III型板式轨道基本结构

Ⅲ型板式轨道基本结构（武汉城际、盘营客专铁路轨道培训班讲义）西南交通大学土木工程学院王其昌（二〇一二年一月四川•成都）1．引言1.1研发目的为了构建武汉城市圈城际铁路和盘营客专铁路板式无砟轨道，在总结我国既有无砟轨道研究与应用经验的基础上，结合无砟轨道技术再创新研究成果，并借鉴成灌线的经验，研发并提出了具有完全自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道。1.2自主创新。CRTSⅢ型板式无砟轨道是对既有无砟轨道的优化与集成,其主要创新点是:改变了板式轨道的限位方式、扩展了板下填充层材料、优化了轨道板结构、改善了轨道弹性及完善了设计理论体系等方面。1）板下填充层材料Ⅲ型板式轨道通过轨道板板下两排U形筋，将内设钢筋网片的自密实混凝土与轨道板可靠连接成复合结构，结构整体性好，可以控制轨道板离缝、翘曲和板下填充层开裂；自密实混凝土与CAM填充层相比较，其工艺简单、性能稳定、耐久性好、成本低廉。2）板式轨道限位方式Ⅲ型板式轨道采用板下U形筋＋自密实混凝土＋底座凹槽的限位方式，彻底取消了Ⅰ型板的凸台、Ⅱ型板的端刺限位方式。同时也取消了作为板下填充层材料用的CA砂浆。从而，可简化施工工艺，减少环境污染，降低工程投资。3）轨道弹性轨道板改原用无挡肩板为有挡肩板，配套弹性不分开式扣件，有利于降低轨道刚度，提高轨道弹性。1.3中国模式CRTSⅢ型板式无砟轨道已在成灌铁路成功铺设，迄今运营状态良好。武汉城市圈城际铁路经再行优化、完善后的CRTSⅢ型板式无砟轨道施工图，可用于武汉城市圈城际铁路。我们有理由相信，通过建设及运营实践的不断考核与检验，最终必将形成中国板式无砟轨道模式。2．武汉城轨与盘营客专铁路Ⅲ型板式轨道结构2.1结构组成CRTSⅢ型板式无砟轨道是由钢轨、弹性不分开式扣件、预制有挡肩轨道板、内设钢筋网片的自密实混凝土填充层、中间隔离层和带有限位凹槽的钢筋混凝土底座等部分组成。路基、桥梁和隧道地段Ⅲ型板式轨道均采用单元分块式结构，轨道板间无连接。2.2轨道结构及技术参数武汉城轨与盘营客专铁路所用CRTSⅢ型板式无砟轨道的典型横断面及技术参数分别如图2.2.1和表2.2.2所示。图2.2.1III型板板式轨道典型横断面图表2.2.2III型板板式轨道结构参数结构组成单位武汉城轨铁路盘营客专铁路钢轨类型U71Mn(K)60U71Mn(K)60定尺长m100100高度mm176176扣件类型WJ-8BWJ-8B高度mm3838间距mm687630轨道板承轨槽厚mm3838长度mm53505600宽度mm25002500厚度mm190210混凝土强度等级C60C60填充层材料C40自密实混凝土C40自密实混凝土厚度mm90100宽度mm25002500长度mm同轨道板长同轨道板长底座厚度mm240（路）、190（桥隧）280（路）、180（桥隧）宽度mm3100（路）、2900（桥隧）3100（路）、2900（桥隧）长度mm路基3块板长，隧道4块板长，桥上1块板长路基3块板长，隧道4块板长，桥上1块板长混凝土强度等级C40C40限位方式板下U形筋+底座凹槽板下U形筋+底座凹槽板间连接方式路桥隧板间均无连接路桥隧板间均无连接结构高度路基mm772842桥梁mm722742隧道mm722742武汉与盘营在路基、桥梁和隧道地段所用轨道板均为单元板，板间无连接,均支承在钢筋混凝土底座上，这有利于工程的标准化施工管理。3．Ⅲ型板式轨道主要技术特征3.1钢轨与扣件3.1.1钢轨U71Mn（K）60kg/m,定尺长100m无孔新轨。3.1.2扣件1）扣件类型为WJ-8B型有挡肩弹条扣件，有利于降低轨道刚度，提高轨道弹性。2）调整范围：高低-4mm～+26mm；轨向±10mm。3）弹性垫板静刚度C静=23±3kN/mm；动刚度C动=35±5kN/mm；动静刚度比≤1.35。4）扣件阻力：每组常阻力扣件钢轨纵向阻力≥9kN；每组小阻力扣件钢轨纵向阻力为4kN。5）扣件结构高度：38mm。