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淺談無(wú)砟軌道系統(tǒng)功能論文
摘 要：完成系統(tǒng)功能是無(wú)砟軌道的主要目標(biāo),不同的結(jié)構(gòu)型式和部件組成,其功能實(shí)現(xiàn)方式各異。從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的角度建立無(wú)砟軌道的理論體系,有利于分析結(jié)構(gòu)如何服務(wù)于功能,明確各部件的功能需求,識(shí)別結(jié)構(gòu)體系可存在的主要問(wèn)題,建立科學(xué)的分析方法。
關(guān)鍵詞：無(wú)砟軌道；系統(tǒng);功能；設(shè)計(jì)
從系統(tǒng)的角度認(rèn)識(shí)并分析無(wú)砟軌道典型的層狀體系和復(fù)雜的功能實(shí)現(xiàn),是建立科學(xué)合理的無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法的基礎(chǔ)。通過(guò)深入分析無(wú)砟軌道的功能需求、結(jié)構(gòu)特征和組件的功能定位,實(shí)現(xiàn)無(wú)砟軌道系統(tǒng)功能模塊化,組件設(shè)計(jì)功能化,可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
1 無(wú)砟軌道功能設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
�、俜治鰺o(wú)砟軌道的功能需求,明確設(shè)計(jì)條件為列車(chē)提供安全、可靠的運(yùn)行平臺(tái),實(shí)現(xiàn)承載、傳力和限位要求是無(wú)砟軌道的基本功能。功能需求分析通過(guò)研究運(yùn)營(yíng)條件和應(yīng)用環(huán)境,確定修建的必要性,提出功能指標(biāo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的線(xiàn)路要求和環(huán)境條件,可以確定主要技術(shù)指標(biāo),如軌道剛度、耐久性和可維修性、適應(yīng)性、可施工性和減振降噪要求等。
�、跓o(wú)砟軌道功能設(shè)計(jì)。在明確功能需求和設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上,分承力傳力、變形控制與調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性與耐久性要求、特殊功能要求和接口技術(shù)等功能模塊,初步確定結(jié)構(gòu)型式和功能實(shí)現(xiàn)方式。某一功能可能由多個(gè)部件協(xié)同完成,同一個(gè)部件也可出現(xiàn)在不同的功能模塊中。功能模塊化后,各結(jié)構(gòu)部件將有較明確的功能定位,為進(jìn)一步的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。
�、劢Y(jié)構(gòu)分析與參數(shù)選擇。功能設(shè)計(jì)后,需要建立合適的計(jì)算模型,驗(yàn)證和考察功能設(shè)計(jì)的可行性與合理性,修改和確定相關(guān)技術(shù)參數(shù),優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)需要反復(fù)調(diào)整功能模塊的劃分和部件功能設(shè)計(jì)的過(guò)程。
�、芙Y(jié)構(gòu)定型及材料選擇。結(jié)構(gòu)定型和材料選擇是結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)選擇的結(jié)果,標(biāo)志著無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本完成。在定型和選材過(guò)程中可能需要一定量的實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證是否達(dá)到功能要求,必要時(shí)修改和完善設(shè)計(jì)。
2無(wú)砟軌道的主要功能模塊
根據(jù)無(wú)砟軌道的承力與傳力、變形控制與軌道幾何調(diào)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(guān)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(jié)構(gòu)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(chē)活載是主要的垂向荷載,一般按從上至下逐層擴(kuò)散傳遞。德國(guó)和日本在設(shè)計(jì)理念上略有區(qū)別。
