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淺談無砟軌道系統功能論文
摘 要:完成系統功能是無砟軌道的主要目標,不同的結構型式和部件組成,其功能實現方式各異。從系統功能設計的角度建立無砟軌道的理論體系,有利于分析結構如何服務于功能,明確各部件的功能需求,識別結構體系可存在的主要問題,建立科學的分析方法。
關鍵詞:無砟軌道;系統;功能;設計
從系統的角度認識并分析無砟軌道典型的層狀體系和復雜的功能實現,是建立科學合理的無砟軌道設計理論與方法的基礎。通過深入分析無砟軌道的功能需求、結構特征和組件的功能定位,實現無砟軌道系統功能模塊化,組件設計功能化,可以為結構設計和選材、結構優化奠定基礎。
1 無砟軌道功能設計的主要內容
①分析無砟軌道的功能需求,明確設計條件為列車提供安全、可靠的運行平臺,實現承載、傳力和限位要求是無砟軌道的基本功能。功能需求分析通過研究運營條件和應用環境,確定修建的必要性,提出功能指標和相關標準。根據不同的線路要求和環境條件,可以確定主要技術指標,如軌道剛度、耐久性和可維修性、適應性、可施工性和減振降噪要求等。
、跓o砟軌道功能設計。在明確功能需求和設計條件的基礎上,分承力傳力、變形控制與調節、穩定性與耐久性要求、特殊功能要求和接口技術等功能模塊,初步確定結構型式和功能實現方式。某一功能可能由多個部件協同完成,同一個部件也可出現在不同的功能模塊中。功能模塊化后,各結構部件將有較明確的功能定位,為進一步的參數選擇和結構設計等提供依據。
、劢Y構分析與參數選擇。功能設計后,需要建立合適的計算模型,驗證和考察功能設計的可行性與合理性,修改和確定相關技術參數,優化軌道結構。這是一個需要反復調整功能模塊的劃分和部件功能設計的過程。
、芙Y構定型及材料選擇。結構定型和材料選擇是結構分析和參數選擇的結果,標志著無砟軌道結構設計基本完成。在定型和選材過程中可能需要一定量的實驗室或現場試驗驗證是否達到功能要求,必要時修改和完善設計。
2無砟軌道的主要功能模塊
根據無砟軌道的承力與傳力、變形控制與軌道幾何調整(軌向、高低、軌距和水平等)、穩定性和耐久性、特殊條件和相關接口等可以劃分主要的功能模塊。
2.1承力、傳力模塊
承力與傳力是軌道結構最基本、最重要的功能,主要有垂向、水平荷載的傳遞。
①垂向荷載的傳遞。列車活載是主要的垂向荷載,一般按從上至下逐層擴散傳遞。德國和日本在設計理念上略有區別。
德國沿用有砟的“單枕承載”理念。各層剛度由上至下逐層遞減,確保垂向荷載由扣件、軌枕至道床板逐層擴散傳遞。鋼軌支點力以“單枕”的形式傳至道床,應力流影響范圍較小(只影響到應力擴散角作用范圍內),各支點間的道床板應力梯度較大,結構部件主要承受壓力,屬于低應力設計,只需采用單層配筋控制裂紋寬度,保證結構的耐久性。
日本板采用了“整板承載”的設計理念。板下CA砂漿層提供了適當的彈性,垂向荷載從扣件傳至軌道板后,由整個軌道板分布傳遞,應力流影響范圍較大,枕跨間應力梯度較小。CA砂漿有效調整了軌道板的變形,協調了軌道板與底座的變形差,保證了軌道板整板受力和應力均布。
不管基于哪種理念,鋼軌支點處是受力最集中、應力梯度最大和疲勞作用最為嚴重的區域,該處的結構強度和耐久性直接影響到結構的使用壽命,為保證垂向傳載的可靠性和耐久性,宜設計為高強度的預制件。
