淺談無砟軌道系統(tǒng)功能論文

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　　摘 要：完成系統(tǒng)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(xiàn)方式各異。從系統(tǒng)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(tǒng);功能；設計從系統(tǒng)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(xiàn),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(xiàn)無砟軌道系統(tǒng)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(yōu)化奠定基礎。

　　1 無砟軌道功能設計的主要內(nèi)容

　�、俜治鰺o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(xiàn)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(huán)境,確定修建的必要性,提出功能指標和相關標準。根據(jù)不同的線路要求和環(huán)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(jié)、穩(wěn)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(xiàn)方式。某一功能可能由多個部件協(xié)同完成,同一個部件也可出現(xiàn)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(shù)選擇和結構設計等提供依據(jù)。

　　③結構分析與參數(shù)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(shù),優(yōu)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(shù)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(xiàn)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(jù)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(wěn)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。

　�、俅瓜蚝奢d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(qū)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(nèi)),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?shù)膹椥?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(xié)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(qū)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�平荷載的傳遞。層間約束直接影響到水平荷載的傳遞�？v向連續(xù)、層間緊密聯(lián)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(lián)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?shù)人�平力傳遞部件,實現(xiàn)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(tài)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(yōu)良的扣件系統(tǒng)及三者的有機統(tǒng)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(xiàn),確保幾何形位滿足要求。動態(tài)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(tài)位移幅值及沿線路動態(tài)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(wěn)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(wěn)定性與耐久性要求

　　穩(wěn)定性與耐久性是高速行車和結構經(jīng)濟可靠的必然要求,體現(xiàn)在功能設計中有:①材料的選擇滿足穩(wěn)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(nèi)不影響結構的功能;③傳力部件可靠性、穩(wěn)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(huán)境要求比較特殊時,有針對性的改進或優(yōu)化無砟軌道結構。具體環(huán)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(qū)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(tǒng)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(xiàn),另一方面保證了各功能模塊間的協(xié)調統(tǒng)一,有利于形成完整而成熟的系統(tǒng)。

　　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

　�、儆姓砼c無枕的功能設計比較。有枕式無砟軌道繼承和發(fā)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(chuàng)造出多種無砟軌道結構型式。預制與現(xiàn)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(qū)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(lián)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(yè)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(xù)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(xù)式為主。連續(xù)式結構斷縫(或接縫)較少,依靠其良好的結構整體性、連續(xù)性與均勻性解決了水平傳力、限位和剛度連續(xù)等問題,層間聯(lián)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(tài),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(xiàn)有規(guī)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(xiàn)澆與部分現(xiàn)澆、拼裝式結構的設計比較。全現(xiàn)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(chǎn);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(chǎn)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(tǒng)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(yè)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(jīng)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(xiàn)最優(yōu)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(wěn)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(xù)性

　　采用連續(xù)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(xù)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(nèi)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(xié)調等。需強化單元板的限位和板端連接,避免有規(guī)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(xiàn)澆的施工工藝對系統(tǒng)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(wěn)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�，F(xiàn)澆結構有部分現(xiàn)澆和全部現(xiàn)澆之分:部分現(xiàn)澆存在新老混凝土的聯(lián)結界面,需要加強;全現(xiàn)澆結構現(xiàn)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(qū)、過渡段和特殊應用環(huán)境進行結構優(yōu)化與改進。針對不同的要求,功能設計中應有相應的體現(xiàn)。

　　4.5結構優(yōu)化

　　結構優(yōu)化是結合無砟軌道的功能設計與構造原則,實現(xiàn)功能合并、結構簡潔、整體美觀、構造協(xié)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(xié)調感。由各層的功能進行選材時,要認識到由此帶來的穩(wěn)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(xù)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(tǒng)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(yōu)化和結構設計的全過程。從系統(tǒng)功能設計的角度建立無砟軌道的理論體系,實現(xiàn)了功能與結構的統(tǒng)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(wěn)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(xiàn)和統(tǒng)一。

　　無砟軌道的分類和系統(tǒng)特征分析表明:無砟軌道存在有枕與無枕、單元式與連續(xù)式、拼裝式與現(xiàn)澆等區(qū)別,表現(xiàn)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(xù)性、施工工藝選擇、適應性設計和結構優(yōu)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(tǒng)功能設計的概念與內(nèi)涵[J].鐵道工程學報.

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