現(xiàn)代有軌電車H型預(yù)制軌道板的性能研究與應(yīng)用*

房 斌 段海濱 張宏亮 吳建忠 傅依萱

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司,266045,青島; 2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,100037,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

目前,我國(guó)有軌電車工程大多采用現(xiàn)澆混凝土整體道床結(jié)構(gòu)[1],存在施工速度低的問題。部分項(xiàng)目曾做過鋪設(shè)預(yù)制道床的嘗試[2],但均未充分考慮有軌電車的施工速度快及綠化程度高等特點(diǎn)。對(duì)此,H型預(yù)制軌道板應(yīng)運(yùn)而生,兼顧了施工速度和綠化的要求。本文主要對(duì)H型預(yù)制軌道板的性能進(jìn)行驗(yàn)算和試驗(yàn),并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

1 H型預(yù)制軌道板的型式尺寸

H型預(yù)制軌道板的型式如圖1所示。

圖1 H型預(yù)制軌道板效果圖

針對(duì)有軌電車曲線半徑較小的特點(diǎn),H型預(yù)制軌道板有兩種板型:Ⅰ型板適用于直線段及半徑≥400 m的曲線段,尺寸為3 750 mm(長(zhǎng))×2 200 mm(寬)×180 mm(厚);Ⅱ型板適用于半徑<400 m的曲線段,尺寸為2 450 mm(長(zhǎng))×2 200 mm(寬)×180 mm(厚)。兩種板型的縱梁寬度均為580 mm,橫梁寬度均為820 mm。

2 H型預(yù)制軌道板的建模分析

H型預(yù)制軌道板在路基段、橋梁段及隧道段均可應(yīng)用。從使用條件上看,橋梁段與隧道段的軌道下部基礎(chǔ)相對(duì)較好,而路基段軌道板受力條件不佳?？紤]到 Ⅰ 型板較長(zhǎng),故本文以路基段的 Ⅰ 型板作為最不利條件,根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范(極限狀態(tài)法)》[3]中的荷載組合方式,對(duì)H型預(yù)制軌道板結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和性能研究。

有軌電車的鋼軌為59R2槽型軌[2]。與H型預(yù)制軌道板配套的扣件豎向剛度為35 kN/mm,橫向剛度為50 kN/mm。軌道板采用鋼筋混凝土,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,C50混凝土泊松比取0.2,密度為2 500 kg/m3,線膨脹系數(shù)為1×10-5℃-1,C50混凝土彈性模量為3.45×1010Pa。

2.1 主要荷載

H型預(yù)制軌道板所受荷載主要有列車荷載、溫度梯度荷載及路基不均勻沉降導(dǎo)致的荷載。

2.1.1 列車荷載

由文獻(xiàn)[4],列車最高運(yùn)行速度為70 km/h,軸重為12.5 t。由文獻(xiàn)[3]:垂向設(shè)計(jì)荷載Pd取靜輪重Pj的1.5倍,即Pd=92 kN;橫向荷載Qk取靜荷載的0.8倍,即Qk=49 kN。

按轉(zhuǎn)向架荷載P施加位置有3種加載工況:工況1(跨板加載)、工況2(板端加載)和工況3(板中加載)。列車荷載的加載工況如圖2所示。

a) 工況1

2.1.2 溫度梯度荷載

H型預(yù)制軌道板系統(tǒng)為單元式軌道板,需考慮溫度梯度的影響。溫度梯度的厚度修正系數(shù)按表1取值[3]。

表1 溫度梯度修正系數(shù)

Ⅰ型板的厚度為180 mm,修正系數(shù)按表1取1.11。考慮到寒冷地區(qū)溫差較大,故軌道板最大正溫度梯度取99.9 ℃/m,最大負(fù)溫度梯度取55.5 ℃/m。

2.1.3 路基不均勻沉降導(dǎo)致的荷載

路基不均勻沉降導(dǎo)致的荷載,以有軌電車最常見的路基為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算分析。其中,路基不均勻沉降按文獻(xiàn)[3]的無(wú)砟軌道線下基礎(chǔ)不均勻沉降最大值取值(路基不均勻沉降的形狀為沉降幅值限值為15 mm、沉降長(zhǎng)度為20 m的半波余弦曲面)。

2.2 有限元模型

采用ANSYS有限元軟件建立軌道系統(tǒng)的有限元模型。其中,軌道板采用彈性地基上的板殼模擬,鋼軌采用梁?jiǎn)卧M,扣件和路基采用彈簧單元模擬,軌道板采用殼單元模擬。有限元模型共包括3塊軌道板,并通過中間板的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)消除邊界效應(yīng)。Ⅰ型板的梁板有限元模型如圖3所示。

