无碴轨道对桥梁的要求

无碴轨道对桥梁技术要求王平1三种无碴轨道的结构组成与设计特点一、已有研究成果（1）板式轨道结构组成轨道板(PRC或RC）CA砂浆弹性调整层凸形挡台混凝土底座结构设计特点结构高度低、自重轻；轨道板预制，现场工作量少；可修复性强；初期投资大。结构组成结构组成结构组成（圆形凸形挡台）结构组成（半圆形凸形挡台）结构组成（3）弹性支承块式结构组成弹性支承块(支承块、橡胶套靴、大橡胶垫板）混凝土道床板隔离层混凝土底座结构设计特点结构减振性能好；制造、施工简单；初期投资相对较大；特殊条件下可修复。2高速铁路无碴轨道设计荷载列车运行速度与轴重直接影响设计荷载的取值，考虑我国高速列车与中速列车共线运行的运输组织模式，在动力仿真计算分析中，高速列车采用德国ICE－2机车（最高速度300km/h、轴重195kN），中速列车采用SS8电力机车和DF11内燃机车（最高速度160km/h、轴重230kN）；根据动力仿真计算结果，采用了动轮载计算值较大的德国ICE－2型作为确定其设计荷载的机车类型。设计静轮重：P0＝195/2=97.5kN设计动轮载：Pd＝αP0(α为动载系数，取3.0)≈300kN2.1动力学计算模型2.2静力计算(三层叠合梁模型）（1）长枕埋入式与弹性支承块式沿钢轨纵向，采用将钢轨和道床板作为双重弹性基础叠合梁的简化力学模式进行结构内力计算；沿垂直钢轨方向，采用弹性基础上有限长梁的简化力学模式进行结构内力计算。静力计算模型（2）板式轨道板式轨道静力计算采用有限元分析模型。因钢轨为细长构件，可视为梁看待，其支承弹性由扣件的轨下胶垫提供，并假定每一钢轨联结扣件处为一线性弹簧支承。轨道板作为板单元，板下的CA砂浆层作为线性弹簧支承体。板式轨道结构应力计算模型3、高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研究对上述三种结构型式的无碴轨道进行了结构细部设计与部件试制，并在实验室内按设计要求分别铺设了10m长的实尺轨道模型；通过对实尺轨道进行振动加载、疲劳与落轴试验，考察轨道的结构强度与动力性能；初步提出高架桥上无碴轨道的施工方案；提出了高速铁路无碴轨道桥梁徐变上拱的限值与控制措施；初步分析了高速铁路高架桥上无碴轨道的动力特性与车辆走行性能；室内无碴轨道实尺模型（板式）无碴轨道实尺模型（弹性支承块式）长枕埋入式模型疲劳试验落轴试验3.1试验得出的主要结论（1）结构强度：在单点最大荷载250KN作用过程下，道床板的表面应变成线性增长；疲劳试验前后，应变值未发生变化，三种结构的强度满足设计要求；从枕上压力的测试结果看，弹性支承块式钢轨支点压力的分配较其它两种均匀；从荷载作用下的钢轨位移看，弹性支承块式最大，长枕埋入式最小。支点压力分配及钢轨位移轨道结构型式荷载作用点下支点压力分配比例钢轨位移（mm）长轨枕埋入式45％0.71弹性支承块式33～37％1.87～2.02板式轨道48％～50％1.24～1.50（2）落轴试验结果4、桥上轨道状态的调整有碴轨道：通过道碴层、扣件进行调整；无碴轨道：只有通过扣件系统进行调整。影响桥上无碴轨道不平顺的因素预应力混凝土桥梁的徐变上拱；墩台基础的不均匀沉降；列车荷载产生的挠度；梁体上、下缘的不均匀温差4.2桥梁徐变上拱的限值与控制基于《高速暂规》中对桥梁徐变上拱的限值要求（2cm），以及大量实测资料的统计分析，得出无碴轨道桥梁徐变上拱设计限值：（1＋1.645×0.30）[ft]＝2.0[ft]＝1.34cm桥梁徐变上拱的影响因素（1）与设计有关的因素桥梁的恒、活载设计弯矩比；恒载作用下桥梁截面下缘的应力水平。（2）与施工有关的因素水灰比与水泥用量；骨料的力学性能；施加二期恒载的时间间隔。桥梁徐变上拱的控制措施（1）设计方面增加梁高；采用部分预应力混凝土结构（2）施工方面尽量减少水泥用量；选用弹性模量较高的骨料；尽量延长施加二期恒载的时间间隔。5、秦沈客运专线桥上无碴轨道的研究与设计在前期理论分析与室内试验的的基础上，结合秦沈客运专线具体的运营条件和线路条件，最终选定在国外高速铁路上应用较为成熟的长枕埋入式和板式无碴轨道结构，并分别在秦沈客运专线高速试验段的沙河、狗河与双何特大桥上铺设（均在700m左右）。5.1长枕埋入式无碴轨道（沙河）混凝土底座道床板（现浇）穿孔轨枕扣件系统（1）混凝土底座底座与梁体预埋钢筋连接成整体；在底座两端的中部设置了限位凹槽；底座与上部道床板之间设隔离层或弹性垫层；C40级混凝土。（2）混凝土道床板道床板由横向穿孔轨枕与C40填充混凝土组成；24m梁跨内每线设置6块道床板；道床板顶面设2％的人字坡。（3）横向穿孔轨枕与道床板成为整体，共同承载；穿孔轨枕的设计必须满足道床板的横向上侧设计弯矩的要求；长度2.5m；5.2板式轨道（狗河、双何）混凝土底座及凸形挡台预制轨道板CA砂浆调整层扣件系统（1）混凝土底座及凸形挡台底座结构按梁体产生此挠度换算得出的弯曲力矩设计；底座与凸形挡台均通过预埋钢筋与梁体相连；曲线超高在底座上设置；沿线路方向每隔5m设一横向伸缩缝。