高速鐵路無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論進(jìn)展

1、高速鐵路無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論進(jìn)展劉學(xué)義 戴烽 趙平瑞高速鐵路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南交通大學(xué)，成都610031，中國(guó)摘要：相對(duì)而言，中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道創(chuàng)新研究的成就在世界上無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論中備受關(guān)注。對(duì)列車荷載作用的計(jì)算方法和參數(shù)，熱效應(yīng)，以及高速鐵路無(wú)砟軌道路基變形，連同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)。最后，給出了對(duì)未來(lái)工作的一些建議。關(guān)鍵詞：高速鐵路；無(wú)砟軌道；設(shè)計(jì)理論1. 簡(jiǎn)介 由于不同的發(fā)展背景，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)理論世界各地是不同的。在日本，板式軌道通常放在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，如首先放在橋梁或隧道，后來(lái)逐漸發(fā)展到土質(zhì)路基上。日本的設(shè)計(jì)理論采用單元設(shè)計(jì)，考慮列車荷載的影響。德國(guó)首先把無(wú)砟軌道放在

2、土路基，然后放在橋梁和隧道的基礎(chǔ)上。無(wú)砟軌道連續(xù)結(jié)構(gòu)要考慮熱效應(yīng)。中國(guó)早期的無(wú)砟軌道主要鋪設(shè)在隧道中，主要考慮列車荷載的影響。隨著無(wú)砟軌道應(yīng)用的日益完善，高速鐵路無(wú)砟軌道的創(chuàng)新研究，已經(jīng)逐漸形成一套相對(duì)通用設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)體系。本文基于中國(guó)的無(wú)砟軌道創(chuàng)新研究成果綜述了計(jì)算方法和參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程還有簡(jiǎn)要的介紹了設(shè)計(jì)理論。最后，對(duì)未來(lái)工作提供一些建議，包括列車車和溫度載荷的耦合作用下疲勞特性，耐久性、長(zhǎng)期動(dòng)力特性和無(wú)砟軌道的維護(hù)機(jī)制。2. 無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)綜述理論在日本板式軌道的設(shè)計(jì)中，列車荷載的影響是一個(gè)倍受關(guān)注的問題。采用彈性設(shè)計(jì)方法，對(duì)生產(chǎn)、吊裝和軌道等的建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)安全最大化。溫度梯度

3、的出現(xiàn)會(huì)引起瀝青混凝土砂漿板角和板翹曲的嚴(yán)重病害，在分析中考慮翹曲引起的承載力不足1。底板的設(shè)計(jì)是按照極限狀態(tài)的方法，在列車荷載作用下路基的不均勻沉降被認(rèn)為是天氣條件，混凝土收縮的影響還有施工共同作用的。德國(guó)開發(fā)了無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)理念和方法是借用了路面工程2。具有縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)、溫度荷載和混凝土收縮是設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要因素。加固中性軸附近，不承受列車荷載位置。混凝土的斷裂強(qiáng)度抵抗列車荷載和溫度梯度的影響。在中國(guó)，早期的整體道床軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮了列車荷載，應(yīng)用于地基條件良好隧道，溫度波動(dòng)小的從地段。遂寧重慶鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了地基不均勻變形和溫度荷載影響 3-4。隨后對(duì)無(wú)砟軌道系統(tǒng)化的研究，

4、以容許應(yīng)力法作為設(shè)計(jì)理論，容許應(yīng)力法形成是充分考慮了列車荷載，溫度，和地基變形影響。一般來(lái)說(shuō)，在不同國(guó)家的無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論以自身的施工環(huán)境和構(gòu)造演化有關(guān)。提出的設(shè)計(jì)理論在不同的時(shí)期，能滿足不同類型無(wú)砟軌道施工要求。3. 列車荷載應(yīng)力計(jì)算軌道支持列車荷載和引導(dǎo)車輛運(yùn)行。無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)必須考慮列車荷載應(yīng)力的計(jì)算。彈性地基梁模型5主要用于傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力計(jì)算。該模型可以解決彈性地基使用多層復(fù)合梁理論7-10根據(jù)復(fù)雜性分析軌道的結(jié)構(gòu)要求。在德國(guó)，然而，采用艾森曼理論11-13計(jì)算列車荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。在這個(gè)理論中，為計(jì)算扣件的支持反應(yīng)把鐵路看作無(wú)限彈性的梁地基；多層結(jié)構(gòu)的根據(jù)連接狀態(tài)轉(zhuǎn)