3.2Ⅲ型轨道板3.2.1轨道板结构1）轨道板为有挡肩、双向后张法预应力钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C60，按60（或100）年使用寿命设计。2）板上设置承轨槽，承轨面设置1:40轨底坡，配套有挡肩扣件，可采用低刚度钢轨扣件。3）为适应城际轨道交通小半径曲线地段铺设的需要，可视具体情况，可考虑采用二维可调模板方法制造Ⅲ型板，以调整承轨槽的空间位置。4）板下设置两排U形连接钢筋，通过与内设钢筋网片的自密实混凝土紧密联结，形成复合板结构，以期防止轨道板离缝或自密实混凝土裂缝的出现。3.2.2轨道板长度1）轨道板长度,自然是越长越重，安放后越稳定，越有利于提高工效，但受到预制、运输的限制，以及考虑到基础一旦变形起道整修的困难和曲线地段铺设等问题，又不宜过长，一般以5~7m左右为限。2）若轨道板较长，又铺设在小半径曲线地段时，有可能会遇到轨道板空间位置如何合理调整的问题。3）此外,板长还应考虑主型梁梁型和连续梁梁跨长度的配板需要，以及尚须考虑配置扣件间距的要求，同时应力求板长标准化，尽量减少异形板的类型。4）现行轨道板标准长度Ⅰ型板：板长4962mm的扣件间距为629mm，板长4856mm的扣件间距为617mm；Ⅱ型板：板长6450mm的扣件间距650mm；Ⅲ型板：武汉四线标准板长为5350mm，扣件间距687mm。这样，与Ⅰ型板相比每公里少铺15块，扣件少用240组，有利于提高轨道板制造和铺设的工效，节省工程成本。盘营线标准板长为5600mm（扣件间距630mm），与Ⅰ型板相比每公里少铺23块，扣件少用368组，也有利于提高轨道板制造和铺设的工效，节省工程成本。3.2.3板间有无连接问题1）根据视钢轨和轨道板为弹性地基上梁板弯曲变形模式的计算结果可知，如果轨道板足够长，则板端和板中的钢轨挠度差将会很小，并且车轮载荷通过时,相邻板两端的错位也较小，为此没有必要把轨道板连接起来。这是考虑在实用中不必担心板端会有过大的冲击作用。2）目前现状是：Ⅰ型板式轨道在路桥隧地段均为单元板，板间无连接；Ⅱ型板式轨道在路桥隧地段均为纵连板，板间有连接；而Ⅲ型板式轨道，成灌市域铁路在桥隧地段为单元板，板间无连接，路基地段为纵连板，板间有连接；武汉城轨及盘营客专则在路桥隧地段均采用单元板，板间无连接。这不仅省去纵连的麻烦和隐患，也便于标准化管理。3）至于板间是连接还是不连接问题，各有利弊，各有所得，两者皆行。一般说，纵连板式轨道整体性好，构建复杂，费用较高，维修较差；而单元板式轨道受力明确，结构简单，施工方便，维修较易。3.2.4梁上配板板缝一般为70~100mm。1）Ⅰ型板：32m梁5×4962+2×3685+6×70=32600mm；24m梁5×4856+4×80=24600mm。2）Ⅱ型板：连续配板，板间需连接，形成纵连板。3）Ⅲ型板：武汉城轨:32m梁6×5350+5×100=32600mm，梁缝处扣件间距641mm；24m梁路基地段5350mm长标准板配端部所需长度异形板。盘营客专：32m梁4×5600+2×4925+5×70=32600mm；梁缝处扣件间距为590mm；24m梁5×4856+4×80=24600mm，梁缝处扣件间距为637mm。路基地段5600mm长标准板配端部所需长度异形板。3.3自密实混凝土3.3.1主要功能1）板下填充层作为板式轨道系统的重要组成部件，它位于轨道板与混凝土底座之间，其主要功能可以归纳为填充调整;承力传力。2）填充调整:全面均匀地支承轨道板,消除轨道板与底座之间的间隙；便于调整轨道高低，提高施工效率和下部基础变形时的可维护性。3）承力传力:承受由轨道板传来的垂向力和纵横向水平力，并把它传递给底座和限位装置；分散列车荷载作用。3.3.2外形尺寸武汉城轨:长宽均等同轨道板为5350mm、2500mm，厚为90mm；盘营客专：长宽均等同轨道板为5600mm、2500mm，厚为100mm。3.3.3板下填充层材料现状1）Ⅰ型板采用低弹性模量200~300Mpa的乳化沥青水泥砂浆(CAM)填充层材料，雷同日本的CAM；2）Ⅱ型板采用高弹性模量7000~10000Mpa的乳化沥青水泥砂浆(CAM)填充层材料，雷同德国的BZM；3）Ⅲ型板采用弹模高至20000Mpa以上的自密实混凝土填充层材料，属于自主研发并已成功应用的一种新型板下填充层材料。