（道路与铁道工程专业论文）板式无砟轨道温度力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 无砟轨道受到的荷载类型主要有列车荷载、温度荷载、线下基础变形 的附加荷载等几种，本文主要从温度荷载对无砟轨道的影响出发，对板式 无砟轨道所受的温度荷载进行分析研究。 首先，对轨道板进行温度测量。分别对普通a 型轨道板和框架型轨道 板进行了全天的温度跟踪测量，得出了日照作用下轨道板的温度变化曲线。 其次，对轨道板受到的温度荷载进行理论研究和分析。提出温度荷载 的类型主要有日照温度荷载、骤然降温荷载和年温度荷载，并指出温度荷 载将使轨道板受到伸缩应力和翘曲应力。然后对板式轨道的伸缩应力、翘 曲应力以及轨道板的伸缩量进行力学分析，分别得出轨道板的温度应力和 板端伸缩位移的计算公式。 最后，采用有限元法对板式轨道所受的温度荷载进行计算分析。结合 遂渝线无砟轨道综合试验段上的新北碚嘉陵江桥上铺设无砟轨道的方案， 分别计算分析了。p 4 9 3 0 型普通轨道板、4 9 3 0 型框架轨道板和3 9 2 0 型普通轨 道板的温度荷载。 关键词：无砟轨道、轨道板、温度应力、计算研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a e t t h e 蛐sl o a d i n g , t h et e m p e r a t u r el o a d i n ga n dt h ea d d i t i o n a ll o a d i n go f d e f o r m a t i o nb e l o wt h er a i lt r a c ka r et h em a i n - l o a d i n go ft h eb a l l a s t l e s st r a c k t h i sp a p e rf o c u s e so na n a l y z i n gt ot h et e m p e r a t u r el o a d i n g t h ep a p e rd e v o t e s t od i s c u s st h eb e h a v i o ro ft h et e m p e r a t u r el o a d i n go nt h es l a bt r a c l f i r s to fa l l ，m e a s u r eo ft e m p e r a t u r eo nr a i ls l a bt r a c k i t st r a c k i n ga n d m e a s u r i n g o f t e m p e r a t u r e f o rt h e t y p eas l a b a n dt h ef l a m e w o r ks l a b r e s p e c t i v e l yo fw h o l e - d a y f i n a l l y , w eg o tt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n c u r v eo f s l a bw h e nt h es u n l i g h ta c t i n g0 1 1 s e c o n d l y , t h ep a p e rd e v o t e st od i s c u s st h eb e h a v i o ro ft h et e m p e r a t u r el o a d t h es u n l i g h tt e m p e r a t o r el o a da n dt h ea b r u p t l yt e m p e r a t u r er e d u c t i o nl o a da n d t h ea n n u a lt e m p e r a t u r el o a da l ep u tf o r w a r da tt h ef i r s t i ti sp o i n to u tt h a tt h e s e t e m p e r a t u r el o a d i n gc a l lb e g e tt e l e s c o p i cs t r e s sa n dw a r ps t r e s si ns l a b a n dt h e n , t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h e s es t r e s si ns l a bb ym e c h a n i c sc o n c c p t s i nt h ee n dt h e c o m p u t i n gf o r m u l ao ft h et e m p e r a t u r es t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n to fe n ds l a b f o rb a l l a s t l e s st r a c ks l a bw e r ep u tf o r w a r d f i n a l l y , c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r