成灌铁路无轨道纵向连接结构设计

成灌铁路无轨道纵向连接结构设计

1城际客运铁路成都至都江堰铁路（以下简称成灌铁路）位于成都。这是一条连接成都中心和都江渡市的铁路，主要为该市居民提供住宿服务，同时为该地区的直接客运和客运客流提供200公里的客运铁路。同时，它也是受害者和最后一座城市在“5.12”汶川地震后重建的主要项目。2板式无轨道结构我国高速铁路常用的无砟轨道结构型式有CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式和CRTSⅠ型双块式等结构型式。从目前无砟轨道的建设及运营经验可以看出,双块式和板式无砟轨道各有优点。路基地段单元板式无砟轨道采用预制板,施工速度快,可维修性强,采用预应力轨道板耐久性好;纵连板式无砟轨道采用打磨的带预裂缝的预制板,板间进行纵向连接,但板间连接处容易开裂,采用支承层结构降低造价;双块式无砟轨道结构连续,道床板和新、旧混凝土界面容易产生裂纹,但采用支承层结构降低造价。吸取每种结构的优点,研究开发一种新型板式无砟轨道(CRTSⅢ型)结构,使其具有良好的受力状态、经济性、施工性、可维修性及耐久性。路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道结构研究思路为:采用预制的双向预应力轨道板,消除轨道结构表面裂纹,提高轨道结构耐久性,加快施工速度,提高轨道结构可维修性;采用板间连接机构将轨道板纵向连接,提高轨道整体性;为了放散纵连轨道板的温度应力,板间填充材料采用弹性材料树脂砂浆,使轨道板能够合理伸缩,同时板间不产生裂纹;板下灌注混凝土作为填充层,将轨道板和灌注的混凝土浇注成为一个整体,提高参振质量,降低轨道板下部基础的振动;下部结构采用支承层,降低无砟轨道的造价。CRTSⅢ型板式无砟轨道从上往下由钢轨、扣件、轨道板(带承轨槽)、自密实混凝土、支承层及板间连接系统等组成,并适应ZPW-2000轨道电路的单元轨道板无砟轨道结构型式,如图1所示。3预应力纵连的应用轨道板采用2种连接方式——预应力纵连和普通纵连。轨道板连接为整体后,在整体降温情况下,轨道板受拉,容易导致板缝处开裂。预应力纵连,在板间采用连接套筒与板中纵向预应力钢筋进行连接,通过现场后张预应力使板缝处砂浆处于受压状态,同时采用具有较好弹性的填缝材料,以保证最低温度下板缝不开裂,增强结构的耐久性。此外,在板间增加连接钢板,使板缝处具有较强的抗剪和一定的抗弯能力,基本消除单元板式轨道板间的承力薄弱环节。路基上普通连接通过板内设置的6根纵向连接钢筋进行纵连。3.1预应力轨道板板间连接装置设计轨道板采用双向预应力结构,L(A)型现场施加纵向预应力,L(B)型板厂完成施加纵向预应力,共有P5350和P48562种规格,板宽为2500mm,板厚为190mm。扣件间距分别为687mm和617mm。轨道板下设置U型连接钢筋。后张预应力轨道板板端设置后张预应力纵向连接装置,包括预应力钢筋连接套筒和剪力板。普通纵向连接轨道板,板间连接器连接轨道板内6根HRB500ϕ20纵向钢筋。板缝一般按60mm设置,局部可以调整,调整范围为50～80mm。板缝间填充树脂砂浆。3.2钢板连接器安装轨道板间通过套筒连接器连接预应力钢筋,套筒连接器材质为30CrMnSi,或选用等同于预应力钢筋抗拉强度的材料;钢筋端头螺纹为M14×1.5,并在轨道板精调后分单元采用后张法施加纵向预应力,预应力值为122kN。在板端填充树脂砂浆使轨道板形成整体结构。连接方法为:每3块轨道板为一个锚固单元,如图2所示。铺设轨道板时应先将套筒连接器全部统一安装在轨道板小里程端或者大里程端,然后铺设轨道板。轨道板精调完成后在轨道板端非锚穴区域充填树脂砂浆。树脂砂浆灌注完成强度达到10MPa后用套筒连接器连接预应力钢筋,如图3所示。张拉单元内预应力钢筋连接完成后,采用锚具锁定张拉单元端部预应力钢筋,并采用千斤顶校核板端预应力钢筋张拉力。