5、化為一個(gè)單層結(jié)構(gòu)層，然后利用無(wú)限長(zhǎng)梁彈性地基上的應(yīng)力函數(shù)和威斯特卡德應(yīng)力函數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移作用下的緊固力。歸納起來(lái)，在中國(guó)和日本無(wú)砟軌道列車荷載設(shè)計(jì)主要組成為受彎構(gòu)件。是因?yàn)闊o(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)最初是基于傳統(tǒng)有砟軌道的設(shè)計(jì)方法，對(duì)主要部件的動(dòng)力性能仿真和一般性的分析方法。在德國(guó)，然而，其設(shè)計(jì)理論的開發(fā)和無(wú)砟軌道的參數(shù)的選擇是來(lái)自公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)；因此，其無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的差異可以歸因于繼承傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。根據(jù)鐵路和臥床是交叉支持在有砟軌道彈性地基上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以彈性基礎(chǔ)14-15梁模型開發(fā)的地基上交叉梁模型彈性的也能被用作應(yīng)力計(jì)算，16一旦確定模型參數(shù)的值。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，固

6、體17-19有限元模型可以用來(lái)獲得符合無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定應(yīng)力狀態(tài)。作為無(wú)砟軌道的主要支撐結(jié)構(gòu)，軌道板(或基床板)和底板(或支承層)在列車荷載作用下變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于他們的自身厚度，垂直方向有比縱向或橫向小得多的變形量。這個(gè)特性符合彈性板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 因此，彈性板20通常用來(lái)模擬和分析無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)支承。鐵路是細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，由梁模型合理地模擬，扣件和中間彈性層，以及下面的基礎(chǔ)，用同種類的層來(lái)模擬。 因此，地基上無(wú)砟軌道彈性梁板21-23模型被建立，如圖1所示。 圖1所示無(wú)砟軌道的彈性梁地基模型軌道板(或基床板)和底板(或支承層)在縱向和橫向的荷載應(yīng)力可以通過(guò)施加一個(gè)垂直的軌上荷載。這避免了分別計(jì)算在縱

7、向和橫向多層彈性地基梁模型。此外，計(jì)算精度7高于通過(guò)復(fù)合梁模型或交叉梁模型，計(jì)算工作量小于通過(guò)可靠的有限元模型。日本板式軌道的設(shè)計(jì)輪載荷考慮輪載荷變化由于車輪踏面損傷是容許靜態(tài)載荷的三倍。 在疲勞檢測(cè)時(shí)容許輪載是靜態(tài)輪載的1.45倍。 以基礎(chǔ)上的許用脫軌系數(shù)值確定設(shè)計(jì)橫向力，側(cè)向力疲勞檢查需要設(shè)計(jì)橫向力的一半。 在德國(guó)碴軌道設(shè)計(jì)，負(fù)載采用UIC71其動(dòng)力數(shù)為1.2，恒載荷系數(shù)1.5。在中國(guó)，動(dòng)態(tài)系數(shù)的結(jié)果是基于動(dòng)態(tài)測(cè)試和無(wú)砟軌道仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)輪載荷可以取靜態(tài)輪載荷的三倍。中國(guó)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和無(wú)砟軌道客運(yùn)專線(PDL)的 操作條件，列車和軌道的耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)被應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)分析。在中國(guó)考慮無(wú)砟軌道的施

8、工和維修條件，表明持續(xù)影響列車負(fù)載是靜載荷的1.5倍24。溫克爾地基用于支持無(wú)砟軌道時(shí)支承板的直徑對(duì)基礎(chǔ)的系數(shù)顯著影響。直徑越小，地基系數(shù)越大1。 然而，當(dāng)支承板直徑D不小于76厘米，直徑的變化對(duì)地基系數(shù)幾乎沒有影響，至于無(wú)砟軌道，軌道板的支持面積或支持層是相對(duì)較大。因此，為簡(jiǎn)單起見，支承板的試驗(yàn)值取直徑為76厘米，即k76，可用于計(jì)算。當(dāng)用變形模量表示路基壓實(shí)能力時(shí)，層狀彈性體系力學(xué)3 可以應(yīng)用于分析路基表面的位移，甚至是負(fù)載剛性承壓板表面的位移； 因此，推導(dǎo)的支持剛性路基表面25。 在無(wú)砟軌道每個(gè)支承層，下部結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度通常低于上部結(jié)構(gòu)層，如果應(yīng)用素混凝土或水泥穩(wěn)定材料可能隨著在列車荷載作用