圖3 I型板的梁板有限元模型

2.3 荷載工況分析及組合

2.3.1 基礎(chǔ)變形

由仿真計(jì)算結(jié)果可知,板端加載(工況2)下縱梁彎矩最大,為12.61 kNm,跨板加載(工況1)下負(fù)彎矩最大,為-3.88 kNm;H型預(yù)制軌道板的橫梁彎矩較小,在2.00 kNm以下。3種工況下的軌道板彎矩云圖如圖4所示。

a) 工況1縱梁彎矩

2.3.2 溫度梯度荷載下軌道受力分析

在溫度梯度荷載下縱橫梁的彎矩云圖如圖5所示。軌道板彎矩以受壓為正,受拉為負(fù)。由圖5可知:在正溫度梯度下軌道板中部發(fā)生上拱變形,在負(fù)溫度梯度下軌道板中間下凹,板角均翹曲變形;在溫度梯度荷載作用下,軌道板彎矩在縱梁和橫梁的連接處受彎相對(duì)較大,說明結(jié)構(gòu)的連接處需要加強(qiáng);溫度梯度荷載縱梁最大正彎矩為14.13 kNm,最大負(fù)彎矩為-10.35 kNm;橫梁最大正彎矩為3.64 kNm,最大負(fù)彎矩為-1.60 kNm。

a) 正溫度梯度縱梁彎矩

2.3.3 路基不均勻沉降影響

路基不均勻沉降按文獻(xiàn)[3]取值后計(jì)算可得,在路基不均勻沉降作用下的H型預(yù)制軌道板彎矩為7.2 kNm。

2.3.4 橫向荷載效應(yīng)

列車橫向荷載作用下的橫梁彎矩Mh為:

Mh=0.3Qh

(1)

式中:

h——道床頂面到軌面距離,單位m;

Q——列車橫向荷載,單位kN。

按照一組扣件的間距計(jì)算可得,Mh=0.46 kNm。

2.3.5 荷載組合

在承載能力極限狀態(tài)荷載組合中,H型預(yù)制軌道板縱梁彎矩的組合值為26.88 kNm,橫梁彎矩組合值為7.78 kNm。此為H型預(yù)制板承載力配筋檢算的依據(jù)[3]。

在正常使用極限狀態(tài)荷載組合中,H型預(yù)制軌道板縱梁橫截面彎矩的標(biāo)準(zhǔn)組合值為19.68 kNm。橫梁的縱截面彎矩標(biāo)準(zhǔn)組合值為2.43 kNm。此為H型預(yù)制軌道板截面裂縫檢算的依據(jù)[3]。

2.3.6 軌道板結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

H型預(yù)制軌道板縱梁和橫梁的配筋分別如圖6及圖7所示。

注:12鋼筋指直徑為12 mm的三級(jí)鋼筋。

圖7 軌道板橫梁配筋示意圖

對(duì)H型預(yù)制軌道板的縱梁和橫梁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。H型預(yù)制軌道板的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 H型預(yù)制軌道板結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果表明,H型預(yù)制軌道板各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

3 力學(xué)性能的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)H型預(yù)制軌道板進(jìn)行靜載試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn),以驗(yàn)證其力學(xué)性能是否滿足工程使用要求。

3.1 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)包括縱梁加載試驗(yàn)和橫梁加載試驗(yàn)。加載試驗(yàn)如圖8所示。

a) 縱梁加載試驗(yàn)

1) 縱梁加載試驗(yàn)。荷載逐級(jí)加載,試驗(yàn)荷載為45 kN。先對(duì)軌道板進(jìn)行預(yù)加載;試驗(yàn)荷載達(dá)到45 kN時(shí),靜停3 min后,使用放大鏡和照明設(shè)備觀察有無(wú)裂縫;之后卸載,并在卸載后再次對(duì)裂縫進(jìn)行觀察。

2) 橫梁加載試驗(yàn)。荷載逐級(jí)加載,試驗(yàn)荷載終值為20 kN。試驗(yàn)荷載達(dá)到20 kN時(shí),靜停3 min后,使用放大鏡和照明設(shè)備觀察有無(wú)裂縫;之后卸載,并在卸載后再次對(duì)裂縫進(jìn)行觀察。

根據(jù)加載試驗(yàn)結(jié)果,H型預(yù)制軌道板的靜載試驗(yàn)最大裂紋寬度為0.14 mm,出現(xiàn)在縱梁位置。

3.2 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)分為軌道板縱梁疲勞試驗(yàn)和橫梁疲勞試驗(yàn),主要用于評(píng)估H型預(yù)制軌道板的耐久性。

