市域铁路装配式轨道结构设计及力学特性研究

朱彬, 任西冲

（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）

0 引言

市域铁路是解决都市圈中心城市与卫星城市间通勤需求的全新轨道交通模式, 是我国继高速铁路后又一重大国家战略。我国市域铁路建设起步较晚, 新型城镇化的发展对快速度、大运量、公交化的市域铁路提出了迫切需求[1-2］。

目前, 市域铁路常采用的无砟轨道为现浇枕式轨道, 施工周期长, 且道床易出现裂纹等病害[1-2］。装配板式轨道具有工厂预制质量好、平顺性优、养护维修工作量少等优点, 同时还能助力推进绿色低碳发展, 契合国家“双碳”目标要求, 推行装配式轨道符合国家和行业政策要求。

目前已有学者对装配式轨道进行了相关研究。刘伟斌等[3］、王伟华等[4］、姜晓文等[5］研究了城市轨道交通板式无砟轨道的设计应用情况；叶军等[6］对地铁装配式轨道板的结构动力及减振特性进行研究；杨秀仁等[7］在城市轨道交通智能装配式减振轨道系统方面开展了研究。

既有针对装配式轨道的研究主要集中在城市轨道交通领域, 结合市域铁路特点的装配式轨道技术研究尚属空白。为满足市域铁路大规模建设需求, 促进市域铁路无砟轨道结构技术创新, 亟需研制结构稳定、适应性强、经济性优、方便维修的预制装配板式无砟轨道结构。

在借鉴高铁及地铁预制板式轨道应用经验的基础上, 提出一种适用于市域铁路的新型装配式无砟轨道结构设计方案, 同时建立新型装配式无砟轨道的精细化静力、动力分析模型, 对轨道结构的力学特性进行相关研究。该研究成果可为市域铁路装配式轨道结构设计、优化提供参考, 为装配式轨道的工程化应用提供技术支撑。

1 市域铁路新型装配式轨道结构设计方案

1.1 影响因素

与既有技术体系相比, 市域铁路兼具运行速度高（160 km/h, 为地铁的1.6倍）、列车轴重相对于地铁大（17 t, 约为地铁的1.2倍）、曲线半径小（最小值250 m, 高速铁路为2 800 m）、坡度大（最大值25‰, 高速铁路为20‰）等困难线路条件, 以及静态平顺性要求高（参照《铁路轨道设计规范》[8］, 时速160 km级铁路高低、轨向等轨道静态验收指标与高速铁路标准相同）, 所经区域居住密集区占比高（减振降噪需求大）、经济性要求高等特点。市域铁路装配式轨道在确保结构安全可靠的前提下, 还需考虑以下因素：

