無碴型預(yù)制混凝土縱梁新型軌道結(jié)構(gòu)的研究
王繼軍
(鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)
摘要：介紹無碴型預(yù)制混凝土縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)的型式及對(duì)該結(jié)構(gòu)整體和部件的設(shè)計(jì)、試制，室內(nèi)靜載和疲勞試驗(yàn)以及實(shí)尺軌道模型的減振性能進(jìn)行的系統(tǒng)試驗(yàn)研究，該結(jié)構(gòu)在城市軌道交通中具有良好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：無碴軌道 縱梁支承 連續(xù)支承 城市軌道
中圖分類號(hào)：U213．2 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003—1995(2004)1 1-0062—04
0 前言
預(yù)制混凝士縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱縱梁支承軌道)是一種由普通混凝土軌枕、雙塊式混凝土軌枕、普通板式軌道和框架式板式軌道四種類型的軌道演變而成的新型軌道結(jié)構(gòu)，是由兩根預(yù)制混凝土縱梁以及橫向連接鋼管組成的框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)吸收了四種軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，具有自重輕、低振動(dòng)、少維修、低造價(jià)、結(jié)構(gòu)性價(jià)比高、施工快捷以及提高橋梁的抗震能力等較為突出的優(yōu)點(diǎn)。由這種結(jié)構(gòu)組成的無碴軌道可以有效降低軌道建筑高度，減少振動(dòng)和噪音的傳播，使橋梁設(shè)計(jì)輕型化，而且造價(jià)低，在地鐵減振軌道、城市輕軌高架橋以及鐵路高架橋都具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 無碴型縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)的型式和特點(diǎn)
1．1 結(jié)構(gòu)型式
無碴型縱梁支承軌道的結(jié)構(gòu)基本型式為采用柱型擋臺(tái)或凸型擋臺(tái)，也可用縱梁底部橡膠支座將縱梁和基礎(chǔ)連接起來，提供軌道的縱橫向阻力；預(yù)制混凝土縱梁由兩根預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁和連接鋼管構(gòu)成。縱梁的長(zhǎng)度可根據(jù)線路條件進(jìn)行調(diào)整，軌道的彈性由軌下橡膠墊板和彈性橡膠支座提供，因此彈性元件的特性決定了該軌道結(jié)構(gòu)減振性能的優(yōu)劣。無碴型縱梁軌道結(jié)構(gòu)的基本型式見圖1。縱梁采用不分開式扣件時(shí)，承軌面設(shè)軌底坡，在制造預(yù)埋鐵件時(shí)埋入軌下墊板，可以采用連續(xù)支承和點(diǎn)支承兩種型式；采用分開式扣件時(shí)，在制造縱梁時(shí)埋人尼龍?zhí)坠?，承軌面設(shè)成平坡，軌底坡設(shè)在鐵墊板上，軌下墊板采用點(diǎn)支承型式。
1．2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
縱粱下采用類似浮置板軌道中的彈性橡膠支座支承，可以有效過濾中、高頻段的振動(dòng)，減輕列車振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。通過軌下墊扳和橡膠支座剛度的合理匹配，可以使軌道整體剛度大大降低。另外如果采用不分開式扣件，軌下墊板可以連續(xù)鋪設(shè)，對(duì)于城市輕軌和地鐵的減振、降噪效果顯著。
1．3 外型尺寸
(1)長(zhǎng)度。考慮到混凝土縱梁上扣件支點(diǎn)間距、兩縱梁?jiǎn)栠B接鋼管間距、縱梁底部支座間距及相互間匹配，初步選定的幾種縱梁長(zhǎng)度見表1。本文中采用的長(zhǎng)度為7．5 m。
(2)梁寬及梁高。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度，以設(shè)置扣件裝置、錨固所需最小長(zhǎng)度來確定梁寬和梁高，初步確定梁寬為450 mm，梁高為180 mm。根據(jù)所選定的梁寬，預(yù)制混凝土縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)的整體寬度為1 975 mm。
(3)扣件節(jié)點(diǎn)間距、鋼管間距、支座間距?？v梁扣件節(jié)點(diǎn)間距設(shè)置為625 mm。從設(shè)計(jì)角度考慮，即使扣件支點(diǎn)間距選擇再大一些，也不會(huì)影響軌道強(qiáng)度、軌道框架的橫向阻力、道床應(yīng)力及列車運(yùn)行的平順性，而且可以節(jié)約工程造價(jià)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)間距和縱梁長(zhǎng)度，相應(yīng)的連接鋼管間距設(shè)置為2 500 mm；縱梁下橡膠支座(無碴型)間距設(shè)置為1 500 mm。
