浅谈无砟轨道系统功能
浅谈无砟轨道系统功能
摘 要：完成系统功能是无砟轨道的主要目标,不同的结构型式和部件组成,其功能实现方式各异。从系统功能设计的角度建立无砟轨道的理论体系,有利于分析结构如何服务于功能,明确各部件的功能需求,识别结构体系可
存在的主要问题,建立科学的分析方法。
关键词：无砟轨道；系统;功能；设计
从系统的角度认识并分析无砟轨道典型的层状体系和复杂的功能实现,是建立科学合理的无砟轨道设计理论与方法的基础。通过深入分析无砟轨道的功能需求、结构特征和组件的功能定位,实现无砟轨道系统功能模块化,组件设计功能化,可以为结构设计和选材、结构优化奠定基础。
1 无砟轨道功能设计的主要内容
①分析无砟轨道的功能需求,明确设计条件为列车提供安全、可靠的运行平台,实现承载、传力和限位要求是无砟轨道的基本功能。功能需求分析通过研究运营条件和应用环境,确定修建的必要性,提出功能指标和相关标准。根据不同的线路要求和环境条件,可以确定主要技术指标,如轨道刚度、耐久性和可维修性、适应性、可施工性和减振降噪要求等。
②无砟轨道功能设计。在明确功能需求和设计条件的基础上,分承力传力、变形控制与调节、稳定性与耐久性要求、特殊功能要求和接口技术等功能模块,初步确定结构型式和功能实现方式。某一功能可能由多个部件协同完成,同一个部件也可出现在不同的功能模块中。功能模块化后,各结构部件将有较明确的功能定位,为进一步的参数选择和结构设计等提供依据。
③结构分析与参数选择。功能设计后,需要建立合适的计算模型,验证和考察功能设计的可行性与合理性,修改和确定相关技术参数,优化轨道结构。这是一个需要反复调整功能模块的划分和部件功能设计的过程。
④结构定型及材料选择。结构定型和材料选择是结构分析和参数选择的结果,标志着无砟轨道结构设计基本完成。在定型和选材过程中可能需要一定量的实验室或现场试验验证是否达到功能要求,必要时修改和完善设计。
2无砟轨道的主要功能模块
根据无砟轨道的承力与传力、变形控制与轨道几何调整(轨向、高低、轨距和水平等)、稳定性和耐久性、特殊条件和相关接口等可以划分主要的功能模块。
2.1承力、传力模块
承力与传力是轨道结构最基本、最重要的功能,主要有垂向、水平荷载的传递。
①垂向荷载的传递。列车活载是主要的垂向荷载,一般按从上至下逐层扩散传递。德国和日本在设计理念上略有区别。
德国沿用有砟的“单枕承载”理念。各层刚度由上至下逐层递减,确保垂向荷载由扣件、轨枕至道床板逐层扩散传递。钢轨支点力以“单枕”的形式传至道床,应力流影响范围较小(只影响到应力扩散角作用范围内),各支点间的道床板应力梯度较大,结构部件主要承受压力,属于低应力设计,只需采用单层配筋控制裂纹宽度,保证结构的耐久性。
日本板采用了“整板承载”的设计理念。板下CA砂浆层提供了适当的弹性,垂向荷载从扣件传至轨道板后,由整个轨道板分布传递,应力流影响范围较大,枕跨间应力梯度较小。CA砂浆有效调整了轨道板的变形,协调了轨道板与底座的变形差,保证了轨道板整板受力和应力均布。
不管基于哪种理念,钢轨支点处是受力最集中、应力梯度最大和疲劳作用最为严重的区域,该处的结构强度和耐久性直接影响到结构的使用寿命,为保证垂向传载的可靠性和耐久性,宜设计为高强度的预制件。
②水平荷载的传递。层间约束直接影响到水平荷载的传递。纵向连续、层间紧密联结的无砟轨道,一般不再设计专门的水平荷载传递部件,如路基地段的雷达轨道。层间联结不太紧密或单元式的无砟轨道结构,需要设计凸形挡台、侧向挡块、板下凸台(凹槽)和销钉等水平力传递部件,实现水平限位和水平荷载的传递,如日本板式无砟轨道等。