el o a df o r s l a bt r a c k t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dw a su s e d c o m b i n e dt h e s c h e m et h a tp a v eb a l l a s t l e s st r a c k0 1 1t h en e wb d b dj i a l i n gr i v e rb r i d g ei n i n t e g r a lt r i a ls e c t i o nf o rb a l l a s f l e s st r a c ko ns u i y u c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f t h ec o m m o ns l a bt y p ep 4 9 3 0a n d3 9 2 0 ，t h ef r a m e , y o r ks l a bt y p e4 9 3 0 k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ，s l a b ，t e m p e r a t u r es t r e s s ，c a l c u l a t i n gs t u d y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具， 在综合交通运输体系中处于骨干地位。为了适应全面建设小康社会的要求， 铁路必须以科学发展观为指导，快速扩充运输能力，快速提升技术装备水 平，努力实现跨越式发展。 铁路运输作为国民经济的大动脉，担负着货运和客运两大重要运输任 务。根据我国中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，我国铁路营业总里程将 达到1 0 万公里，要建设“四纵四横”快速客运专线及三个区域( 长江三角 洲、珠江三角洲、环渤海地区) 城际快速轨道交通系统，实现主要繁忙干 线客货分线运输。在我国新建铁路中尤其是要建设的“四纵四横”快速客 运专线，都将以时速3 5 0k m h 进行设计，这对我国的铁路工程师带来了巨 大的挑战，这也必将会为我国线路设施方面技术路线带来深刻的变革。 高速铁路具有通过能力大、行车速度快、运输效率高等突出特点，如 果形成网络，覆盖全国主要城市，将更能够发挥出安全舒适、快速高效的 优势。目前世界高速铁路类型主要有法国的有砟轨道、德日德无砟轨道和 磁悬浮铁路。我国的高速铁路将以无砟轨道结构形式为主。 无砟轨道具有轨道稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工 作量显著减少和技术相对成熟的突出优点。发展无砟轨道技术是我国铁路 快速提升技术装备水平，实现铁路跨越式发展的重要举措之一。2 0 世纪6 0 年代，世界各国开始研究使用无砟轨道，从室内试验、现场试铺到在高速 铁路上普遍推广，历经4 0 余年，形成了具有各国特色的系列化、标准化产 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 品。无砟轨道在铁道线路上的使用，从根本上改善了列车走行的基础条件， 实现了旅客列车平稳性、安全性、舒适性要求，并且大大缩短了维修时间， 降低了维护成本。目前无砟轨道的优越性已经被世界许多建设高速铁路的 国家和地区认可。韩国、印度、荷兰、中国台湾近年来修建的高速铁路都 成段、成线地采用无砟轨道技术“3 。 目前无砟轨道技术发展比较成熟的主要国家是德国和日本，我国无砟 轨道技术尚处于起步阶段。在我国即将大规模建设高速铁路的阶段，消化 和吸收国外无砟轨道的设计理念、设计理论和设计方法等，建立起自主的 无砟轨道设计体系是我国科研和设计人员目前需要解决的重要步。 1 2 板式无砟轨道国内外研究现状 目前各国发展的无砟轨道结构型式多样，各具特色，但板式轨道无疑 是其中一种比较成功的无砟轨道结构形式。经过多年的运营考验，一般认 为日本的板式无砟轨道和德国的博格板式无砟轨道的技术比较成熟。 1 2 1 日本板式无砟轨道 日本是发展无砟轨道较早、较快的国家，为了适应高速行车的需要， 解决线路维修困难的问题，以及由于山阳、东北、上越等新干线桥隧工程 结构占全线的比例非常大，从2 0 世纪6 0 年代中期，日本开始了板式无砟 轨道结构系统的理论研究与试验。铁道综合技术研究所汇集轨道、土工、 桥隧、材料以及化工等专业的研究人员组成系统攻关研究小组。在研究开 发初期，研究小组针对不同的板式轨道方案进行了设计选型，并通过部件 试验、实尺模型加载试验、设计修改、运营试验段铺设，最终形成了日本 板式轨道的系列产品。 东北、上越新干线扳式轨道分别占全线延长公里的9 0 和9 3 。目前a 型板式轨道( 如图1 - 1 ) 已标准定型，并作为基本轨道结构推广应用。日本 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 板式轨道结构由轨道板、水泥沥青砂浆( c a 砂浆) 和混凝土基础三大部分 组成。钢轨铺设在轨道板上，c a 砂浆作为轨道板的弹性垫层，同时可以通 过再次灌注c a 砂浆对轨道板进行一定程度上的调整。混凝土基础上每间 隔一定距离布置凸型挡台，以承受轨道的纵、横向力。