(4)縱梁連接與定位。相鄰兩縱粱的連接是采用連接夾板將其相鄰端部連接起來；縱粱縱橫向定位采用設(shè)在縱梁兩側(cè)的柱型擋臺(tái)型式，也可采用和板式軌道相同的凸形擋臺(tái)。
2 縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜力分析
為了評(píng)估縱梁支承軌道在城市地鐵、輕軌運(yùn)營(yíng)條件下的動(dòng)力性能以及對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行安全性、舒適性的影響，同時(shí)也為了確定軌下墊板和縱梁下彈性橡膠支座的最佳剛度匹配，并確?？v梁支承軌道必要的承載能力，對(duì)縱梁支承軌道進(jìn)行了動(dòng)、靜力分析。模型采用廣州地鐵車輛參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
2．1動(dòng)力分析
(1)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無碴型縱梁支承軌道的輪軌作用力、軌道動(dòng)力響應(yīng)隨著行車速度的提高而增大。在80 120 km／h速度范圍內(nèi)，車輛的輪軌作用力為90～112 kN(動(dòng)力系數(shù)為1．15～1．40)。在車輛荷載作用下，鋼軌加速度為100g～170g、縱梁加速度為5g～15g、鋼軌支點(diǎn)反力為35～50 kN、橡膠支座反力為50～70 kN。
(2)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無碴型縱梁支承軌道，在80～120 km／h速度范圍內(nèi)車輛的車體振動(dòng)加速度為0．09g～0．12g，車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)良。
(3)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無碴型縱梁支承
軌道，軌下膠墊剛度的大小對(duì)車體振動(dòng)加速度以及車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性基本沒有影響，它主要影響軌道的動(dòng)力響應(yīng)。在橡膠支座剛度相同的條件下，隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌位移減小、鋼軌加速度也略有減小，而鋼軌支點(diǎn)壓力、縱梁加速度呈增大趨勢(shì)。當(dāng)軌下膠墊剛度從40 kN／mm 增大到60 kN／mm 時(shí)，鋼軌位移、加速度均減小，但幅度不大，鋼軌支點(diǎn)壓力和縱梁加速度則有一定程度的增加。因此軌下膠墊的剛度對(duì)鋼軌位移、鋼軌支點(diǎn)壓力、縱梁加速度影響最大，減小軌下膠墊剛度可減輕軌下基礎(chǔ)的動(dòng)力作用。
(4)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無碴型縱梁支承軌道，橡膠支座剛度的大小對(duì)車體振動(dòng)加速度以及車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性有一定的影響，但并不顯著。在軌下膠墊剛度相同的條件下，隨著橡膠支座剛度的增大，鋼軌位移、縱梁位移顯著減小，橡膠支座反力則顯著增大，鋼軌支點(diǎn)壓力略有增加，而鋼軌加速度和縱梁加速度則變化不大。當(dāng)橡膠支座剛度從10 kN／mm增大到40 kN／mm時(shí)，鋼軌位移和縱梁位移均大幅減小、橡膠支座反力增加、鋼軌支點(diǎn)壓力增加，可見，橡膠支座剛度對(duì)鋼軌位移、縱梁位移、橡膠支座反力影響最大，減小橡膠支座剛度可減輕縱梁下基礎(chǔ)振動(dòng)。
(5)混凝土縱梁之間的連接對(duì)減輕軌道的動(dòng)力作用有好處，當(dāng)縱梁下采用橡膠支座時(shí)這種作用更明顯。
2．2 靜力分析
(1)結(jié)合動(dòng)力分析結(jié)果，通過不同剛度匹配的計(jì)算，確定軌下墊板剛度取60 kN／mm、橡膠支座剛度取20 kN／mm時(shí)，系統(tǒng)減振及承載性能為最佳。
(2)梁高從15 cm到25 cm變化，縱梁的彎矩增幅顯著，其中正彎矩最大增幅可達(dá)ll0％ ；因此在確保承載能力的前提下，選擇梁高×梁寬的最小斷面較為經(jīng)濟(jì)合理。
(3)相鄰縱梁之間連接和不連接的情況只對(duì)荷載加至縱梁端鋼軌上方時(shí)的縱梁負(fù)彎矩有影響，對(duì)于其它工況，縱梁的受力狀態(tài)在連接前后無明顯差異。所以對(duì)于縱梁梁端連接，從靜力分析的角度來看只是對(duì)縱梁所受負(fù)彎矩有一定影響，對(duì)于正彎矩影響甚微。
(4)根據(jù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，確定縱梁支承軌道的設(shè)計(jì)彎矩為M+=21 kN•m，M-=-21 kN•m；設(shè)計(jì)剪力p=80 kN。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。
3 縱梁支承軌道的靜載和減振試驗(yàn)研究