2.2变形控制模块
变形控制是高速轨道技术的核心技术,包括几何形位的保持和调整、动态位移的控制等方面。几何形位的保持和调整主要依靠合理的结构设计、精细的施工工艺和优良的扣件系统及三者的有机统一。结构上对扣件安装平台采用预制甚至机加工等措施,充分考虑扣件的调整能力和施工工艺的实现,确保几何形位满足要求。动态位移一般由轨道的刚度及结构部件间的构造缝隙决定,包括控制动态位移幅值及沿线路动态位移变化率,其实质是轨道刚度设计问题,对高速行车的舒适性和平稳性有重要影响,在功能设计阶段考虑轨道的动力性能,并进行动力学特性评估。
2.3稳定性与耐久性要求
稳定性与耐久性是高速行车和结构经济可靠的必然要求,体现在功能设计中有:①材料的选择满足稳定性和耐久性要求;②裂缝控制满足使用条件的要求,保证寿命周期内不影响结构的功能;③传力部件可靠性、稳定性评估,关键部件需要考虑失效模式、补救措施及修复成本;④部件劣化后对结构整体性及受力的影响需要加以评估。
2.4特殊功能要求
在下部基础或环境要求比较特殊时,有针对性的改进或优化无砟轨道结构。具体环境和下部基础通常决定了无砟轨道结构组成和材料的选择。例如针对减振、降噪要求采用的浮置板、弹性支承块、减振板和低刚度高性能扣件等;针对岔区设备的特殊设计;针对长大桥梁的更换和维修方面的考虑等。
2.5接口技术要求
铁路大系统中的通信、信号、牵引供电和供电保护、桥隧涵基础等都有可能对无砟轨道的设计提出要求,成为功能设计的一个方面。无砟轨道的功能分块,一方面确保了功能的实现,另一方面保证了各功能模块间的协调统一,有利于形成完整而成熟的系统。
3无砟轨道的结构分类及功能设计比较
3.1各类无砟轨道的主要功能设计比较
①有枕与无枕的功能设计比较。有枕式无砟轨道继承和发展了有砟轨道成熟的“轨排”理念。灵活多样的调整与固定方案,创造出多种无砟轨道结构型式。预制与现浇结合的方式和“单枕”灵活的调整能力,保证了其对曲线、岔区等特殊地段的广泛适用性。轨枕是承力、传力的基本单元。
无枕式无砟轨道消除了轨枕间的薄弱联结,加强了钢轨支点间的整体性,以板
作为承力、传力主体。其中的预制板式轨道满足了快速、机械化和工业化的施作需要,但板的适应能力稍差,在曲线、道岔等特殊地段应用比较困难。
②连续式与单元式轨道板(道床板)的功能设计比较。德国无砟轨道设计以连续式为主。连续式结构断缝(或接缝)较少,依靠其良好的结构整体性、连续性与均匀性解决了水平传力、限位和刚度连续等问题,层间联结处理相对简单。但结构难以修复,局部的损毁对整体的影响较大;修复后的部分难以恢复到以前的状态,必须一次成型,对结构的设计与施工要求很高。
日本单元板式结构以预制板分成许多相对独立的单元,解决了长条型混凝土的收缩开裂问题,但出现有规律的接缝、温度梯度引起翘曲等新问题。此类结构每个单元独立完成几乎所有的轨道功能,便于维修,个别单元维修和重建对整个无砟轨道的影响较小。
③全现浇与部分现浇、拼装式结构的设计比较。全现浇无砟轨道消除或减少了新旧混凝土结合面,不需要专门的预制工厂进行预制件生产;但需一次成型,对施工要求高,施工技术难度大。预制拼装或部分预制式无砟轨道,依靠工厂化生产有效地保证了关键部件的质量,有利于组织快速施工、保证精度和控制精度,新旧混凝土界面的处理是此类结构的重点。