a 型轨道板的长度 通常为5 0 0 i ，宽度为2 3 4 m ，厚度1 9 0 r a m ，c a 砂浆厚度4 0 5 0 咖。日本 铁路广泛铺设板式轨道，到目前为止，日本板式轨道铺设已经超过了 2 7 0 0 k i n 口3 。 图1 1a 型板式轨道结构形式 近几年，随着北陆等新干线的建设，板式轨道又有了较大发展，主要 在以下几个方面”3 ： ( 1 ) 可用于露天地段使用的土路基上板式轨道得到了发展和应用； ( 2 ) 由于普通a 型板式轨道板中的负弯矩( 特别是横向方向) 比较大，从 而需要很多的钢筋量，然而板中这部分的钢筋混凝土其实是多余的， 所以就将这部分挖去便发展成了框架型板式轨道( 如图1 - 2 ) 。同时框 架型轨道板板面和板底的最大温差也将减小，减小了翘曲应力，较其 它铺装轨道，具有荷载分散性能好，下沉少等优点； ( 3 ) 为了提高c a 砂浆的灌注效率，节约模板用量，易于调整轨道板位置， 保持轨道结构美观整洁，发展了c a 砂浆的编织袋灌注方法： ( 4 ) 在人口稠密的居民区，为了降低噪声的干扰，在轨道板和c a 砂浆垫 层间铺设2 5 r r d n 厚的橡胶垫层，发展了防振型板式轨道： 1 i 引引j 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 ( j ) 为适应气候条件的需要，防止在严寒地区轨道板的龟裂问题，在轨道 板中引入了预应力钢筋。 框形饭式轨道( 鹾道区闻) 图1 - 2a f 框架型板式轨道结构形式 1 2 2 博格板式无砟轨道 博格板式无砟轨道系统的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达 豪的一种预制板式无砟轨道，轨道的结构图如图i - 3 所示倜。 图i - 3 博格板式无砟轨道系统的结构图 通过对其进行包括预应力结构、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改 进；采用先进的数控磨床来加工预制轨道板上的承轨槽：使用快速方便的 测量系统，使其精度容易满足高速铁路对轨道几何尺寸的高要求。高性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 沥青水泥砂浆垫层可以为轨道提供适当的刚度和弹性。德国的博格公司为 轨道板麓工研制生产了成套的设备，使得博格板式轨道机械化程度高于一 般轨道结构。博格板式无砟轨道可用于3 0 0 k m h 的高速铁路，目前正在德 国纽伦堡至英戈而施塔特的新建高速线上铺设。 路基上的博格板式轨道从下往上，其层次的构成依次为：级配碎石构 成的防冻层( f s s ) 、3 0 c m 厚的水硬性混凝土支承层( h g t ) 、3 c m 厚的沥青 水泥砂浆层( c a 砂浆) 、2 0 c m 厚的轨道板，在轨道板上安装扣件。博格板 式轨道系统轨顶至水硬性混凝土顶面的距离为4 7 4 c m “1 。 预制轨道板是在预应力台座上生产出来的，混凝土强度等级为c 4 5 5 5 ， 可以采用普通混凝土或钢纤维混凝土。预制轨道板的横向为预应力钢筋， 纵向为普通钢筋，板与板之间在纵向通过伸出钢筋进行连接。采用这种预 制轨道板的轨道均匀性好、耐久性强，横向及纵向的抗滑移阻力高。标准 预制板为长度6 5 0 0 m ，板厚2 0 0 m 的单向预应力混凝土板，适用于路基、 桥梁和隧道中。 1 2 3 国内板式无砟轨道 我国板式无砟轨道的研制工作起步相当早。在1 9 3 4 年就曾铺设过混凝 土整体道床轨道，从1 9 6 5 年即开始在长大山岭隧道内大量采用混凝土整体 道床。北京地下铁道也全部采用了整体道床无砟轨道，并取得了较好的效 果。桥上无砟轨道主要研制了无砟无枕梁，并在九江长江大桥的混凝土引 桥上采用。8 0 年代初，为完善和发展整体道床轨道，开始积极研究并尝试 应用板式轨道。进入9 0 年代以来，为适应我国铁路高速行车，发展高速铁 路的需求，经过研究和开发，提出了可适用于隧道、桥梁和大型车站等地 段的弹性支承块式、长枕埋入式及板式轨道。 随着我国快速铁路的发展，我国无砟轨道的研制工作又步入了一个新 阶段。参照日本板式轨道，我国研制了自己的板式轨道，已经铺设在时速 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 0 0 k i n 的秦沈客运专线的桥梁上，如图1 - 4 所示。3 。 图卜4 秦沈线上板式无砟轨道的横断面示意图 在遂渝线无砟轨道综合试验段中，我国进一步研制和完善了自己的板 式轨道。在新北碚嘉陵江桥上铺设了纵联板式无砟轨道，如图卜5 所示， 其设计和施工难度可谓目前世界之最。在隧道路基上也研发和试铺了框架 型板式无砟轨道，如图i - 6 所示。 2 n 5砬j以j船5以，6 2 5卯52 琵l 晒； 7 ；0i ml jj牛十m 9 奇 如耋 鼍毒 b 二，簧， k每粤毒粤幸 帝十= j 刊 ， ； 十+ ? 弱 粤毒9 8 + 99 + = 气r l 图卜5 新北碚嘉陵江桥上铺设的纵联板平面示意图 一f厂弋一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 6 遂渝线无砟轨道综合试验段上框架板式无砟轨道 1 3 板式无砟轨道温度力研究国内外现状 1 3 1 国外研究状况 国外板式轨道研究比较成熟的国家日本和德国，都对板式轨道的温度 应力研究比较深入。 