（1）小半径曲线适应性：市域铁路受地形影响, 小半径曲线线型较多, 设计时需匹配合理的轨道板长度以适应小半径曲线地段。

（2）减振适应性：市域铁路穿行市区, 需充分考虑线路减振要求, 尽量在保证结构整体型式统一的前提下实现减振。

（3）经济性：应尽量减小轨道结构高度, 控制桥上二期恒载, 同时合理选用非预应力板可进一步减小装配板制造费用, 降低整体造价, 提高经济性。

（4）施工便利性：优化和减少轨道施工工序, 提高施工便利性和施工效率；优化装配板的结构尺寸, 尽量减少异型板。

（5）运维便利性：为降低对运营的影响, 需在天窗期内完成轨道维修, 实现线型快速恢复。

1.2 设计方案

综合考虑以上因素, 在此分别对市域铁路隧道、桥梁、路基地段的轨道结构设计方案进行论述。

1.2.1 隧道地段

市域铁路隧道地段新型装配式无砟轨道主要由钢轨、扣件、轨道板、隔离层/减振垫、自密实混凝土层等部分组成（见图1）。

图1 隧道地段新型装配式无砟轨道组成

（1）钢轨及扣件。采用60 kg/m钢轨, 扣件间距600 mm, 扣件系统垂向刚度30~40 kN/mm。

（2）轨道板。轨道板为工厂预制单元分块式平板结构, 隧道地段可采用非预应力结构, 混凝土等级C50。轨道板分P4700板和P3500板2种标准型式, 2种标准板宽2 400 mm、厚200 mm、板长分别为4 700 mm和3 500 mm, 分别对应8对承轨台和6对承轨台；当线路曲线半径不超过400 m时, 用P3500板, 其余地段用P4700板。相邻轨道板之间设100 mm板缝, 过轨管线及横向排水可在板缝处实现。单块标准轨道板设有2个限位孔, 孔纵向长500 mm, 横向宽500 mm, 倒角半径100 mm。限位孔与板下浇筑的自密实混凝土层形成限位凸台耦合作用, 限制轨道板的纵横向移动。P4700轨道板平面示意见图2。轨道板限位孔与自密实混凝土凸台之间设置弹性缓冲垫层, 随轨道板出厂时安装到位。

图2 P4700轨道板平面示意图

（3）隔离层/减振垫。轨道板下粘贴4 mm厚土工布隔离层, 设置在轨道板与自密实混凝土层之间, 起缓冲隔离作用。当线路有高等减振要求时, 土工布可更换为30 mm厚橡胶减振垫, 实现高等减振功能。减振地段轨道板可适当加厚, 以提高减振效果。

（4）自密实混凝土层。在轨道板与下部基础之间灌注流动性能好的自密实混凝土材料, 与下部基础紧密结合, 弥补线下基础施工误差, 同时垫层内配双层钢筋网片, 限位凸台设钢筋笼, 整体起到限位传力、填充、调平、保证轨道精调到位后施工线型的作用。自密实混凝土强度等级C40, 与轨道板同宽同长, 垫层厚160~200 mm（见图3）。垫层施工时轨道板其中一个限位孔作为灌注孔, 另一个限位孔作为观察孔和出气孔。隧道地段轨道结构超高通过自密实混凝土层实现。

图3 隧道地段轨道结构横断面示意图

隧道地段仰拱回填层或底板设有门形筋或预埋钢筋, 与上部自密实混凝土层形成可靠连接。轨道在两侧设有排水沟进行纵向排水, 排水沟与轨道结构接触面涂抹防水密封材料。限位结构设计采用“矩形凸台+圆形倒角”方案, 既具有圆形凸台在温度荷载作用下不易出现应力集中的优点, 又融合了矩形凸台在列车纵横向荷载作用下受力均匀的优点[9］。

1.2.2 桥梁地段

桥梁地段轨道结构组成与隧道地段相同。轨道板优先采用双向预应力结构, 混凝土强度等级C60。轨道其他尺寸与隧道地段相同。桥梁地段轨道结构无底座板, 板下自密实混凝土层通过桥上预埋钢筋直接与桥面相连。桥梁地段轨道结构超高通过自密实混凝土层实现。

1.2.3 路基地段

路基地段自密实混凝土层厚100 mm, 自密实混凝土层下设有底座板, 底座板具体设计可参考路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道。轨道其他组成部分与隧道地段相同, 轨道结构超高通过底座板实现。

底座板与自密实混凝土层的传力方式有2种：（1）底座板对应每块轨道板设置2个限位凹槽, 与现浇自密实混凝土层底部形成的限位凸台耦合限位, 限位凹槽周围设弹性缓冲垫层, 凹槽底部及底座板上表面设有土工布隔离层, 整体形成“双隔离层”结构体系进行受力, 其横断面示意见图4；（2）底座板上表面无需设置凹槽, 直接通过预埋钢筋或门形筋与上部自密实混凝土层连接形成整体进行受力。

图4 路基地段轨道结构横断面示意图

“双隔离层”结构体系在后期换板维修方面优势明显。由于双隔离层的存在, 揭板后可直接通过起重装置吊走自密实混凝土层, 无需凿除混凝土, 轨道线型调整完成后重新灌注自密实混凝土层即可；底座板表面设置预埋筋方案的结构连接可靠, 薄弱环节相对较少, 但换板时需凿除自密实混凝土层, 对底座板混凝土也会有一定程度影响。2种设置方式在设计时各有侧重, 现场可根据线路实际情况合理选用。