、谒胶奢d的傳遞。層間約束直接影響到水平荷載的傳遞?v向連續、層間緊密聯結的無砟軌道,一般不再設計專門的水平荷載傳遞部件,如路基地段的雷達軌道。層間聯結不太緊密或單元式的無砟軌道結構,需要設計凸形擋臺、側向擋塊、板下凸臺(凹槽)和銷釘等水平力傳遞部件,實現水平限位和水平荷載的傳遞,如日本板式無砟軌道等。
2.2變形控制模塊
變形控制是高速軌道技術的核心技術,包括幾何形位的保持和調整、動態位移的控制等方面。幾何形位的保持和調整主要依靠合理的結構設計、精細的施工工藝和優良的扣件系統及三者的有機統一。結構上對扣件安裝平臺采用預制甚至機加工等措施,充分考慮扣件的調整能力和施工工藝的實現,確保幾何形位滿足要求。動態位移一般由軌道的剛度及結構部件間的構造縫隙決定,包括控制動態位移幅值及沿線路動態位移變化率,其實質是軌道剛度設計問題,對高速行車的舒適性和平穩性有重要影響,在功能設計階段考慮軌道的動力性能,并進行動力學特性評估。
2.3穩定性與耐久性要求
穩定性與耐久性是高速行車和結構經濟可靠的必然要求,體現在功能設計中有:①材料的選擇滿足穩定性和耐久性要求;②裂縫控制滿足使用條件的要求,保證壽命周期內不影響結構的功能;③傳力部件可靠性、穩定性評估,關鍵部件需要考慮失效模式、補救措施及修復成本;④部件劣化后對結構整體性及受力的影響需要加以評估。
2.4特殊功能要求
在下部基礎或環境要求比較特殊時,有針對性的改進或優化無砟軌道結構。具體環境和下部基礎通常決定了無砟軌道結構組成和材料的選擇。例如針對減振、降噪要求采用的浮置板、彈性支承塊、減振板和低剛度高性能扣件等;針對岔區設備的特殊設計;針對長大橋梁的更換和維修方面的考慮等。
2.5接口技術要求
鐵路大系統中的通信、信號、牽引供電和供電保護、橋隧涵基礎等都有可能對無砟軌道的設計提出要求,成為功能設計的一個方面。無砟軌道的功能分塊,一方面確保了功能的實現,另一方面保證了各功能模塊間的協調統一,有利于形成完整而成熟的系統。
3無砟軌道的結構分類及功能設計比較
3.1各類無砟軌道的主要功能設計比較
①有枕與無枕的功能設計比較。有枕式無砟軌道繼承和發展了有砟軌道成熟的“軌排”理念。靈活多樣的調整與固定方案,創造出多種無砟軌道結構型式。預制與現澆結合的方式和“單枕”靈活的調整能力,保證了其對曲線、岔區等特殊地段的廣泛適用性。軌枕是承力、傳力的基本單元。
無枕式無砟軌道消除了軌枕間的薄弱聯結,加強了鋼軌支點間的整體性,以板
作為承力、傳力主體。其中的預制板式軌道滿足了快速、機械化和工業化的施作需要,但板的適應能力稍差,在曲線、道岔等特殊地段應用比較困難。
、谶B續式與單元式軌道板(道床板)的功能設計比較。德國無砟軌道設計以連續式為主。連續式結構斷縫(或接縫)較少,依靠其良好的結構整體性、連續性與均勻性解決了水平傳力、限位和剛度連續等問題,層間聯結處理相對簡單。但結構難以修復,局部的損毀對整體的影響較大;修復后的部分難以恢復到以前的狀態,必須一次成型,對結構的設計與施工要求很高。
日本單元板式結構以預制板分成許多相對獨立的單元,解決了長條型混凝土的收縮開裂問題,但出現有規律的接縫、溫度梯度引起翹曲等新問題。此類結構每個單元獨立完成幾乎所有的軌道功能,便于維修,個別單元維修和重建對整個無砟軌道的影響較小。③全現澆與部分現澆、拼裝式結構的設計比較。全現澆無砟軌道消除或減少了新舊混凝土結合面,不需要專門的預制工廠進行預制件生產;但需一次成型,對施工要求高,施工技術難度大。預制拼裝或部分預制式無砟軌道,依靠工廠化生產有效地保證了關鍵部件的質量,有利于組織快速施工、保證精度和控制精度,新舊混凝土界面的處理是此類結構的重點。
4系統功能設計中的主要技術問題