9、出現(xiàn)裂縫。一旦開裂，彎矩不容易在裂縫位置轉(zhuǎn)移，從而減少整體剛度和彈性模量。 因此，是用降低的彈性模量來(lái)計(jì)算26。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化有利于提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度層。由于可能開裂，在裂縫位置彎矩的傳播可能被削弱。 因此，只用計(jì)算混凝土彈性模量，不考慮鋼筋的影響和裂紋。4. 溫度應(yīng)力的計(jì)算無(wú)砟軌道是暴露在大氣中，軌道每一個(gè)結(jié)構(gòu)層的溫度將隨外部溫度的變化而不同。 一旦無(wú)砟軌道溫度改變而引起的變形收到限制，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)溫度應(yīng)力。環(huán)境溫度變化對(duì)無(wú)砟軌道影響包括每年的溫度變化和每日溫度變化。此外，混凝土的收縮會(huì)引起失真，相當(dāng)于減少了溫度荷載作用于混凝土。德國(guó)的雷達(dá)，旭普林，和博格是連續(xù)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)

10、的代表，都高度重視溫度效應(yīng)。為了限制在容許范圍內(nèi)溫度裂縫的寬度和維護(hù)不完整狀態(tài)的裂縫27，根據(jù)德國(guó)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)規(guī)范，板的配筋率應(yīng)達(dá)到0.8%-0.9%。因此，裂縫的寬度限制在0.5毫米以內(nèi)。從最小應(yīng)力的加固板開裂總和的觀點(diǎn)和動(dòng)載荷下的彎曲應(yīng)力增量必須小于鋼筋疲勞極限保證使用壽命，據(jù)推測(cè)縱向鋼筋配筋率必須大于1.0%，以滿足裂縫寬度的要求和使用壽命。日本板式軌道設(shè)計(jì)采用單元結(jié)構(gòu)，并且溫度變化對(duì)軌道板幾乎沒有影響。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算沒有考慮溫度效應(yīng)。然而，在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)軌道板出現(xiàn)翹曲位移，軌道板處在一種不完全支持狀態(tài)。因此，為了解決軌道板的溫度變化特性，進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究4。至于連續(xù)板結(jié)構(gòu)，在

11、混凝土收縮和溫度降低的作用下，混凝土很容易開裂，造成板內(nèi)鋼筋和混凝土的應(yīng)力再分配。為了保證安全和實(shí)用，必須控制鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度。連續(xù)板在不同的張力階段顯示不同的壓力和變異屬性。 在混凝土裂縫之前，由于鋼筋混凝土變形協(xié)調(diào)。 當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)裂縫，并停止工作，導(dǎo)致聯(lián)接損壞和相鄰裂縫出現(xiàn)。這時(shí)，平截面假設(shè)不符合，在裂紋位置鋼筋承擔(dān)所有的軸向力。當(dāng)軸向力增加到鋼筋的屈服強(qiáng)度，混凝土開裂嚴(yán)重不能承受張力。所有鋼筋的軸向力出現(xiàn)，這樣鋼筋屈服成為具有張力限制條件的板。這時(shí)有裂紋的連續(xù)板的軸向力取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度和板的截面積。鋼筋的數(shù)量對(duì)裂紋軸向力幾乎沒有影響，而極限承載力完全取決

12、于屈服強(qiáng)度和鋼筋的面積。為了避免開裂，連續(xù)板的最小配筋率應(yīng)指定。連續(xù)板的開裂經(jīng)歷兩個(gè)階段:不完全開裂和完全開裂。在不完整開裂階段，裂縫的數(shù)量隨荷載的增加而增加，但最大裂縫寬度基本上是不變的。在完全開裂階段，裂縫的數(shù)量保持不變，而其寬度隨荷載的增加而增加。為了限制裂縫寬度、裂縫應(yīng)控制在不完全開裂的階段。在不完全開裂的情況下，板內(nèi)最大溫度應(yīng)力量取決于抗拉強(qiáng)度和混凝土的截面積。設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的溫度力計(jì)算被認(rèn)為是常見的溫度力(主力)。標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的溫度力計(jì)算作為設(shè)計(jì)檢查的最大溫度力。參考文獻(xiàn)。28-29 闡述了裂縫間距的不同表達(dá)式，裂縫寬度和鋼筋應(yīng)力開裂的不同階段，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施。至于道床板結(jié)構(gòu)單元