轨道板端部设置钢板连接器传递轨道板间剪应力,如图4所示,使用紧固螺栓将钢板连接器组合在一起,如图5所示。剪力板钢板材质为Q235,紧固螺栓的强度等级为10.9级以上。3.3纵向拉拔板端区域的划分轨道板使用连接器连接6根HRB500ϕ20纵向钢筋,纵向连接钢筋两端设置M20×80螺纹。对锁紧螺帽施加扭矩使纵向连接钢筋产生40kN的纵向拉力,锁紧螺帽连接顺序是“先中间、后两边”。轨道板缝60mm时,使用110mm长连接器;其余非标准板缝地段应加长或减短连接器的长度,保证纵向连接钢筋连接可靠。计算表明,在轨道结构整体降温30℃时,板端产生的最大裂缝达0.545mm。因此在板缝处需采取相应的措施,在砂浆与轨道板连接处预设假缝,同时为防止支承层开裂和水下渗,在板缝处支承层上设置防水隔离层。4板之间的垂直连接分析在检算预应力纵向连接结构时,需对剪力板和树脂砂浆进行检算。普通纵连结构需检算板间填缝材料的裂缝宽度和连接钢筋的应力。4.1后面是预制垂直连接4.1.1考虑板缝处金属吊的数值计算结果纵连板间树脂砂浆弹性模量为300MPa,在板间设置的剪力板钢板高120mm,长135mm,厚16mm。假设接缝处形成空隙,在此情况下应保证接缝处荷载的有效传递。考虑板缝处产生10mm深的空吊时,计算模型如图7所示。计算结果表明:当增加钢板后,随着板下空隙的增加,连接处最大弯矩随板下空吊的增加也是先增加然后减小,同样在板下空吊为6mm时达到最大,为101.31kN·m,此时,连接处最大剪力为19.83kN。(1)最大剪应力的计算按最不利情况进行检算,考虑剪力完全由焊缝来承担,取最大剪力19.83kN对剪力板结构焊缝进行检算。板前焊缝受力及检算图如图8所示。在剪力作用下,焊缝结构承受的最大剪应力计算公式为:τ=F∑hele(1)τ=F∑hele(1)式中:F——全部焊缝所承受的剪力;Σhele——焊缝有效截面之和。取焊脚尺寸hf=10mm,则焊缝最大剪应力为16.53MPa。板后焊缝受力及检算图如图9所示。取焊脚尺寸hf=6mm,则焊缝最大剪应力为16.53MPa。可以看出:在剪力作用下,焊缝所受的剪力为16.53MPa,小于其抗剪强度,不会产生破坏。(2)预埋连接剪力板混凝土引起的弯矩m由剪力板结构可知,剪力板的抗弯刚度为593280N·m2,树脂砂浆的抗弯刚度为428687.5N·m2,则剪力板承受的弯矩为接缝总弯矩的58%。预埋连接剪力板的抗弯刚度为1.092MN·m2,其余混凝土的抗弯刚度为51.442MN·m2,则剪力板背部钢筋承受的弯矩为总弯矩的2.1%,则剪力板背部钢筋焊缝的弯应力为14.8MPa,小于焊缝的抗拉强度。以板前焊缝作为控制条件,若焊缝强度按180MPa计算,则容许的弯矩为8.6kN·m,考虑树脂砂浆参与抗弯,板缝处容许弯矩为14.8kN·m,因此板缝处容许的最大缺陷长度为1m。(3)混凝土强度的影响根据轨道板端部构造可知,剪力板基板承受的弯矩为接缝总弯矩的97.9%。则剪力板基板背后混凝土的最大弯应力为6.5MPa,已超出C60混凝土的抗拉强度3.5MPa。若以预埋连接剪力板背后的混凝土抗拉强度作为控制条件,则容许弯矩为54.3kN·m,板缝处容许的最大缺陷长度为3m。根据焊缝和板后混凝土的抗拉强度为控制指标,则板间缺陷的最大容许长度为1m。可见在板间存在缺陷时,剪力板起到了承受部分弯矩和剪力的作用,对维持轨道整体性有一定的帮助。4.1.2树脂砂浆、自虚实混凝土、轨道板不开裂因为树脂砂浆相对于混凝土具有弹性模量较小、延展性较好的特点,能使轨道在纵向具备“柔性纵连”特性。根据温度力计算方法,考虑到轨道板的开裂及变形将主要集中于填缝处,可按单元板温度力的计算方法进行计算。当温度升高时,板缝处填充砂浆被压缩,此时填充砂浆的抗压刚度为:kx=Eabh(2)kx=Eabh(2)式中:E——树脂砂浆弹性模量,此处取300MPa;a——填缝宽度,此处取60mm;b——轨道板宽度,取2500mm;h——填缝深度,此处取为与轨道板同厚,即190mm。