4）运营实践表明，无论是采用低弹模或高弹模或甚高弹模材料，均可作为板下填充层材料。5）因此，从板下填充层的功能来看，将乳化沥青水泥砂浆改用自密实混凝土是可行的。3.3.4为什么要采用自密实混凝土作为板下填充层材料？1）板下砂浆垫层不起弹性作用①计算分析以上三种类型砂浆填充层，同作为轨道板的填充支承作用，其弹性模量为何相去甚远？表3.3.4给出了三种砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度影响的计算结果。表3.3.4三种不同砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度的计算结果砂浆垫层弹性模量（MPa）换算垫层刚度（kN/mm）轨下垫板刚度（kN/mm）轨下基础刚度（kN/mm）备注200300060/3058.8/29.7低弹模CAM类同日本CAM70001050060/3060.0/30.0高弹模BZM类同德国BZM2000030000060/3060.0/30.0自密实混凝土由表3.3.4计算结果可知，砂浆垫层弹性模量无论是200MPa、7000MPa还是20000MPa，对轨下基础刚度都没有根本影响。换句话说，砂浆垫层难以给板式轨道系统提供弹性作用。②实践表明,即使CAM填充层的弹性模量相差100倍,其轨道整体刚度也仅差3kN/mm,微乎其微。设计CAM填充层的压缩变形为0.074mm,实测CAM填充层的动位移为0.07~0.1mm,可见,变形很小,起不到缓冲作用。③真正在板式轨道系统中起弹性作用的，是扣件组成中弹性垫板刚度的大小。当弹性垫板刚度从60kN/mm降至30kN/mm时，无论砂浆垫层弹性模量如何，轨下基础弹性几乎提高1倍。可见，WJ-8B型扣件规定其弹性垫板静刚度指标为20～26kN/mm，是符合板式轨道对其整体弹性要求的。而轨道合理刚度指标，根据当前动车组的运营条件，以18～22kN/mm为更佳。2）如何提高板下填充层质量水平？①板式轨道设计使用寿命为60年，这对于轨道板和底座来说问题不大，而对于处在其间的填充层的寿命能不能达到60年，确实是一大疑问。如果达不到60年使用寿命，势必会存在修补或更换的问题，经常修补或更换填充层是很麻烦的，不可思议的。②就板下填充层而言，所谓寿命主要是指其耐久性，而耐久性又主要体现在填充层砂浆的干燥收缩性、耐水性和耐候性等方面。砂浆填充层的干燥收缩是不可避免的，一般是水灰比越大，收缩也越大。③CA砂浆对温度非常敏感，为防止夏天凝胶，冬天粘度增大，必须严格管理其可使用时间及流动性。现场作业实践表明，CA砂浆质量难以控制。④此外，还有一个涉及到诸如材料、拌合、注入、工艺、设备和环保等多方面的投入问题，特别是大量使用时的成本低廉性问题。⑤因此，当前选择自密实混凝土作为一种新型板下填充层材料是明智的。为能在薄平板的轨道板下面高效形成均匀的填充层，仍然必须严格管理其流动性，确保板下填充层的灌注质量。3.3.5自密实混凝土技术要求1）自密实混凝土是由水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、外加剂、膨胀剂和水等经配制而成。2）自密实混凝土的参考配合比（kg/m3）：水泥400、矿粉200、砂845、碎石719、水185、减水剂6.6、膨胀剂36、保水剂0.24和增粘剂3。3）在自密实混凝土填充层内，配置HRB335Φ12钢筋网片（盘营客专为CRB550级冷轧带肋钢筋焊网），以便与带有U形筋的轨道板紧密连结，同时也可起到控制自密实混凝土裂缝的生成与扩展。4）自密实混凝土强度等级为C40。5）自密实混凝土要求具有高流动度、不离析、填充均匀性和稳定性的性能，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土,其自由收缩率应小于0.15‰。6）自密实混凝土的自密实性能包括流动性、抗离析性和填充性。可采用坍落扩展度、扩展时间T50等试验