13、，板的溫度力影響的縱向電阻扣件頂部和底部的摩擦阻力，以及凸板的位移限制。統(tǒng)一的分類和連續(xù)結(jié)構(gòu)取決于溫度力是否導(dǎo)致了全截面開裂。5. 翹曲應(yīng)力計(jì)算外部環(huán)境影響混凝土板的溫度和濕度。外部環(huán)境的影響逐步減弱隨板表面的深度。板內(nèi)部的溫度和濕度分布不均勻?qū)е缕渎N曲變形。當(dāng)變形受制于底部摩擦，靜載，自重，列車荷載，翹曲應(yīng)力將出現(xiàn)。根據(jù)德國(guó)鐵路的代碼，它是假設(shè)板在垂直方向的線性溫度梯度50/ m。在遂寧重慶無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)測(cè)試的軌道溫度梯度30鋪設(shè)之前約為52.6-68.4/ m，在嘉陵江板式軌道縱向溫度梯度很分散大約是40-80/ m31，但在德國(guó)所有溫度梯度大于50/ m。就地理和氣候條件而言，中國(guó)有嚴(yán)寒

14、地區(qū)，寒冷地區(qū)，溫帶地區(qū)。指的高速公路路面推薦值溫度梯度是在考慮無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們建議在中國(guó)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的最大正溫度梯度的是80 - 85/ m，85 - 90/m和90 - 95/ m分別為嚴(yán)寒地區(qū)，寒冷地區(qū)和溫帶地區(qū)，溫度梯度在垂直方向線性分布。下部結(jié)構(gòu)溫度梯度的影響可以被忽略。負(fù)溫度梯度可以取最大正溫度梯度的一半。在德國(guó)根據(jù)溫度和溫度梯度變化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)軌道板在溫度梯度的作用下應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究分析，特別是軌道板較小橫向翹曲變形的不是完全克服。不連續(xù)支承的計(jì)算模型是用來(lái)計(jì)算在靜載和溫度梯度的作用下翹曲應(yīng)力32。軌道板在不同的約束條件的翹曲應(yīng)力和位移用有限元理論分析。結(jié)果表明，軌道板

15、上的約束作用越強(qiáng)，能抵制越大扭曲變形，越接近翹曲應(yīng)力無(wú)限軌道板。軌道板上的約束作用包括軌道板恒載、連續(xù)約束的長(zhǎng)軌道和列車荷載作用的軌道。由于無(wú)砟軌道支承系統(tǒng)有大的支承系數(shù)，軌道板的載荷約束由于加載大小和位置不同的顯示了很多差異。為了方便，無(wú)論單一或連續(xù)結(jié)構(gòu)無(wú)砟軌道的翹曲應(yīng)力在縱向或橫向計(jì)算按照無(wú)限板。6. 計(jì)算地基變形的效果軌道板的剛度或發(fā)生在基礎(chǔ)上基床一次不均勻變形將對(duì)無(wú)砟軌道的影響非常大。在日本設(shè)計(jì)板式軌道基礎(chǔ)，最大沉降位移()發(fā)生在底板中點(diǎn)或底板在使用和疲勞狀態(tài)半波正弦兩端= 20毫米,加上極限狀態(tài)= 30 mm?；谧冃蔚南嚓P(guān)性，為確保解決恒載下的底板達(dá)到設(shè)計(jì)的不均勻沉降，不同沉降位置