1 3 1 1 德国研究状况 在德国，在荷载组合计算时温度应力采用最大温差下对混凝土产生应 变，将其叠加到轨道板的受力变形中。温度应变的计算公式为： 一口。r ( 1 1 ) 式中：r 最大温度差( ) ； a 。混凝土的线膨胀系数。 由温度引起的应力为： 盯 一8 e c ( 卜2 ) 式中：e 混凝土的弹性模量。 在德国的无砟轨道板温度应力计算中，将考虑两种温度对轨道板的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 响，一种是轨道板整体的温度变化对轨道板产生的整体应力，另一种是轨 道板板面到板底的温度梯度变化对轨道板产生的局部应力。德国铁路规范 中，对于未进行天气影响防护的结构板部分，假定其沿厚度具有一个 0 5 k a m 的线性温度变化梯度6 1 。 1 3 1 2 日本研究状况 日本对轨道板的设计理论发展颇为成熟。日本板式轨道的研发始于 1 9 6 5 年，作为“新型轨道结构的研究”技术课题，日本铁道技术研究所组 建了新型轨道结构研究课题组，由轨道、轨道材料、建筑物、土质、物理 和有机化学研究室分别承担其研究工作。 日本板式轨道经历了由温暖地区向寒冷地区、普通轨道板向防震轨道 板、坚实基础向土质路基上长达2 0 多年的运营实践和不断完善，达到了设 计与施工的标准化和规范化。并于1 9 8 1 年和1 9 8 3 年先后编制了a 型轨道 板设计指南( 草案) 和板式轨道施工技术( 修订草案) 。迄今为止，它一直 作为日本板式轨道设计与施工的规范在实施”1 。 在温度对轨道板的影响研究方面，在温暖地区、严寒地区等在大量的 轨道板温度测量数据的基础上，已作了比较透彻的分析。 1 3 2 我国研究状况 我国由于对板式轨道的理论发展较为缓慢，目前没有对轨道板温度应 力的计算方法作规范说明，也没有对轨道板的温度变化作大量的测量。 随着遂渝线无砟轨道综合试验段工程的进展，对温度应力的计算理论 和计算方法已经有初步的成果。随着西南交通大学在遂渝线无砟轨道综合 试验段上实验的进展，对板式轨道温度应力的研究也将逐渐完善。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 本文研究意义 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 无砟轨道结构类型很多，主要可分为板式和枕式两大类。针对板式轨 道中，混凝土板直接受大气的影响而发生温度状况的日照温度变化、骤然 降温变化和年温度变化。水泥混凝土是体积敏感性材料，同时也是热传导 性能差的材料，温度状况的变化使混凝土板相应的出现伸长、收缩和翘曲 变形。这些变形受到钢轨、扣件等板上部结构，板下基层、接触面的摩阻 力、基层反力、板自重和相邻板等的约束作用时，板内便产生温度应力。 温度应力是混凝土板产生裂缝，影响轨道结构功能的重用因素之一。 温度骤降产生收缩应力可使早期强度较低的混凝土板开裂；而持续升 温则可使混凝土板或毗邻结构受到高压应力。正温度梯度( 板面向板底沿 厚度温度逐渐降低的梯度分布) 下产生的温度翘曲应力，可接近或者超过 列车荷载应力。轴向拉应力和翘曲应力共同作用往往是轨道板出现开裂破 坏的主要原因。 目前国内对此方面的研究甚少，设计人员一方面是参考国外的设计经 验，另一面是参考国内相关专业的方法进行设计，但其合理性和实际情况 相差多少多是个未知数。对于国外，轨道板温度荷载的考虑方法是：轨道 板上下面的温度差以0 5 k c m 线性分布来考虑计算。但实际上轨道板的温 度分布是非线性规律变化的。 本文的目的是分析温度荷载对轨道结构的受力影响，分析i 型无砟轨 道和纵联板式无砟轨道中温度应力分布和应力大小，以便为今后板式无砟 轨道设计提供参考方法。 1 4 2 本文主要研究内容 为了深入分析板式无砟轨道中温度应力的分布和大小，同时为设计人 员提供设计依据，本论文的主要工作如下： 1 实测出轨道板的温度及梯度分布 温度场的确定是否接近实际状态是计算结构温度应力的关键。国内外 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 对此进行了许多深入研究。针对轨道板的温度梯度分布，德国铁路规范中， 对于未进行天气影响防护的结构板部分，假定其沿厚度具有一个0 5 k c m 的线性温度变化梯度。在我国公路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 - - 2 0 0 4 ) 中， 温度沿桥面板的变化采用折线形式，具体可以参见该规范的4 3 1 0 条。但 实际上温度沿板厚度的变化是以曲线形式的非线性变化的。 同时设计板式轨道时轨道板的年温度变化大小，及轨道板最高温度与 当地最高气温的关系也是一个值得关注的问题。因此，为了能够更加精确 的分析温度应力，需要实测轨道板的温度及梯度分布。 2 采用力学分析方法，推导出温度应力的计算公式 通过合理的条件假设、采用力学方法推导温度应力的计算公式，为今 后设计人员的结构设计提供参考依据。 3 采用a n s y s 分析软件计算和分析温度应力 本文还将结合遂渝线无砟轨道综合试验段上的新北碚嘉陵江桥上铺设 无砟轨道的方案之一铺设普通p 4 9 3 0 型、普通3 9 2 0 型、普通框架4 9 3 0 型轨道板，采用大型通用有限元结构分析软件a n s y s 进行温度应力计算分 析，得出轨道板的应力大小和分布特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章板式无砟轨道结构及轨道板温度测试 2 1 日本板式无砟轨道结构 日本板式轨道在发展过程中，为了适应不同地条件发展了很多类型。 