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1、高速铁路无砟轨道设计理论进展刘学义 戴烽 赵平瑞高速铁路工程教育部重点实验室，西南交通大学，成都 610031，中国摘要：相对而言，中国高速铁路无砟轨道创新研究的成就在世界上无砟轨道设计理论中备受关注。对列车荷载作用的计算方法和参数，热效应，以及高速铁路无砟轨道路基变形，连同结构设计方法进行了总结。最后，给出了对未来工作的一些建议。关键词：高速铁路；无砟轨道；设计理论1. 简介 由于不同的发展背景，无砟轨道结构形式和设计理论世界各地是不同的。在日本，板式轨道通常放在坚实的基础上，如首先放在桥梁或隧道，后来逐渐发展到土质路基上。日本的设计理论采用单元设计，考虑列车荷载的影响。德国首先把无砟轨道放
2、在土路基，然后放在桥梁和隧道的基础上。无砟轨道连续结构要考虑热效应。中国早期的无砟轨道主要铺设在隧道中，主要考虑列车荷载的影响。随着无砟轨道应用的日益完善，高速铁路无砟轨道的创新研究，已经逐渐形成一套相对通用设计理论和结构体系。本文基于中国的无砟轨道创新研究成果综述了计算方法和参数，以及结构设计的过程还有简要的介绍了设计理论。最后，对未来工作提供一些建议，包括列车车和温度载荷的耦合作用下疲劳特性，耐久性、长期动力特性和无砟轨道的维护机制。2. 无砟轨道设计综述理论在日本板式轨道的设计中，列车荷载的影响是一个倍受关注的问题。采用弹性设计方法，对生产、吊装和轨道等的建设过程中实现安全最大化。温度梯
3、度的出现会引起沥青混凝土砂浆板角和板翘曲的严重病害，在分析中考虑翘曲引起的承载力不足1。底板的设计是按照极限状态的方法，在列车荷载作用下路基的不均匀沉降被认为是天气条件，混凝土收缩的影响还有施工共同作用的。德国开发了无砟轨道的设计理念和方法是借用了路面工程2。具有纵向连续结构、温度荷载和混凝土收缩是设计中应考虑的主要因素。加固中性轴附近，不承受列车荷载位置。混凝土的断裂强度抵抗列车荷载和温度梯度的影响。在中国，早期的整体道床轨道结构设计中主要考虑了列车荷载，应用于地基条件良好隧道，温度波动小的从地段。遂宁重庆铁路结构设计综合考虑了地基不均匀变形和温度荷载影响 3-4。随后对无砟轨道系统化的研究
4、，以容许应力法作为设计理论，容许应力法形成是充分考虑了列车荷载，温度，和地基变形影响。一般来说，在不同国家的无砟轨道设计理论以自身的施工环境和构造演化有关。提出的设计理论在不同的时期，能满足不同类型无砟轨道施工要求。3. 列车荷载应力计算轨道支持列车荷载和引导车辆运行。无砟轨道的设计必须考虑列车荷载应力的计算。弹性地基梁模型5主要用于传统的轨道结构的荷载应力计算。该模型可以解决弹性地基使用多层复合梁理论7-10根据复杂性分析轨道的结构要求。在德国，然而，采用艾森曼理论11-13计算列车荷载作用下轨道结构的应力。在这个理论中，为计算扣件的支持反应把铁路看作无限弹性的梁地基；多层结构的根据连接状态
5、转化为一个单层结构层，然后利用无限长梁弹性地基上的应力函数和威斯特卡德应力函数计算转换层结构的内力和位移作用下的紧固力。归纳起来，在中国和日本无砟轨道列车荷载设计主要组成为受弯构件。是因为无砟轨道的设计最初是基于传统有砟轨道的设计方法，对主要部件的动力性能仿真和一般性的分析方法。在德国，然而，其设计理论的开发和无砟轨道的参数的选择是来自公路水泥混凝土路面设计的经验；因此，其无砟轨道结构的差异可以归因于继承传统设计理论。根据铁路和卧床是交叉支持在有砟轨道弹性地基上的结构特点，以弹性基础14-15梁模型开发的地基上交叉梁模型弹性的也能被用作应力计算，16一旦确定模型参数的值。由于计算机技术的发展，
6、固体17-19有限元模型可以用来获得符合无砟轨道结构内的特定应力状态。作为无砟轨道的主要支撑结构，轨道板(或基床板)和底板(或支承层)在列车荷载作用下变形量远远小于他们的自身厚度，垂直方向有比纵向或横向小得多的变形量。这个特性符合弹性板的结构特点。 因此，弹性板 20通常用来模拟和分析无砟轨道结构支承。铁路是细长的结构，由梁模型合理地模拟，扣件和中间弹性层，以及下面的基础，用同种类的层来模拟。 因此，地基上无砟轨道弹性梁板21-23模型被建立，如图 1 所示。 图 1 所示无砟轨道的弹性梁地基模型轨道板(或基床板) 和底板( 或支承层) 在纵向和横向的荷载应力可以通过施加一个垂直的轨上荷载。这