16、的剛度間隔5米計(jì)算。由于計(jì)算底板的地基變形，然后要附加彎矩33。德國(guó)“零沉降”概念，就是不均勻沉降不能發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)沒有必要考慮不均勻沉降效果。 雖然高速鐵路在中國(guó)迅速發(fā)展，在橋梁過(guò)渡段路堤和高路堤也不可避免的出現(xiàn)不均勻沉降。為了確保無(wú)砟軌道的正確操作，中國(guó)無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮基礎(chǔ)不均勻沉降的影響。由于有無(wú)砟軌道的剛度較大，當(dāng)有不均勻沉降時(shí)，板和基礎(chǔ)將具有相同的變形，這種變形可以被視為板結(jié)構(gòu)一種強(qiáng)迫位移。在這種情況下，軌道板在彎矩作用下地基變形等于軌道結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和不均勻變形曲率。7. 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)無(wú)砟軌道的支承結(jié)構(gòu)主要包括普通混凝土，鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。 普通混凝土結(jié)構(gòu)通

17、常應(yīng)用于隧道具有良好的基礎(chǔ)和環(huán)境溫度變化小的地方。在這種情況下，在列車荷載和環(huán)境因素的作用下板不會(huì)開裂34。在常見的基礎(chǔ)條件下，板在地基變形、列車荷載和環(huán)境因素的影響下可能容易裂縫。因此，有必要增加鋼筋來(lái)限制裂縫的發(fā)展。至于連續(xù)鋼筋混凝土板，因?yàn)闇囟葢?yīng)力是主要影響因素，鋼筋放在中性軸附近限制裂縫寬度和軌道板裂縫間距?；A(chǔ)薄弱的部分軌道板板的彎矩通常是大的。為了限制裂縫寬度，我們需要加厚板或改善基礎(chǔ)，從而導(dǎo)致高成本。在這種情況下，將鋼筋放置在軌道板頂部和底部有助板承受較大彎矩35-36。為了限制裂縫寬度，提高結(jié)構(gòu)耐久性，鋼纖維混凝土越來(lái)越符合在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中使用37-38。在寒冷地區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋混

18、凝土結(jié)構(gòu)用來(lái)減少凍害。容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法通常用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 隨著日本最初把軌道板設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，容許應(yīng)力法的使用為彎矩軌道板混凝土提供平截面假，而混凝土的拉應(yīng)力在張拉區(qū)是可以忽略的。鋼筋的容許應(yīng)力基于重復(fù)加載時(shí)間隨不同的設(shè)計(jì)輪載荷和不同結(jié)構(gòu)類型。在寒冷的地區(qū)，應(yīng)采取防凍措施?？紤]建設(shè)成本等因素， 部分預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)39 應(yīng)用在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論。對(duì)于德國(guó)無(wú)砟軌道像雷達(dá)和旭普林的設(shè)計(jì)方法，縱向鋼筋應(yīng)放置在連續(xù)板上為了控制裂縫類型和寬度。板的寬度是由Westergaard方程和路基表面的許用壓應(yīng)力確定。平板厚度的測(cè)定遵循溫度梯度產(chǎn)生的壓力和負(fù)載小于混凝土板的抗彎強(qiáng)度的原則。支承

19、層是由裂縫普通混凝土或軟弱支承層結(jié)構(gòu)組成。荷載應(yīng)力應(yīng)該檢查在容許范圍以內(nèi)確定支承層的彈性模量。無(wú)砟軌道，放在長(zhǎng)期反復(fù)列車荷載和環(huán)境變化作用下的彈性地基上，軌道是帶狀結(jié)構(gòu)不同于橋梁和建筑結(jié)構(gòu)。為了保證其高精度和高穩(wěn)定性，軌道結(jié)構(gòu)列車荷載作用和環(huán)境因素需要在彈性條件下工作。因此，中國(guó)高速鐵路的創(chuàng)新研究，我們建議無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用的容許應(yīng)力法。在設(shè)計(jì)期間，假設(shè)每一個(gè)橫截面都是在一個(gè)彎矩作用下的平面?；炷潦軌簠^(qū)的法應(yīng)力呈三角形分布，在張拉區(qū)鋼筋混凝土組件中混凝土的抗拉強(qiáng)度是被忽視的，在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土組件中混凝土的法向應(yīng)力壓縮區(qū)也呈三角形分布。連續(xù)無(wú)砟軌道在軸向力和溫度應(yīng)力的作用下，這可能會(huì)導(dǎo)致

