砟轨道道床板、凸台位移与受力云图见图5。

图4 列车垂向荷载板中加载示意图

图5 列车荷载下道床板、凸台位移与受力云图

方案1、方案2下, 道床板、桥面位移及拉应力计算结果见表3。

表3 列车荷载下最大位移与拉应力计算结果

由表3可知, 列车荷载下, 各工况计算的最大拉应力为1.642 MPa, 远小于混凝土抗拉强度2.390 MPa, 证明桥轨一体化设计方案结构强度可满足列车运行需求。

对比表3中工况1—工况3、工况4—工况6可知, 不同工况下方案2中结构受力及变形基本不变；方案1中, 随着道床板厚度减小, 道床板拉应力和位移逐渐增大, 因此对于方案1, 道床板厚度不宜太小。

3.3.2 温度荷载

桥上道床、底座板为现浇混凝土结构, 受温度荷载影响较为明显。典型工况2下, 计算桥轨一体化无砟轨道结构受整体温降、温度梯度荷载作用下的受力变形, 道床板、凸台应力云图见图6。

由图6可知, 降温工况下, 道床板最大拉应力出现在板四角处；温度梯度下, 道床板最大拉应力出现在板凹槽四角处。计算的道床板最大拉应力为2.28 MPa, 桥面凸台最大拉应力为1.82 MPa, 均低于混凝土抗拉强度2.39 MPa。

图6 温度荷载下道床板、凸台应力云图

2种方案在整体温降25℃、负温度梯度45℃/m下, 道床板及桥面凸台最大拉应力见表4。

表4 温度荷载下最大拉应力计算结果

由表4可以看出, 桥面凸台在整体温降、负温度梯度荷载作用下, 方案1、方案2中最大拉应力为1.94 MPa, 低于混凝土最大拉应力。

随着道床板和底座板厚度增加, 道床板受力变形也随之增大, 方案1中道床板厚度为400 mm, 方案2中底座厚度为210 mm时, 道床板最大拉应力均超过混凝土抗拉强度2.39 MPa。因此, 建议方案1考虑道床板厚度在300 mm以下, 方案2考虑底座板厚度在180 mm以下, 并且在道床板四角凹槽和桥面凸台处进行配筋加强设计, 现场浇筑施工时应关注振捣密实度等关键工艺[10-11］, 加强养护, 提高混凝土结构抗裂能力和整体质量。

4 存在问题

提出的桥轨一体化无砟轨道结构设计理念可以为高速铁路未来的发展提供新思路, 减少由于桥梁轨道专业间过多的设计接口带来的后期问题, 在桥梁现浇阶段通过绑扎钢筋, 将无砟轨道与桥梁一起现浇, 可增加无砟轨道与桥梁连接性能, 消除无砟轨道在水环境下的劣化损伤, 可在桥梁建造阶段对无砟轨道线型进行直观测量, 防止出现后期轨道结构高度预留不足等问题。这种无砟轨道结构设计理念虽有众多优势, 但也仍存在一些问题值得探讨。

（1）在直线地段, 对于标准跨长梁型, 桥梁预制时可结合轨道布板数据布置统一数量的凸台或底座, 但对于曲线地段, 即使是标准跨长梁型, 受桥梁所在里程曲线半径不同, 每一种桥梁又需单独设计, 而对于非标准梁, 其设计工作量将加大。因此, 桥轨一体化无砟轨道结构设计需结合最新设计手段, 例如采用智能化手段, 根据梁长及曲线半径, 自动生成每一里程处桥梁的凸台或底座布置数量、布置位置、偏移量、超高值等设计数据, 并生成三维模型。在智能化手段不断进步的前提下, 桥轨一体化无砟轨道结构设计理念才可进一步突破。

（2）方案1取消底座后, 可以降低轨道结构高度, 降低桥梁二期恒载, 在经济性上具有一定优势。但取消底座后, 轨道结构毫米级精度的保证是一大难点, 该方案轨道结构仅可依靠道床板厚度及扣件调整量实现轨道结构高度的调整。因此, 发明更加精细的施工工法, 研制更先进的施工设备, 是保障该方案顺利实施的一大重要先决条件。

（3）当桥梁梁缝较大时, 为减小梁端扣件间距, 保证梁端扣件受力及刚度均匀, 底座往往需要延伸出梁端, 端部底座钢筋如何与桥梁绑扎, 如何保证浇筑时的立模, 同样值得思考。

5 结论

为加强桥梁轨道专业间协同设计, 提出2种高速铁路桥轨一体化无砟轨道设计方案并建立了桥轨一体化无砟轨道精细化三维实体模型, 得到以下结论：

（1）2种无砟轨道结构在受力变形角度均可满足高速铁路行车要求。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。更加精细化的结构设计尺寸后续可结合动力学计算及试验研究确定。

（2）桥轨一体化无砟轨道设计方案可以在桥梁施工时对无砟轨道精度进行把控, 减少设计的接口问题, 更好地保障无砟轨道建造精度。

（3）建议桥轨一体化无砟轨道适用地段：轨道高度较低, 且无法设置底座的特殊地段。

（4）提出的桥轨一体化无砟轨道设计思路在本阶段应用还存在一些不足, 需结合最新的智能化手段进一步深化及发展, 但该思路可为高速铁路无砟轨道未来的发展提供参考。