目前比较常用的有普通a 型轨道板、框架型轨道板、用于特殊减振区段上 的防振g 型轨道板以及早期用于路基上的r a 型轨道板等。 图2 - i 普通a 型轨道板 图2 - 2 框架型轨道板 日本板式轨道结构从上至下主要由以下几部分组成：钢轨、扣件系统、 轨道板、板下胶垫( 防振型轨道板有) 、c a 砂浆、凸型档台、混凝土基础。 廿 图2 - 3 普通a 型轨道板横断面图 2 1 1 钢轨及钢轨扣件 日本新干线板式轨道使用6 0 k g m 焊接长钢轨轨道。 钢轨扣件是唯一能传递行驶列车的横向力的同时，还能简单整正轨向 1 l 禹1 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 和高低，以及为减小轮轨系统的动力作用和减振降噪提供必要的良好弹性 的轨道组成部件。 日本新干线板式轨道所用的扣件主要是有直结4 型( 如图2 4 ) 、直结 5 型和直结8 型( 如图2 - 5 ) 。直结4 型用于不漏水的隧道直线地段，而直 结5 型和直结8 型用于露天区间的直线和曲线地段及隧道的曲线地段，目 前直结5 型很少采用埘。 一 玉丑 碴 l j ll l 图2 - 4 直结4 型扣件图2 - 5 直结8 型扣件 板式轨道钢轨扣件的最大特点是再轨下除设置一层轨下胶垫外，还采 用一层可调衬垫。可调衬垫是在聚乙烯袋内用小型压缩机压入适量的环氧 衬脂，2 3 h 就可硬化，用以弥补轨道板与轨底之间的间隙。 2 1 2 轨道板 轨道板是把来自钢轨和扣件的轮载均匀的传给水泥沥青砂浆，并且把 轨道纵向荷载和横向荷载传递给混凝土凸形挡台。 轨道板与混凝土基础及基床一起承担荷载的作用。它是一种传力结构， 将大部分的列车荷载传递到其下的混凝土基础和基床上。同时也是一种受 力结构，也承担列车荷载通过钢轨扣件传下来的力而引起的弯矩。 板式轨道结构的设计，是把水泥沥青砂浆作为弹性垫层，并把钢轨和轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 道板作为弹性支承上的叠合梁处理的：或者采用弹性地基板理论进行设计； 或者把钢轨作为梁，轨道扳作为平板采用有限元法处理。 轨道板的尺寸现在基本定为4 9 3 0 m x2 4 0 0 m m x1 9 0 m ，每一标准长2 5 m 的钢轨配置5 块轨道板，板间留有7 0 咖的调整缝和伸缩缝。轨道板两端留 有半径为3 0 0 m i 的半圆缺口，以与设计在混凝土基床上的凸形挡台嵌合， 用以阻止轨道板的纵横向移动。每块轨道板上布置8 个扣件节点，间距为 6 2 5 砌。 此外，为满足板式轨道施工的要求，在轨道板上还设有定位螺母、起吊 螺母、砂浆灌入孔等功能。图2 - 6 为遂渝线上使用的普通a 型轨道板。 图2 - 6 遂渝线上使用的普通a 型轨道板 2 1 3 板下胶垫 对于防振型轨道板，主要是在轨道板的下面粘贴橡胶垫板，橡胶垫板 由于弹性系数比较小，减震效果明显。图2 - 7 是遂渝线上使用的板下胶垫。 图2 - 7 遂渝线上使用的普通a 型轨道板板下胶垫 西南交通大学硬士研究生学位论文第14 页 2 1 4o a 砂浆层 在轨道板与混凝土基床之间填充的乳化沥青水泥砂浆垫层( 也就是c a 砂浆或c 胧) ，相当于有砟轨道的道砟层，以与枕下道砟层有相同的弹性作 用为宜。作为有此作用的材料，应以对列车行走的破坏影响极小，耐久性 强，成本低廉为c a 砂浆的开发原则。水泥灰浆具有强度高和耐久性长久的 优点，但弹性效果差；而乳化沥青的耐久性虽差，但具有粘性和富于弹性。 因此，采用了将两者结合起来的c a 砂浆，其材料是由特殊沥青乳剂、水、 水泥和细固料拌合而成的半刚性体。这样，这不仅给轨道以适当的弹性， 可填充轨道板与混凝土基床之间的空隙，还能同钢轨扣件一起用以整正轨 道高低不平顺部分。 c a 砂浆是阳离子乳化沥青砂浆，它由水泥、沥青乳剂、掺合材、水、 砂和多种外加剂组成。它作为板式无砟轨道轨道板和基座之间的填充垫层， 兼顾了水泥和沥青一刚一揉的特性，起一种减振隔噪的作用。c a 砂浆最大 厚度为l o o m m ，最小厚度为4 0 m ，建造时c a 砂浆的施工厚度为5 0 m m 4 - l o n n n 。 在重轮的作用下，轨道板的中部挠度为0 0 6 1 r a m ，该值即为c a 砂浆垫层的 受压变形。作为设计值用的c a 砂浆的弹性系数采用尼= 1 2 5 k g f c m 3 ： 1 2 2 5 n c m 3 。因而c a 砂浆垫层的压应力口。= 1 0k g f c m 2 - 9 8 n c m 2 。设计抗 压强度口= 1 0k g f c m 2 = 9 8 n c m 2 甜。 另外，要求轨道板与c a 砂浆之间的摩擦系数 0 3 5 。因为钢轨和车轮 得摩擦系数采用了启动时为0 3 5 ，制动时为0 2 ，所以可以认为在始动和 制动，轨道板不会发生位移。 2 1 5 钢筋混凝土基础 混凝土基床仅仅是在露天区间的曲线地段为调整和设置超高才修筑的， 而在直线地段上则没有但考虑到隧道超挖、回填辗压不够等因素，基床更 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 是不可缺少的。