1.3 结构特点

（1）垂向分层设计：在结构组成方面, 路基地段轨道结构分3层, 即轨道板、自密实混凝土层和底座板；桥、隧地段轨道结构分2层, 无底座板, 直接铺设在下部基础上。轨道板下设隔离层, 当线路有高等减振需求时可适当增加板厚, 同时将隔离层更换为减振垫, 可在轨道结构型式统一的前提下实现高等减振功能。在材料属性方面, 轨道各主要结构层材料弹性模量从上向下总体逐级递减。在施工工艺方面, 结构采用分层施工完成。

（2）纵向单元设计：路桥隧地段相邻轨道板之间设100 mm真缝, 路基地段底座单元之间设置20 mm伸缩缝。轨道整体采用单元分块式结构可以明显减少裂纹及上拱病害的产生, 降低温度荷载对轨道结构的影响。

（3）传力特性：列车荷载通过钢轨和扣件传递至轨道板, 轨道板通过限位孔位置现浇形成的限位凸台将纵横向荷载传递至自密实混凝土层；桥、隧地段, 自密实混凝土层通过预埋钢筋将力传递至桥面或仰拱回填层/底板上；路基地段自密实混凝土层通过底座板传递至下部基础。

总体来说, 新型装配式无砟轨道单块轨道板沿线路纵向长度较短, 质量较轻, 施工运输方便, 对小半径曲线适应性较强；限位结构与板下调整层一体化浇筑, 施工方便、稳定性好、传力清晰；桥梁地段取消底座板, 控制桥上二期恒载；隧道地段直接铺设在仰拱回填层或底板上, 尽可能减小轨道结构高度, 同时在隧道地段可考虑采用非预应力板, 降低整体造价, 提高经济性；板下设置隔离层或减振垫层, 一般与高等减振地段轨道结构型式统一, 且后期养护维修时换板方便, 可维修性较强。

2 市域铁路新型装配式轨道结构静力特性

考虑市域铁路路基地段较少, 隧道地段轨道结构受温度荷载影响较小, 在此以桥梁地段为例, 结合轨道结构特点建立有限元分析模型, 研究轨道结构在温度、列车荷载作用下的静力特性。

2.1 静力特性分析模型

2.1.1 计算参数

轨道结构主要组成部件均按设计尺寸考虑, 以P4700板为例, 扣件垂向、横向刚度分别取30 kN/mm、50 kN/mm, 扣件纵向阻力按9 kN/组考虑。轨道结构主要组成部件计算参数见表1。

表1 计算参数

参考《市域（郊）铁路设计规范》[10］, 列车轴重取17 t, 动载系数取2.0, 车轮垂向荷载为170 kN；横向力为静轮载的0.8倍, 即68 kN；纵向荷载考虑最不利条件, 按每个扣件节点最大纵向阻力取值, 即每块轨道板所受最大纵向力为144 kN。温度荷载考虑整体升温45℃、整体降温40℃、正温度梯度90℃/m以及负温度梯度45℃/m作用。

2.1.2 计算模型

钢轨、轨道板、自密实混凝土层和限位凸台采用实体单元模拟, 扣件采用非线性弹簧单元模拟, 轨道板与自密实混凝土层界面以及限位凸台与轨道板限位孔界面法向采用硬接触模拟, 切向摩擦系数取0.35, 自密实混凝土层与桥面采用绑定连接, 钢轨两端采用对称约束[11-12］。有限元静力分析模型见图5。

图5 轨道结构有限元静力分析模型

2.2 轨道结构静力特性

2.2.1 列车荷载作用

装配式无砟轨道在列车荷载作用下的部分典型受力变形指标云图见图6、图7。

图6 列车垂向荷载云图

图7 自密实混凝土受力云图

轨道板在列车垂、横、纵3个方向荷载作用下所受应力水平均较小, 最大主拉应力分别为0.357、0.633、0.228 MPa, 均远小于C60混凝土抗拉强度设计值。在变形方面, 轨道板最大垂、横、纵向位移分别为0.012 3、0.903 0、0.679 0 mm。