20、其開裂,鋼筋抵壓變形，這種情況下平截面假設(shè)是無(wú)效的。因?yàn)檫@個(gè)方法計(jì)算的是荷載效應(yīng)，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型計(jì)算不同彎矩的作用，所以一個(gè)校正方法就被介紹出來(lái)用于消除所得結(jié)果的差異。圖2所示，是符合無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)流程。至于單元無(wú)砟軌道，鋼筋主要是受荷載彎矩而溫度的影響可以忽略不計(jì)。連續(xù)無(wú)砟軌道中混凝土收縮和溫度降低是鋼筋的主要影響因素。不同基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道上的多種荷載組合列于表1中。每日溫度周期性的變化，導(dǎo)致溫度應(yīng)力和彎曲應(yīng)力周期性的變化。然而，最大溫度梯度和最高的溫度不是每天都出現(xiàn)。尤其是連續(xù)無(wú)砟軌道中，最高溫度只出現(xiàn)在臨界狀態(tài)時(shí)，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的裂紋。當(dāng)裂縫穩(wěn)定后，溫度應(yīng)力是低于最高溫度

21、應(yīng)力。因此，最高溫度拉應(yīng)力是不太可能出現(xiàn)在連續(xù)無(wú)砟軌道中的，它可以被視為一種荷載組合進(jìn)行獨(dú)立的檢查?？瓦\(yùn)專線的路基在設(shè)計(jì)和施工時(shí)需要用“零沉降”的概念。然而，不均勻沉降很容易發(fā)生在過(guò)渡段路基和結(jié)構(gòu)處，如橋梁、隧道、涵洞。在一個(gè)小范圍內(nèi)出現(xiàn)相同部分不均勻沉降的可能性相當(dāng)?shù)?。因此，路基的不均勻沉降被作為額外結(jié)合力其發(fā)生概率是較低的。在列車荷載作用下伴隨著列車荷載作用，橋梁會(huì)有彎曲變形,。因此，橋梁的彎曲變形應(yīng)該結(jié)合列車的荷載相同的主力。結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)列車荷載彎矩完成設(shè)計(jì)鋼筋優(yōu)化初步的結(jié)構(gòu)尺寸溫度梯度內(nèi)力計(jì)算基礎(chǔ)變形彎矩初步配筋溫度力列車荷載彎矩結(jié)構(gòu)系數(shù)溫度梯度彎矩結(jié)構(gòu)系數(shù)結(jié)構(gòu)系數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的計(jì)算系數(shù)基

22、礎(chǔ)變形結(jié)構(gòu)彎矩系數(shù)荷載應(yīng)力容許應(yīng)力圖2所示無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程根據(jù)表1所示的荷載組合，應(yīng)確定無(wú)砟軌道支承層的的邊緣應(yīng)力是否超過(guò)其開裂應(yīng)力。如果邊緣應(yīng)力比開裂應(yīng)力低，則支承的混凝土層不會(huì)開裂和沒必要加固，應(yīng)該將其放置在指定結(jié)構(gòu)上。如果邊緣應(yīng)力比開裂應(yīng)力高，那么支承層會(huì)開裂。特別是對(duì)于連續(xù)無(wú)砟軌道，有可能發(fā)生全斷面開裂。同事，該開裂位置在彎矩的作用下，張拉區(qū)所有的混凝土停止工作，并且所有的拉力是由鋼筋承受。然而，在受拉區(qū)兩條裂縫之間的混凝土仍起作用，這導(dǎo)致截面抗彎剛性和中性軸的變化。開裂板的抗彎剛度急劇下降，較高等級(jí)混凝土薄板具有的將有一個(gè)較小的抗彎剛度。用于荷載應(yīng)力計(jì)算的抗彎剛度其支承層全截面

23、受力。然而，在設(shè)計(jì)過(guò)程中的張拉區(qū)的混凝土完全是操作中假想的，其中會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤需要修改。表1表示無(wú)砟軌道的不同荷載組合類型種類荷載組合路基橋梁隧道單元無(wú)砟軌道主力3MTrain1.5 MTrain+ MT3MTrain1.5 MTrain+ MT3MTrain主力+附加力1.5 MTrain+ MT連續(xù)無(wú)砟軌道主力3MTrainFT,max1.5 MTrain+ MT+ FT3MTrainFT,max1.5MTrain+MT+MD+FT+FD3MTrainFT,max1.5 MTrain+ FT主力+附加力1.5 MTrain+ MT+MD + FT1.5 MTrain+ MT+ MD + F