混凝土基床作为轨道板的基础，它的作用可概括为：1 ) 为 了隧道超挖回填和仰拱之间能用混凝土旋工；2 ) 为了能够获得厚度均匀的 水泥沥青砂浆垫层，以使轨道弹性均衡：3 ) 为了设爱曲线超离。至于混凝 土基床下的结构，对土质不良的岩体应修建仰拱或底盘，对地质条件良好 的地段可在均匀混凝土上直接修建混凝土基床。 混凝土基床按弹性基础粱或板计算，并且在现场接地灌注而成。其结构 设计应考虑到高架桥受力变形时对基床的影响，以及地质条件、气候条件 的影响，此外还应考虑到混凝土干燥收缩和施工性能等因素的影响，可根 据钢筋混凝土结构设计规范，采用标准化过程。 混凝士基础的截面尺寸一般采用2 0 0 n y x2 8 0 0 m m ，至于混凝土的厚度应 视隧道围岩类别而在2 0 0 3 0 0 m m 之间选用，在高架桥上应考虑到梁的挠曲 及混凝土凸台配合所需要的厚度，原则上应大于2 0 0 哪，这是由于考虑到基 床的厚度若不足，当承受弯曲时，基床就会比挡台先发生破坏之故。 2 1 。6 凸型挡台 对于板式轨道，为把轨道的纵向荷载和横向荷载传给基础，在轨道板 两端的中间，设有半径为2 5 0 1 m 、高度为2 5 0 n 砷的混凝土凸形挡台，与混凝 土基床灌注成为一个整体。设置凸形挡台，有助于固定轨道板的纵向和横 向位置，同时又可作为板式轨道铺设和整正时的基准点。轨道板与凸形挡 台之间最早是用c a 砂浆填充，当后来c a 砂浆的弹性模量提高以后，就采用 橡胶衬垫作为缓冲材料填充。凸形挡台部分树脂( 聚亚胺酯系) ，主材加硬 化剂的两种液体混合型，弹性常数1 0 2 m n ，硬度5 0 以上“。 混凝土凸台属于圆形截面，可按悬臂受弯构件设计，并沿周边采用1 2 巾1 2 1 1 级螺纹钢筋均匀配筋，主筋埋于混凝土基床中，采用c 3 0 级混凝土， 现场浇筑“”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 板式轨道的技术要求 2 2 1 路基上板式轨道 ( 1 ) 日本既有线铁路土质路基上的板式轨道道床结构，曾用沥青混凝作为 r a 型板式轨道的承力层。由于沥青材料的温度敏感性高，耐久性相对较差， 后用钢筋混凝土替代了沥青混凝土。借鉴国外成功经验，在路基面构筑的 混凝土支承层上，直接构筑混凝土底座与凸形挡台( 如图2 8 ) 。厚度与宽 度范围应根据结构承载能力、荷载传递特性及道床厚度确定。经计算，路 基上支承层宽度为3 2 0 0 3 8 0 0 咖，厚度根据支承条件来计算确定，但不得 小于3 0 0 m m 。每隔2 个板单元设1 个横向伸缩缝，宽度为2 0 m ，用沥青板 填充。 图2 - 8 路基上板式轨道( 单位：m m ) ( 2 ) 由于板式轨道底座直接构筑在凝土支承层上，因此在过渡段区域的混 凝土支承层，应预埋与底座间连接的钢筋。 ( 3 ) 为防正地面水渗入路基，对混凝土支承层两侧的路基面，应采取沥青 混凝土封闭或其他防水措施。在施工过程中，还应注意支承层两侧与防水 层搭接处的防水处理。 2 2 2 隧道内板式轨道 与路基、桥梁相比，隧道基础为无砟轨道的应用提供了较好的承力层， 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 除过渡段外，与路基上的无砟轨道相比要简单得多。此外，还具有隧道内 温差小、紫外线强度弱的优点。借鉴日本板式轨道在隧道内的应用经验， 以及我国赣龙线枫树排隧道板式轨道试验段的研究成果，可以得出隧道内 无砟轨道底座与凸形档台可以直接在隧道基底回填层上构筑的结沦。图2 9 为隧道内板式轨道。 图2 - - 9 隧道内板式轨道横断面图( 单位：m a n ) 隧道内扳式轨道底座混凝土伸缩缝的设置：洞内每3 个轨道板单元处 ( 约1 5 m ) 设置1 个；洞口向内延伸2 0 0 m 范围内，约每5 m 处设置1 个。 为保证与隧道沉降缝变形协调，在沉降缝处，底座对应设置伸缩缝。 双线线路中心积水可通过底座内预埋横向排水管与外侧水沟相连来解 决。排水管的直径及设置间隔则根据隧道具体水文情况确定。 2 2 3 桥上板式轨道 轨道在路基纵向可以认为是不移动的，但是桥梁由于制动力、起动力 和温度荷载会产生纵向位移。无砟轨道在与桥梁进行力的传递时，在桥梁 上部结构和轨道上部结构的过渡区，会因为端部的扭转及下部的变形在轨 道上出现向上的力。图2 1 0 为桥上板式轨道。 秦沈线狗河、双何特大桥上板式轨道的底座直接在桥面上构筑。为保 证无砟轨道结构与梁体的可靠连接，实现梁体与无砟轨道道床间结构变形 的协调，在混凝土底座范围内的桥面，应设置一定数量的连接钢筋。链接 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 钢筋的数量应根据无缝线路纵向力的大小及无砟道床与桥面间的摩擦力大 小来确定。 图2 1 0 桥上板式轨道横断面( 单位：m m ) ( 1 ) 底座每隔1 个板单元设1 个横向伸缩缝。 ( 2 ) 由于板式轨道为平板，线路的竖曲线只能通过底座、c a 砂浆调整层 的厚度，以及扣件垫板进行设计。设计中应根据竖曲线半径的大小，尽量 通过底座和c a 砂浆调整层进行设置，为扣件留出足够的调整量，以利于后 期对轨道状态的调整。 