1) 軌道板縱梁疲勞試驗(yàn)。疲勞加載的最大荷載為45.0 kN,最小荷載為4.5 kN,加載頻率為4 Hz,循環(huán)加載次數(shù)為300萬(wàn)次。

2) 軌道板橫梁疲勞試驗(yàn)。疲勞加載的最大荷載為20.0 kN,最小荷載為2.0 kN,加載頻率為4 Hz,循環(huán)加載次數(shù)為300萬(wàn)次。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明,最大裂紋寬度為0.14 mm,在縱梁出現(xiàn)。裂紋寬度的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算結(jié)果吻合。

4 工程應(yīng)用

H型預(yù)制軌道板在某市有軌電車工程中得到應(yīng)用。H型預(yù)制軌道板應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的照片見圖9。其中,H型預(yù)制軌道板軌道結(jié)構(gòu)自上而下依次為槽型軌、YG-4型配套扣件、承軌臺(tái)、H型預(yù)制軌道板、細(xì)石混凝土調(diào)整層和路基。

a) 施工現(xiàn)場(chǎng)

總結(jié)實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn),H型預(yù)制軌道板有如下優(yōu)點(diǎn):

1) H型預(yù)制軌道板體量輕,便于現(xiàn)場(chǎng)施工組織。根據(jù)工程實(shí)際數(shù)據(jù),H型預(yù)制軌道板的施工速度為100 m/d,而現(xiàn)澆混凝土整體道床的施工速度僅為50～60 m/d。

2) H型預(yù)制軌道板縱梁中間部分的覆土厚度較大,有利于綠植的成活,如圖10所示。與現(xiàn)澆混凝土整體道床相比,覆土厚度較大部分的面積多了33%。這部分覆土厚度為327 mm,而現(xiàn)澆混凝土整體道床的覆土厚度僅為217 mm,覆土厚度差別較大。此外,H型預(yù)制軌道板的中部挖空還減少了預(yù)制板用料,減輕了板重。

a) 覆土厚度增加部分

3) 現(xiàn)澆混凝土整體道床一般采用中部向兩側(cè)散排方式排水,效率較低。H型預(yù)制軌道板在兩縱梁中部鏤空部分設(shè)置縱向排水坡,有效增加了匯水面積?，F(xiàn)澆混凝土整體道床及H型預(yù)制軌道板道床排水路徑如圖11所示。

a) 現(xiàn)澆混凝土整體道床

4) 對(duì)分別采用現(xiàn)澆混凝土整體道床與H型預(yù)制軌道板道床的不同項(xiàng)目施工情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并對(duì)比現(xiàn)澆整體道床與H型預(yù)制軌道板道床的施工精度見表3。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看,H型預(yù)制軌道板的施工精度更高,施工質(zhì)量?jī)?yōu)于普通混凝土整體道床。

表3 現(xiàn)澆整體道床與H型預(yù)制軌道板道床的施工精度對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)代有軌電車的工程特點(diǎn),提出了H型預(yù)制軌道板的設(shè)計(jì),通過建模分析和室內(nèi)測(cè)試驗(yàn)證了其優(yōu)良的力學(xué)性能。并對(duì)H型預(yù)制軌道板在有軌電車工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)。主要有以下結(jié)論:

1) 基于不同荷載組合對(duì)H型預(yù)制軌道板受力的影響,進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋及裂縫驗(yàn)算的結(jié)果表明,H型預(yù)制軌道板結(jié)構(gòu)可滿足工程使用需求。

2) 通過室內(nèi)靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),驗(yàn)證了H型預(yù)制軌道板的強(qiáng)度及耐久性。說明H型預(yù)制軌道板能滿足在線鋪設(shè)使用的條件。

3) H型預(yù)制軌道板質(zhì)量輕、制造成本低,便于運(yùn)輸和鋪軌。與現(xiàn)澆混凝土整體道床相比,H型預(yù)

制軌道板的施工速率可提升40%～50%。

4) 在H型預(yù)制軌道板框架間及頂面覆土可進(jìn)行地面綠化。與現(xiàn)澆混凝土整體道床相比,H型預(yù)制軌道板的覆土厚度增加了約50%,有效解決了覆土厚度不足的問題,提升了綠植的成活率,確保了景觀綠化效果。

H型預(yù)制軌道板軌道系統(tǒng)的成功研制對(duì)于促進(jìn)我國(guó)有軌電車技術(shù)的進(jìn)步、提升有軌電車施工效率及保證工程質(zhì)量等方面具有重要的意義。