则升温时的约束刚度kx=1583kN/mm。降温时,若树脂砂浆、自密实混凝土、轨道板不开裂,按树脂砂浆受拉最不利工况计算,不考虑扣件和板底摩擦的影响,根据所提出的温度力计算方法,可得:(E1bh1+E2bh2)αΔtl-xl=Exabh(3)式中:E1——轨道板弹性模量,此处取36000MPa;E2——自密实混凝土弹性模量,此处取32500MPa;a——填缝宽度,此处取60mm;l——轨道板长度,此处取5350mm;h1——轨道板厚度,此处取190mm;h2——自密实混凝土厚度,此处取100mm;b——轨道板宽度,取2500mm;h——填缝深度,此处取为与轨道板同厚,即190mm;x——树脂砂浆拉伸(或压缩)量。当轨道板整体降温24.1℃时,树脂砂浆拉伸量为0.86mm,轨道板的拉应力为2.88MPa,自密实混凝土的拉应力为2.72MPa,树脂砂浆的拉应力为4.31MPa。此时树脂砂浆与轨道板的粘结已破坏,接缝处已开裂。若以C60混凝土的抗拉强度3.5MPa来确定树脂砂浆的最大拉应力,则树脂砂浆接缝处允许的最大拉伸量为0.7mm,设剩余的拉伸量为x,则有:(E1bh1+E2bh2)αΔtl-0.4-xl=3.5bh(4)把上述参数代入式(3),得x=0.24mm,对应的树脂砂浆的应变为0.4%。若考虑在树脂砂浆层施加预应力,由于施加在板间砂浆的最大预压力为859.1kN,树脂层的预压应力为1.81MPa。此时,树脂砂浆的最大拉应力为2.5MPa,小于C60混凝土的抗拉强度,可保证接缝处不开裂。由以上计算可知,在轨道整体降温24.1℃时,若保持板缝不开裂,通过轨道板中的预应力钢筋施加预应力,则树脂砂浆拉应力未超过混凝土抗拉强度,接缝不开裂。考虑到以上计算均是树脂砂浆的平均应变,未考虑轨道板与树脂砂浆粘结面的应力集中,为留有一定的安全余量,树脂砂浆在受到2.5MPa拉应力时,延伸率应大于1%。4.2轨道板钢筋拉伸刚度该设计在板间用6件连接器将6根ϕ20的普通钢筋连接,在板端一定长度范围(1.2m)内钢筋与混凝土间允许产生相对滑移。当轨道结构整体降温时,若不考虑树脂砂浆、自密实混凝土、轨道板开裂,计算方法与预应力纵连相同,树脂砂浆在受到3.5MPa拉应力时,应产生至少0.4%的延伸率。检算钢筋强度时,考虑最不利工况,即树脂砂浆全断面开裂,仅钢筋起到连接作用,轨道板的约束刚度仅为6根ϕ20普通钢筋的拉伸刚度:kx=EsAsls(5)式中:Es——钢筋弹性模量;As——钢筋的总截面积;ls——钢筋可纵向活动的长度。当轨道板降温时,连接钢筋应力采用下式计算:(E1bh1+E2bh2)αΔtlb-δlb=Esδ2lsAs(6)式中:As——钢筋截面积;lb——轨道板锚固钢筋长度;Δt——轨道板内温度升降幅度;δ——钢筋锚固端板的位移。当轨道整体降温24.1℃时,经计算,连接钢筋上的应力为59.9MPa,未达到钢筋的屈服极限,满足设计要求。4.3预应力对树脂砂浆拉应力的影响由以上计算可以看出,采用预应力纵连,由于在板缝处采用剪力板结构,增强了轨道的整体性,这种结构可以在板间有宽度为1m的空隙时保持结构的连续性。为使轨道不开裂,在板缝处填筑了树脂砂浆,不施加预压力的条件下,树脂砂浆在3.5MPa(C60混凝土抗拉强度)的拉应力下需产生0.4%的延伸率;利用轨道板预应力钢筋施加预压力后,树脂砂浆的拉应力为2.5MPa,小于混凝土的抗拉强度,接缝不开裂。可见,施加预应力可以降低对填缝材料的要求。普通纵连,在板间采用连接器与板端预留纵连钢筋进行连接,这种设计现场实施方便,可操作性强,但由于在板间无法施加较大的预压力,因此降温时板间会出现开裂,设计中除采用具有较好延展性的填缝材料外,还应考虑一定的构造措施和防水措施,避免裂缝过大影响结构的耐久性。5