根据桥上无砟轨道技术条件要求，应尽量减小梁端转角和变形对扣件 系统的影响，轨道板道床板结构端部距第一个扣件点中心，必须控制在 2 5 0 m 以上。 2 3 板式轨道的温度测试 工厂预制的无砟轨道轨道板虽具有很高的质量标准，但在施工和运营 使用过程中也存在着一些问题，从秦沈线的沙河、狗河特大桥上轨道板目 前的状况和遂渝无砟轨道目前轨道板的一些情况来看，这些问题主要有轨 道板与c a 砂浆及板下橡胶的分离、轨道板的翘曲、轨道板开裂等。轨道 板的这些问题无一不与一个因素有关，即轨道板的温度。轨道板的温度主 要指两个方面：一方面是轨道板整体的温度升降，这使轨道板发生整体的 西南交道大学硕士研究生学位论文第19 页 伸缩；另一方面是轨道板沿其高度方向的温度递交即温度递度，这是轨道 板发生翘曲、表层开裂和板底分离的主要原因。 为了研究温度对轨道板的影响，我们对轨道板的温度作了全天的测量， 总结了轨道板温度的变化规律。 2 3 1 测试概况 ( 1 ) 测试时间：2 0 0 6 年7 月2 7 日，6 ：o o 1 6 ：o o 。 ( 2 ) 测试地点：重庆市北碚区中铁八局轨道板制造厂。 ( 3 ) 测量人：王森荣。 ( 4 ) 测试工具：红外线测温枪、钢尺、手表等。 ( 5 ) 最高气温：3 8 ，晴天。 ( 6 ) 清晨，早上6 点钟未出太阳时，轨道板的整体温度为2 5 。c 。 测试条件：轨道板架空放置，上下表面均与空气接触，且通风良好。 2 3 2 普通a 型轨道板测量结果 ( 1 ) 轨道板上测试点布置位置和与太阳的相对位置情况，如图2 - 1 1 所示。 7 争 ? ，磊、文 、 ，j 、：、 图2 - - 1 1 轨道板上测试点布置位置和与太阳的相对位置 、驽 。 髟 p 蓍竺 4 0 茎 嚣 1 5 1 ： 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( 2 ) 2 # 点轨道板板中温度测量结果 p 鞲 荔嚣 4 0 嚣 嚣 1 5 1 5 0 o 图2 1 2 轨道板板中温度测量结果图 ( 3 ) 1 # 、3 # 点轨道板的温度测量结果 681 01 21 41 61 82 02 22 42 6 2 8 3 0 时间b p 喏 嚣： 柏 嚣 茎 1 5 1 ： 0 图2 一1 31 # 轨道板温度测量结果图图2 1 43 # 轨道板温度测量结果图 ( 4 ) 测量结果结论： 1 ) 在当地最高气温为3 8 时，轨道板在目光的直射下，板面最高温度为 5 3 5 5 ，发生在下午1 3 1 5 点。此时，轨道板板底温度为3 9 4 2 ， 轨道板上下表面的温差最大，最大值为1 0 1 3 。 2 ) 在当地最高气温为3 8 时，轨道板在日光的直射下，轨道板发生最大温 差时，板中的差值最大达1 3 ，四周偏小达1 0 ；由此可知，轨道板 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 p 5 0 羹4 s 柏 筠 3 0 衢 1 5 1 0 5 o 面各点的对应的上下表面温差都比较接近，不超过3 的差值。 3 ) 钢筋混凝土的轨道板，在清晨未出太阳时，轨道板的上下表面的温度相 同，也就是说轨道板由白天太阳直射引起的温差经过一个晚上的降温和 调节，在第二天的清晨可以恢复到原来的状态。 2 3 3 框架型轨道板测量结果 ( 1 ) 轨道板上测试点布置位置和与太阳的相对位置情况，如图2 一1 5 所示。 7 i 。j 图2 - 1 5 框架型轨道板上测试点布置位置和与太阳的相对位置 ( 2 ) a 、b 、c 、d 、e 、f 点轨道板板中温度测量结果 p5 0 蓑4 s 4 0 3 5 3 0 衢 2 0 1 5 1 0 5 0 图2 - 1 6a # 点轨道板温度测量结果图2 1 7b # 点轨道板温度测量结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 p5 0 霸4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 一c # 点轨道扳上表面温度 时间h 图2 - 1 8c # 点轨道板温度测量结果 p 磊4 5 柏 3 5 2 5 2 0 1 5 1 0 5 o p5 0 羹4 5 4 0 a 5 2 5 1 5 1 0 5 o 图2 - 1 9d # 点轨道板温度测量结果 图2 2 0e # 点轨道板温度测量结果图2 2 1f # 点轨道板温度测量结果 ( 3 ) 测量结果结论： 1 ) 在当地最高气温为3 8 时，框架型轨道板在日光的直射下，板面最高温 度为5 0 5 3 c ，发生在下午1 3 1 5 点。此时，轨道板板底温度为3 9 4 2 ，轨道板上下表面的温差最大，最大值为1 0 1 3 。 2 ) 框架型轨道板的a b c d e f 各个区域的板面与板底最大温差均为1 0 1 34 c 。 3 ) 钢筋混凝土的轨道板，在清晨未出太阳时，轨道板的上下表面的温度相 同，也就是说轨道板由白天太阳直射引起的温差经过一个晚上的降温和 调节，在第二天的清晨可以恢复到原来的状态。 箱帅罅笛侣伯o o p 髓赠 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 2 3 4 温度梯度测量 ( 1 ) 轨道板上测试点布置位置和与太阳的相对位置情况，如图2 - 2 2 所示。 