通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及落錘沖擊試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)、各部件及軌道結(jié)構(gòu)的承載性能和減振性能進(jìn)行檢驗(yàn)。
試驗(yàn)包括縱梁正彎矩加載試驗(yàn)、縱梁負(fù)彎矩加載試驗(yàn)、縱梁抗剪試驗(yàn)、縱梁連接鋼管的彎曲試驗(yàn)、縱梁軌道保持軌距的試驗(yàn)、縱梁200萬次加載疲勞試驗(yàn)、減振性能試驗(yàn)。
3．1 靜載、疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析
(1)對(duì)縱梁正彎矩進(jìn)行加載試驗(yàn)，加至規(guī)定檢驗(yàn)荷載并靜停3 min，縱梁兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明縱梁承受正彎矩的能力是足夠的，同時(shí)連接鋼管應(yīng)變也非常小，說明承受對(duì)稱荷載時(shí)，無論縱梁底部是否有支承，連接鋼管基本不受力。試驗(yàn)加載如圖3所示。
(2)對(duì)縱梁施加不對(duì)稱荷載時(shí)，連接鋼管具有足夠的彎曲承載強(qiáng)度。當(dāng)縱梁一側(cè)在荷載作用下已經(jīng)開裂，鋼管受到最大應(yīng)力僅為165 MPa，只達(dá)到屈服強(qiáng)度的一半，具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。
(3)對(duì)縱梁進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，荷載達(dá)到抗剪檢驗(yàn)值80 kN時(shí)，縱梁無裂紋出現(xiàn)；當(dāng)荷載加至100 kN時(shí)，支座和加載點(diǎn)之間開始出現(xiàn)斜裂紋。這說明縱梁的抗剪能力是有保證的，即使在橡膠支座失效狀態(tài)下，目前的抗剪設(shè)計(jì)也能滿足要求。
(4)負(fù)彎矩試驗(yàn)同抗剪試驗(yàn)相似，荷載達(dá)到檢驗(yàn)值時(shí)，兩側(cè)縱梁均未開裂；繼續(xù)加至120％ 檢驗(yàn)值，單側(cè)縱梁開裂，但裂紋很細(xì)，且深度不大，加載點(diǎn)處縱梁撓度為4．04mm，說明縱梁的負(fù)彎矩承載力也是足夠的。
(5)進(jìn)行保持軌距加載試驗(yàn)時(shí)，軌距擴(kuò)大最大值為2．99 mm，說明縱梁型式完全能夠滿足結(jié)構(gòu)對(duì)保持軌距的要求。圖4為橫向加載和軌頭橫移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(6)在對(duì)縱梁進(jìn)行200萬次疲勞加載后，其四個(gè)側(cè)面殘余裂縫的寬度均在0．05 mm 以下，說明縱梁的疲勞性能滿足要求。
3．2 減振性能試驗(yàn)分析
試驗(yàn)用軌下墊板的剛度均為60 kN／mm，縱梁下橡膠支座的剛度也控制在15～20 kN／mm。從整個(gè)試驗(yàn)的情況來看，縱梁邊緣振動(dòng)加速度約在28．9 ～59．7g之間，整體道床邊緣約在0．15g～0．38g之間，地面振動(dòng)加速度約在0．008 9g～0．02g之間。從軌下連續(xù)支承和點(diǎn)支承的對(duì)比分析看，采用彈性連續(xù)支承的效果比點(diǎn)支承的方式要好，但二者的區(qū)別并不明顯。
越靠近軌道結(jié)構(gòu)底部的隔振元件，減振的效果越明顯。隨著隔振元件的下移，單趾彈簧扣件、軌道減振器、彈性支承塊式、浮置板的減振效果越來越明顯，無碴型縱梁軌道的減振效果和普通浮置板的SA型相當(dāng)，效果要優(yōu)于彈性支承塊式和軌道減振器等軌道上部結(jié)構(gòu)的減振方式。這對(duì)于城市地鐵和輕軌的減振(尤其是高架橋上)是非常有利的，另外如果考慮軌下彈性墊板的連續(xù)支承，還可以起到降低輪軌接觸產(chǎn)生的噪音。表2為各種彈性軌道結(jié)構(gòu)的減振對(duì)比分析。
根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，縱梁支承軌道道床邊緣振動(dòng)加速度的第一主頻為70 Hz。從圖中不難看出，無碴型縱梁軌道道床邊緣的振動(dòng)能量分布在0～100 Hz之間。圖5為道床邊緣加速度的功率譜分析。
4 結(jié)語(yǔ)
無碴型預(yù)制混凝土縱梁支承軌道具有低振動(dòng)、少維修、低造價(jià)、自重輕、結(jié)構(gòu)性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，與目前城市軌道交通中使用較多的的幾種軌道結(jié)構(gòu)相比，無碴型縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)可以解決彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)因?yàn)檎硐聣|板太軟使軌距較難保持的問題，同時(shí)也沒有浮置板軌道的成本高，不易維修的缺點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
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