7、避免了分别计算在纵向和横向多层弹性地基梁模型。此外，计算精度7高于通过复合梁模型或交叉梁模型，计算工作量小于通过可靠的有限元模型。日本板式轨道的设计轮载荷考虑轮载荷变化由于车轮踏面损伤是容许静态载荷的三倍。 在疲劳检测时容许轮载是静态轮载的 1.45 倍。 以基础上的许用脱轨系数值确定设计横向力，侧向力疲劳检查需要设计横向力的一半。 在德国碴轨道设计，负载采用 UIC71 其动力数为 1.2，恒载荷系数1.5。在中国，动态系数的结果是基于动态测试和无砟轨道仿真计算，设计轮载荷可以取静态轮载荷的三倍。中国根据设计参数和无砟轨道客运专线(PDL)的 操作条件，列车和轨道的耦合动力学系统被应用于统计
8、分析。在中国考虑无砟轨道的施工和维修条件，表明持续影响列车负载是静载荷的 1.5 倍24。温克尔地基用于支持无砟轨道时支承板的直径对基础的系数显著影响。直径越小，地基系数越大1 。 然而，当支承板直径 D 不小于 76 厘米，直径的变化对地基系数几乎没有影响，至于无砟轨道，轨道板的支持面积或支持层是相对较大。因此，为简单起见，支承板的试验值取直径为 76 厘米，即 k76，可用于计算。当用变形模量表示路基压实能力时，层状弹性体系力学3 可以应用于分析路基表面的位移，甚至是负载刚性承压板表面的位移； 因此，推导的支持刚性路基表面25。 在无砟轨道每个支承层，下部结构层强度通常低于上部结构层，如果
9、应用素混凝土或水泥稳定材料可能随着在列车荷载作用出现裂缝。一旦开裂，弯矩不容易在裂缝位置转移，从而减少整体刚度和弹性模量。 因此，是用降低的弹性模量来计算26 。对于钢筋混凝土结构，强化有利于提高结构的抗弯刚度层。由于可能开裂，在裂缝位置弯矩的传播可能被削弱。 因此，只用计算混凝土弹性模量，不考虑钢筋的影响和裂纹。4. 温度应力的计算无砟轨道是暴露在大气中，轨道每一个结构层的温度将随外部温度的变化而不同。 一旦无砟轨道温度改变而引起的变形收到限制，无砟轨道结构内部出现温度应力。环境温度变化对无砟轨道影响包括每年的温度变化和每日温度变化。此外，混凝土的收缩会引起失真，相当于减少了温度荷载作用于混
10、凝土。德国的雷达，旭普林，和博格是连续无砟轨道设计的代表，都高度重视温度效应。为了限制在容许范围内温度裂缝的宽度和维护不完整状态的裂缝27，根据德国无砟轨道设计规范，板的配筋率应达到 0.8%-0.9%。因此，裂缝的宽度限制在 0.5 毫米以内。从最小应力的加固板开裂总和的观点和动载荷下的弯曲应力增量必须小于钢筋疲劳极限保证使用寿命，据推测纵向钢筋配筋率必须大于 1.0%，以满足裂缝宽度的要求和使用寿命。日本板式轨道设计采用单元结构，并且温度变化对轨道板几乎没有影响。因此，设计计算没有考虑温度效应。然而，在测试时发现轨道板出现翘曲位移，轨道板处在一种不完全支持状态。因此，为了解决轨道板的温度变
11、化特性，进行了一系列的理论和实验研究4。至于连续板结构，在混凝土收缩和温度降低的作用下，混凝土很容易开裂，造成板内钢筋和混凝土的应力再分配。为了保证安全和实用，必须控制钢筋应力和裂缝宽度。连续板在不同的张力阶段显示不同的压力和变异属性。 在混凝土裂缝之前，由于钢筋混凝土变形协调。 当混凝土的拉应力达到其抗拉强度时，出现裂缝，并停止工作，导致联接损坏和相邻裂缝出现。这时，平截面假设不符合，在裂纹位置钢筋承担所有的轴向力。当轴向力增加到钢筋的屈服强度，混凝土开裂严重不能承受张力。所有钢筋的轴向力出现，这样钢筋屈服成为具有张力限制条件的板。这时有裂纹的连续板的轴向力取决于混凝土的抗拉强度和板的截面积
12、。钢筋的数量对裂纹轴向力几乎没有影响，而极限承载力完全取决于屈服强度和钢筋的面积。为了避免开裂，连续板的最小配筋率应指定。连续板的开裂经历两个阶段:不完全开裂和完全开裂。在不完整开裂阶段，裂缝的数量随荷载的增加而增加，但最大裂缝宽度基本上是不变的。在完全开裂阶段，裂缝的数量保持不变，而其宽度随荷载的增加而增加。为了限制裂缝宽度、裂缝应控制在不完全开裂的阶段。在不完全开裂的情况下，板内最大温度应力量取决于抗拉强度和混凝土的截面积。设计抗拉强度的温度力计算被认为是常见的温度力(主力) 。标准抗拉强度的温度力计算作为设计检查的最大温度力。参考文献。28-29 阐述了裂缝间距的不同表达式，裂缝宽度和钢
13、筋应力开裂的不同阶段，提出相应的设计措施。至于道床板结构单元，板的温度力影响的纵向电阻扣件顶部和底部的摩擦阻力，以及凸板的位移限制。统一的分类和连续结构取决于温度力是否导致了全截面开裂。5. 翘曲应力计算外部环境影响混凝土板的温度和湿度。外部环境的影响逐步减弱随板表面的深度。板内部的温度和湿度分布不均匀导致其翘曲变形。当变形受制于底部摩擦，静载，自重，列车荷载，翘曲应力将出现。根据德国铁路的代码，它是假设板在垂直方向的线性温度梯度 50/ m。在遂宁 重庆无砟轨道温度场测试的轨道温度梯度30 铺设之前约为 52.6-68.4/ m，在嘉陵江板式轨道纵向温度梯度很分散大约是 40-80/ m31，但在德国所有温度梯度大于 50/ m。就地理和气候条件而言，中国有严寒地区，寒冷地