o 二，一 孑_ p ：、 图2 - 2 2 轨道板上测试点布置位置和与太阳的相对位置图 ( 2 ) 轨道板板中边缘处温度测量结果 ( 3 ) 测试结论分析： 1 ) 轨道板温度在1 5 ：0 0 左右的时候最高，并且这个时候的温度变化速率最 大。 2 ) 轨道板边缘的温度梯度凿线，可以认为是线性分布的。本试验测量无法 对轨道板中进行测量，但根据混凝土结构的传热特性和其他一些现场实 测资料，近似为指数函数规律变化的非线性曲线。 ( 4 ) 测量的原始数据 斟盛髭科靳柏档盯锥牾船驼卅柏 p 避蛹 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 表2 - i 轨道板边缘温度梯度测量数据 距扳砸的距离测试温度( 单位：) 单位：c m1 3 ：3 51 4 ：1 51 4 ：5 51 5 ：4 5 0 4 7 35 0 35 2 85 0 4 1 4 6 9 5 0 1 5 2 6 5 0 3 2 4 6 54 9 15 1 9 5 0 1 3 4 5 9 4 8 5 5 1 5 4 9 1 44 5 64 7 55 0 94 8 9 5“74 6 55 0 44 8 3 6 4 4 24 6 04 9 74 7 8 7 4 3 5 4 5 64 9 34 7 ，3 84 3 1“84 9 24 6 5 94 2 7“54 9 o4 6 4 1 04 2 14 3 64 8 74 5 9 l l4 1 84 3 44 8 54 5 8 1 24 1 54 3 14 8 14 5 5 1 34 1 14 3 04 8 o4 5 o 1 44 1 04 2 6 4 7 5 4 4 8 1 5 4 0 9 4 2 54 6 84 4 2 1 64 0 74 2 o4 6 64 3 9 1 74 0 64 l _ 64 6 34 3 7 1 84 0 44 1 74 6 04 3 4 1 9 3 9 4 4 0 o 4 5 4 4 2 2 2 3 5 小结 通过对轨道板一天的温度实测，得出以下几点结论以供在温度应力计 算时作参考： l 、夏天轨道板面的最高温度出现在1 5 ：0 0 左右的时候，也即比出现最 高气温时候的1 4 ：0 0 晚1 小时。 2 、轨道板整体的最高温度与当地当天的最高气温相差不大，可以以当 天最高气温取值。 3 、轨道板的温度梯度可以近似的按0 5 c m 考虑取值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 4 、对于框架型轨道板，与普通轨道板类似，没有明显的差别。最高温 度出现的时间和大小及轨道板的温度梯度大小也与普通轨道板一样。 由于测试条件所限，测试时仅对架空的轨道板的上下表面进行温度测 试，因轨道板下表面与空气良好接触，因此下表面的温度实际上是气温， 这与轨道板实际铺设的情况有很大差别。当轨道板铺设上道时，轨道板下 表面被封死，因此实际的温度梯度比本文的测试结果大。另外，由于框架 板与空气的接触面积较大，与空气有良好的热交换，所以实际铺设的框架 板的温度梯度比普通板的小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 第3 章板式无砟轨道板温度应力计算方法 3 1 温度荷载的类型与特点 轨道板结构由于自然环境条件变化所产生的温度荷载一般可分为以下 三类：日照温度荷载、骤然降温荷载和年温度荷载。 三类温度荷载的特点可以归结为表3 - i 所列。“。 表3 - i 三类温度荷载的特点 3 1 1 日照温度荷载 轨道板在太阳照射下，其上表面温度高，下表面温度低，由于混凝土 的热传导性能差使轨道板在厚度方向上存在温度梯度，轨道板发生热胀冷 缩的性质致使轨道板发生翘曲变形。 轨道板的变形受到四个方面的约束作用：轨道板的自重，它约束板 中部向上拱起或板四端向上翘起：板下基础的反力，它约束轨道板四端 的向下位移或板中部的向下位移；相邻轨道板或轨道结构的抑制作用， 它约束轨道板的伸长和翘曲变形；轨道板的自身约束，即轨道板温度梯 度的非线性分布导致轨道板存在附加内应力。前两方面的约柬，使轨道板 产生翘曲应力，板顶温度大于板底温度时，板底面出现拉应力；而板顶温 度小于板底温度时，板顶面出现拉应力。 西南交通大学碛士研究生学位论文第2 7 页 3 1 2 骤然降温荷载 骤然降温的温度应力是强冷空气的侵袭作用或突然的降雨或突然的冰 雪等作用，造成轨道板面的温度骤然降低而引起的。这种降温温度变化较 日照温度变化要缓慢一些。因而造成的温度应力也比日照温度应力小。它 与日照温度荷载相反，轨道板呈现板面温度低板底温度高的状况。同样它 也使轨道板存在翘曲应力和附加内应力。 3 1 3 年气温荷载 年温度的变化是指气温随季节发生周期性的变化，冬冷夏热。混凝土 结构物由于年温变化所引起的结构温度变化，因其是长期的、缓慢的作用， 使得结构物整体发生均匀的温度变化。所以，在考虑年温对结构物的影响 时，均以结构物的平均温度为依据。一般规定以最高与最低月平均温度的 变化值作为年温度变化幅度。年温变化只引起轨道板的均匀伸缩，但是相 邻轨道板或轨道结构的抑制作用，约束轨道板的伸长或缩短，导致轨道板 产生伸缩应力。 3 1 4 温度梯度的变化规律 温度场的确定是否接近实际状态是计算结构温度应力的关键。国内外 对此进行了许多深入研究。德国铁路规范中，对于未进行天气影响防护的 结构板部分，假定其沿厚度具有一个0 5 k c m 的线性温度变化梯度。在我 国公路桥涵设计通用规范( j