24、T +FD+FB備注：MTrain表示列車荷載引起的彎矩；MT表示溫度梯度引起的彎矩；MD表示基礎(chǔ)變形引起的彎矩；FT,max表示最大溫度應(yīng)力；FT表示溫度應(yīng)力；FD表示基礎(chǔ)變形引起的軸力；FB表示制動(dòng)力。根據(jù)彈性梁基礎(chǔ)理論，基礎(chǔ)梁在集中荷載（列車載荷）下的彎矩與基礎(chǔ)的彈性系數(shù)和基礎(chǔ)梁的抗彎直接相關(guān)。該基礎(chǔ)梁的彎矩是彎曲剛度力的1/4。同樣地，軌道板自身抗彎剛度在溫度梯度和地基變形作用下有彎矩產(chǎn)生。因此，能夠從列車荷載、溫度梯度和地基變形中獲得彎矩的修正系數(shù)。8. 結(jié)論與建議無(wú)砟軌道，具有良好的乘坐舒適性，穩(wěn)定性高，維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為軌道結(jié)構(gòu)的主要類型。無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)概念在因國(guó)而異：相互

25、之間在設(shè)計(jì)中考慮的因素和計(jì)算方法差別很大。本文總結(jié)了世界無(wú)砟軌道的分析計(jì)算和設(shè)計(jì)方法?；谥袊?guó)的無(wú)砟軌道的創(chuàng)新研究成果，初步提出了比較普遍的設(shè)計(jì)理念和無(wú)砟軌道的方法，指導(dǎo)遂寧-重慶試驗(yàn)段無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)，武廣客運(yùn)專線，蘭州-烏魯木齊第二雙線，以及板式軌道和雙嵌段軌道設(shè)計(jì)參考圖。雖然，無(wú)砟軌道是一種維護(hù)量小的結(jié)構(gòu)，但操作過(guò)程中具有許多條件。因此無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)理論還需要進(jìn)一步研究。未來(lái)的工作可能涉及以下內(nèi)容：(1) 研究無(wú)砟軌道在列車和溫度荷載耦合作用下的疲勞性能。列車荷載和溫度荷載反復(fù)作用于無(wú)砟軌道。列車載荷和溫度荷載的統(tǒng)計(jì)特性，特別是不同的載荷和它們的耦合作用下的疲勞特性應(yīng)被研究，為預(yù)測(cè)無(wú)砟軌道

26、的疲勞壽命提供依據(jù)。(2) 研究無(wú)砟軌道的耐久性。在無(wú)砟軌道是多種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)環(huán)境和列車荷載的聯(lián)合作用，不同種類的材料具有不同的降解曲線，并且在一個(gè)部件的損壞將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，一個(gè)系統(tǒng)的方法應(yīng)適用于無(wú)砟軌道的耐久性的研究，以實(shí)現(xiàn)小維修的設(shè)計(jì)概念。(3) 研究長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)屬性。在列車荷載引起的振動(dòng)和自然環(huán)境的長(zhǎng)期綜合作用，無(wú)碴軌道的部件的功能很可能逐步降低。因此，無(wú)砟軌道的動(dòng)力特性、安全性和列車的穩(wěn)定性的將受到影響。長(zhǎng)期的無(wú)碴軌道動(dòng)態(tài)特性研究應(yīng)建立損傷分析模型。(4) 研究維修技工。在無(wú)碴軌道的建設(shè)之初，某些情況下已經(jīng)發(fā)生由于設(shè)計(jì)和施工中錯(cuò)誤。到目前為止，沒有對(duì)病害和對(duì)策的原

27、因進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究了。集約病害的機(jī)制、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、維修時(shí)間、維修方法和維護(hù)對(duì)軌道和列車的影響的深入研究，將為無(wú)砟軌道的維護(hù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)致謝這項(xiàng)工作得到了中央高校、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（51008258號(hào)）、以及基礎(chǔ)研究基金（第SWJTU09BR038）的支持。參考文獻(xiàn)1 魏永幸，邱延峻，高速鐵路無(wú)砟軌道路基表面剛度度的研究，鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(7):15-20（中國(guó)）.2 L.伯恩哈德，道路路面施工和鐵路軌道技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的地面交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展，運(yùn)輸:新興的前沿和發(fā)展在中國(guó)，成都，2009年.3 郭大智，馮德成，層狀彈性體系力學(xué)，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001:126

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