凸形挡台的功能凸形挡台作为板式轨道结构中的重要组成部分，设置于混凝土底座两端的中部，用以限制轨道板的纵、横向移动；其直接承受由钢轨传递到轨下基础的纵向力和横向力，包括：梁轨间相互作用产生的纵向力、温度变化引起的轨道板伸缩力、轨道的横向抗力、起动与制动力、轮轨间的横向作用力等；凸形挡台外形在梁跨的端部为半圆形，在梁跨中部均为圆形，其半径为250mm，高度为250mm。凸形挡台的受力图式（2）双向预应力混凝土轨道板采用部分预应力混凝土结构；配筋对称于截面中心；C60级混凝土；标准板尺寸：4.93×2.4×0.19m端部缺口半径300mm（3）CA砂浆调整层CA砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料（砂）、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成，其作为板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层，是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。我国对板式轨道CA砂浆开展了为期3年的科研攻关工作，针对性地提出了CA砂浆的性能指标及试验方法，研制出的CA砂浆各项性能指标均达到或接近国外同类产品的质量水平。5.3路/桥、无碴/有碴轨道过渡段由于无碴轨道与有碴轨道之间的竖向刚度不同、桥台与台后路基工后沉降的差异，为了保证列车运行安全性、减小列车通过时引起的振动、提高乘坐舒适性，在衔接处应设置一定长度的过渡段；过渡段的长度主要由路桥过渡段工后沉降差引起的轨面弯折角的限值控制。根据动力仿真计算结果，确定过渡段长度为25m（台后路基工后沉降限值5cm）。（1）线路上部结构采取的过渡措施在过渡段较软一侧，增大轨道的竖向刚度。通过增大轨排的抗弯模量来增加轨道的刚度。在过渡段较硬一侧，减小轨道的竖向刚度。在与有碴轨道相邻的第一跨无碴轨道梁上，在道床板与底座之间设置微孔橡胶弹性垫层。过渡段设置辅助轨（2）线路下部结构采取的过渡措施桥头设置混凝土搭板加筋土路基结构基床表层填筑级配碎石，基床表层以下以A、B组粗粒土填筑，其间分层铺设土工格栅。级配碎石填筑5.4与无碴轨道有关的桥梁设计要求无碴轨道桥梁高度适当增加（20cm↑）；为减少梁体徐变上拱对轨道的影响，设计要求：底座施工应在梁体预应力张拉结束至少60天后进行；底座施工完成后，墩台沉降不超过20mm；梁体预埋连接钢筋；桥面设置良好的防、排水系统。二、高速客运专线无碴轨道对桥梁设计的更高要求1、无碴轨道铺设原则最大跨度不超过80m（含80m）的特大桥；一座桥上同时铺设有碴轨道和无碴轨道，在两种轨道结构结合部位对列车运行平稳性、安全性产生影响，且两种轨道的维修工作量不一致，在两种轨道之间还必须设置过渡段，因此，原则上一座桥上宜铺设一种类型轨道结构；受地下水开采、煤炭开采以及地质断裂带影响地段的桥梁，不宜采用无碴轨道。长度超过500m（含500m）、地质条件较好的隧道。由于无碴轨道的曲线超高调整较为困难，曲线半径小于7000m地段宜铺设有碴轨道。无碴轨道宜集中铺设。二、梁端转角及沉降、错位对扣件受力的影响0.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.022040008000120001600020000240002800032000P/NX/rad小阻力拉力小阻力压力II型拉力II型压力梁端转角对扣件受力的影响0.00.20.40.60.81.002000400060008000100001200014000P/NX/mm小阻力扣件拉力II型扣件拉力两梁竖向错位对扣件上拔力的影响横向错位对轨道受力的影响合理的梁端缝从轨道受力及振动来看，扣件间距不宜超过700-720mm，扣除枕宽及枕距梁边缘的距离后，对长大连续梁桥梁端缝不宜过宽。可调支座的研制和应用3、车桥动力作用较有碴轨道复杂（1）轨道板在车桥耦合振动中不可忽略。（2）扣件调高后将影响其横向刚度，导致车桥横向振动更为复杂。（3）橡胶垫层老化后，严重影响扣件的刚度，使桥梁所受冲击作用力增大，橡胶垫层的使用寿命应较有碴轨道短。4、无碴轨道桥上无缝线路（1）安全储备低于有碴轨道（2）反复伸缩将导致钢轨爬行较有碴轨道严重，调高垫板不宜保持。（3）无碴轨道上的钢轨伸缩调节器技术尚不成熟。5、无碴轨道振动及噪音更大，优化扣件弹性、轨道板弹性或减振型无碴轨道技术6、轨道信号传输在桥上有更高要求（1）桥梁二次恒载及建筑高度要求（2）混凝土桥梁本身对轨道电路也有一定影响。7、无碴轨道在桥梁上的使用寿命（1）桥梁设计寿命为100年（2）无碴轨道设计寿命为60年（3）桥上无碴轨道应采用相同的使用寿命