4.1主要承載結構和承載層的確定
沿用有砟軌道的“軌排”理念,保留軌枕作為承載結構,在設計、制造和施工上都將有別于無枕式軌道。有枕式無砟軌道以單枕作為傳力單元,垂向力以應力擴散角向下分布。無枕式設計多為板式結構,板是主要的承力、傳力單元,增強了鋼軌支點間的整體性,擴散了應力分布范圍,施工速度快,工業化程度高,利于更換與維修。
承載層選擇的典型方案有:①道床板作為承載層:如雷達、旭普林軌道。為使結構經濟合理,采用剛度逐層降低的方式以適應應力的逐層擴散,對下層結構的要求逐層降低。道床板不考慮抵抗下部基礎的變形,變形將直接反應到軌面,應嚴格加以控制。②軌道板和底座板承載:如日本板式軌道。軌道板和底座一起構成承載的主體。由于采用雙層承載體系,荷載擴散分步進行。軌道板作為承載單元,整板承受并傳遞荷載,實現最優化;底座作為整個結構的基礎,承受和傳遞軌道板傳來的荷載,保證整個結構的穩定和控制變形,并能抵抗適度的下部基礎變形。
4.2確定結構的縱向連續性
采用連續式結構(如路基上的雷達軌道)能平衡縱向力的作用,結構的整體性、連續性很強;受力與傳力由整個體系共同完成;任何一段的毀損或失效都將影響到整個結構的整體性,難于修復;施工質量、裂縫控制和自由端錨固是其關鍵問題。采用單元式結構(如日本板),每一個單元都將獨立完成該范圍內的幾乎所有功能:包括垂向力和水平力的傳遞、變形的控制與協調等。需強化單元板的限位和板端連接,避免有規律的接縫帶來激振。
4.3確定結構的施工工藝
選擇拼裝或現澆的施工工藝對系統功能設計有重要影響。拼裝式結構一般需要定位預制板的調整層。為保證達到調整、穩定和受力最佳的要求,對調整層材料的可施作性及耐久性、彈性模量等均有要求。現澆結構有部分現澆和全部現澆之分:部分現澆存在新老混凝土的聯結界面,需要加強;全現澆結構現場一次施作,一次成型,施工工藝和精度要求極高,質量的可控性較差。
4.4適應性設計
適應性設計主要針對減振降噪、橋隧結構、岔區、過渡段和特殊應用環境進行結構優化與改進。針對不同的要求,功能設計中應有相應的體現。
4.5結構優化
結構優化是結合無砟軌道的功能設計與構造原則,實現功能合并、結構簡潔、整體美觀、構造協調和合理選材。在滿足功能要求基礎上盡可能簡化結構,避免復雜的傳力路徑,有整體感和協調感。由各層的功能進行選材時,要認識到由此帶來的穩定性、可靠性問題(如混凝土結構的開裂、表層混凝土的溫度作用、連續式軌道與下部結構物的相互作用問題等),評估這些問題對結構功能的影響。
5結語
系統功能設計的理念應貫穿無砟軌道方案設計、結構選型、材料選擇、方案優化和結構設計的全過程。從系統功能設計的角度建立無砟軌道的理論體系,實現了功能與結構的統一,各部件的功能定位為結構計算與設計提供了支撐。
無砟軌道具有承力與傳力、變形控制、穩定性與耐久性要求、特殊功能要求和接口技術五大功能模塊,需要在結構設計中得到體現和統一。
無砟軌道的分類和系統特征分析表明:無砟軌道存在有枕與無枕、單元式與連續式、拼裝式與現澆等區別,表現了無砟軌道功能設計上的不同考慮。
承載結構和承載層的確定、結構的縱向連續性、施工工藝選擇、適應性設計和結構優化等是無砟軌道功能設計中的主要技術問題,決定了無砟軌道的結構型式和設計原則。
參考文獻:
[1]肖杰靈,劉學毅,楊榮山.無砟軌道系統功能設計的概念與內涵[J].鐵道工程學報,2008,(3).
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