4系统功能设计中的主要技术问题
4.1主要承载结构和承载层的确定
沿用有砟轨道的“轨排”理念,保留轨枕作为承载结构,在设计、制造和施工上都将有别于无枕式轨道。有枕式无砟轨道以单枕作为传力单元,垂向力以应力扩散角向下分布。无枕式设计多为板式结构,板是主要的承力、传力单元,增强了钢轨支点间的整体性,扩散了应力分布范围,施工速度快,工业化程度高,利于更换与维修。
承载层选择的典型方案有:①道床板作为承载层:如雷达、旭普林轨道。为使结构经济合理,采用刚度逐层降低的方式以适应应力的逐层扩散,对下层结构的要求逐层降低。道床板不考虑抵抗下部基础的变形,变形将直接反应到轨面,应严格加以控制。②轨道板和底座板承载:如日本板式轨道。轨道板和底座一起构成承载的主体。由于采用双层承载体系,荷载扩散分步进行。轨道板作为承载单元,整板承受并传递荷载,实现最优化;底座作为整个结构的基础,承受和传递轨道板传来的荷载,保证整个结构的稳定和控制变形,并能抵抗适度的下部基础变形。
4.2确定结构的纵向连续性
采用连续式结构(如路基上的雷达轨道)能平衡纵向力的作用,结构的整体性、连续性很强;受力与传力由整个体系共同完成;任何一段的毁损或失效都将影响到整个结构的整体性,难于修复;施工质量、裂缝控制和自由端锚固是其关键问题。采用单元式结构(如日本板),每一个单元都将独立完成该范围内的几乎所有功能:包括垂向力和水平力的传递、变形的控制与协调等。需强化单元板的限位和板端连接,避免有规律的接缝带来激振。
4.3确定结构的施工工艺
选择拼装或现浇的施工工艺对系统功能设计有重要影响。拼装式结构一般需要定位预制板的调整层。为保证达到调整、稳定和受力最佳的要求,对调整层材料的可施作性及耐久性、弹性模量等均有要求。现浇结构有部分现浇和全部现浇之分:部分现浇存在新老混凝土的联结界面,需要加强;全现浇结构现场一次施作,一次成型,施工工艺和精度要求极高,质量的可控性较差。
4.4适应性设计
适应性设计主要针对减振降噪、桥隧结构、岔区、过渡段和特殊应用环境进行结构优化与改进。针对不同的要求,功能设计中应有相应的体现。
4.5结构优化
结构优化是结合无砟轨道的功能设计与构造原则,实现功能合并、结构简洁、整体美观、构造协调和合理选材。在满足功能要求基础上尽可能简化结构,避免复杂的传力路径,有整体感和协调感。由各层的功能进行选材时,要认识到由此带来的稳定性、可靠性问题(如混凝土结构的开裂、表层混凝土的温度作用、连续式轨道与下部结构物的相互作用问题等),评估这些问题对结构功能的影响。
5结语
系统功能设计的理念应贯穿无砟轨道方案设计、结构选型、材料选择、方案优化和结构设计的全过程。从系统功能设计的角度建立无砟轨道的理论体系,实现了功能与结构的统一,各部件的功能定位为结构计算与设计提供了支撑。
无砟轨道具有承力与传力、变形控制、稳定性与耐久性要求、特殊功能要求和接口技术五大功能模块,需要在结构设计中得到体现和统一。
无砟轨道的分类和系统特征分析表明:无砟轨道存在有枕与无枕、单元式与连续式、拼装式与现浇等区别,表现了无砟轨道功能设计上的不同考虑。
承载结构和承载层的确定、结构的纵向连续性、施工工艺选择、适应性设计和结构优化等是无砟轨道功能设计中的主要技术问题,决定了无砟轨道的结构型式和设计原则。
参考文献：
[1]肖杰灵,刘学毅,杨荣山.无砟轨道系统功能设计的概念与内涵[J].铁道工程学报,2008,(3).