轨道结构在列车纵横向荷载作用下, 限位凸台与自密实混凝土相连位置存在较明显的应力集中现象, 但整体受力水平较小, 最大值为0.246 MPa, 远小于抗拉强度设计值。

2.2.2 温度荷载作用

轨道结构在不同温度荷载作用下的部分典型受力变形指标云图见图8、图9。

图8 整体升温荷载云图

图9 负温度梯度荷载云图

轨道板在不同温度荷载作用下所受应力水平较小, 最大拉应力为正温度梯度荷载作用下的2.105 MPa, 未超过抗拉强度设计值。在变形方面, 轨道板最大垂向位移为正温度梯度荷载作用下的1.039 mm, 最大纵向位移为整体升温荷载作用下的1.060 mm。在正负温度梯度荷载作用下的限位凸台倒角位置, 会出现一定程度应力集中现象, 但整体受力水平较少, 均未超过混凝土抗拉、压强度设计值。

综上可知, 新型装配式无砟轨道在列车、温度荷载作用下受力变形水平均较小, 结构受力性能和稳定性能良好, 满足设计要求。

3 市域铁路新型装配式轨道结构动力特性

同样以桥梁地段为例, 建立车-轨-桥空间耦合动力分析模型, 研究系统在列车动载作用下的动力特性。

3.1 动力特性分析模型

建模时车体、转向架以及轮对考虑沉浮、横摆等共31个自由度, 轨道模型可参考静力分析模型, 轮轨接触采用Hertz非线性接触模拟, 钢轨施加美国六级不平顺谱[13-14］, 动力分析模型见图10。

图10 车辆-轨道-下部基础耦合动力分析模型

3.2 轨道结构动力特性

在行车速度160 km/h条件下, 车辆-轨道系统动力响应指标见表2、表3。

由表2可知, 轮轨横向力和垂向力峰值分别为7.473 kN和85.049 kN, 脱轨系数和轮重减载率最大分别为0.129和0.157, 结果均未超限, 满足行车安全要求。车体垂、横向加速度分别为0.601 m/s2和0.324 m/s2, 满足行车舒适性要求。由表3可知, 钢轨、轨道板和自密实混凝土层垂向位移分别为1.973、0.933、0.201 mm；钢轨、轨道板、自密实混凝土层的振动加速度从上往下逐渐衰减, 垂向加度峰值分别为297.025、52.140、18.420 m/s2。

表2 系统动力响应指标

表3 轨道结构动力响应指标

综上可知, 新型装配式无砟轨道结构在行车速度160 km/h条件下, 整体动力性能良好, 行车安全性和舒适性满足要求。

4 结论

在充分吸收高铁及地铁无砟轨道建设、应用经验的基础上, 提出一种适用于市域铁路的新型装配式无砟轨道结构设计方案, 以桥梁地段为例, 建立桥上轨道结构三维精细化静力、动力分析模型, 研究了桥上新型装配式轨道结构的力学特性。研究结果表明：

（1）桥上轨道结构在列车荷载作用下, 最大拉应力为0.633 MPa, 最大位移为0.903 mm, 整体受力变形水平较低。

（2）轨道结构在列车纵横向荷载作用下, 限位凸台与自密实混凝土相连位置应力相对较大, 但满足混凝土强度设计要求。

（3）轨道结构在温度荷载作用下, 最大拉应力为2.105 MPa, 最大垂向位移为1.039 mm, 最大纵向位移为1.06 mm。

（4）轨道结构在正负温度梯度荷载下, 限位凸台倒角位置会出现一定程度应力集中现象, 但整体受力水平较少, 均未超过混凝土抗拉、压强度设计值。

（5）车辆-轨道系统在160 km/h的行车速度下, 各项动力响应指标均在限值范围内, 行车安全性和舒适性满足要求。

（6）新型装配式轨道结构稳定可靠、传力清晰、可维修性强, 可为市域铁路的装配式轨道结构设计、优化提供参考。