德國(guó)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(kuò)散傳遞。鋼軌支點(diǎn)力以“單枕”的形式傳至道床,應(yīng)力流影響范圍較小(只影響到應(yīng)力擴(kuò)散角作用范圍內(nèi)),各支點(diǎn)間的道床板應(yīng)力梯度較大,結(jié)構(gòu)部件主要承受壓力,屬于低應(yīng)力設(shè)計(jì),只需采用單層配筋控制裂紋寬度,保證結(jié)構(gòu)的耐久性。
日本板采用了“整板承載”的設(shè)計(jì)理念。板下CA砂漿層提供了適當(dāng)?shù)膹椥?垂向荷載從扣件傳至軌道板后,由整個(gè)軌道板分布傳遞,應(yīng)力流影響范圍較大,枕跨間應(yīng)力梯度較小。CA砂漿有效調(diào)整了軌道板的變形,協(xié)調(diào)了軌道板與底座的變形差,保證了軌道板整板受力和應(yīng)力均布。
不管基于哪種理念,鋼軌支點(diǎn)處是受力最集中、應(yīng)力梯度最大和疲勞作用最為嚴(yán)重的區(qū)域,該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命,為保證垂向傳載的可靠性和耐久性,宜設(shè)計(jì)為高強(qiáng)度的預(yù)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。縱向連續(xù)、層間緊密聯(lián)結(jié)的無(wú)砟軌道,一般不再設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的水平荷載傳遞部件,如路基地段的雷達(dá)軌道。層間聯(lián)結(jié)不太緊密或單元式的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),需要設(shè)計(jì)凸形擋臺(tái)、側(cè)向擋塊、板下凸臺(tái)(凹槽)和銷(xiāo)釘?shù)人搅鬟f部件,實(shí)現(xiàn)水平限位和水平荷載的傳遞,如日本板式無(wú)砟軌道等。
2.2變形控制模塊
變形控制是高速軌道技術(shù)的核心技術(shù),包括幾何形位的保持和調(diào)整、動(dòng)態(tài)位移的控制等方面。幾何形位的保持和調(diào)整主要依靠合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精細(xì)的施工工藝和優(yōu)良的扣件系統(tǒng)及三者的有機(jī)統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)上對(duì)扣件安裝平臺(tái)采用預(yù)制甚至機(jī)加工等措施,充分考慮扣件的調(diào)整能力和施工工藝的實(shí)現(xiàn),確保幾何形位滿(mǎn)足要求。動(dòng)態(tài)位移一般由軌道的剛度及結(jié)構(gòu)部件間的構(gòu)造縫隙決定,包括控制動(dòng)態(tài)位移幅值及沿線(xiàn)路動(dòng)態(tài)位移變化率,其實(shí)質(zhì)是軌道剛度設(shè)計(jì)問(wèn)題,對(duì)高速行車(chē)的舒適性和平穩(wěn)性有重要影響,在功能設(shè)計(jì)階段考慮軌道的動(dòng)力性能,并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性評(píng)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(chē)和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)可靠的必然要求,體現(xiàn)在功能設(shè)計(jì)中有:①材料的選擇滿(mǎn)足穩(wěn)定性和耐久性要求;②裂縫控制滿(mǎn)足使用條件的要求,保證壽命周期內(nèi)不影響結(jié)構(gòu)的功能;③傳力部件可靠性、穩(wěn)定性評(píng)估,關(guān)鍵部件需要考慮失效模式、補(bǔ)救措施及修復(fù)成本;④部件劣化后對(duì)結(jié)構(gòu)整體性及受力的影響需要加以評(píng)估。
2.4特殊功能要求
在下部基礎(chǔ)或環(huán)境要求比較特殊時(shí),有針對(duì)性的改進(jìn)或優(yōu)化無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。具體環(huán)境和下部基礎(chǔ)通常決定了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)組成和材料的選擇。例如針對(duì)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(duì)岔區(qū)設(shè)備的特殊設(shè)計(jì);針對(duì)長(zhǎng)大橋梁的更換和維修方面的考慮等。
2.5接口技術(shù)要求
鐵路大系統(tǒng)中的通信、信號(hào)、牽引供電和供電保護(hù)、橋隧涵基礎(chǔ)等都有可能對(duì)無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)提出要求,成為功能設(shè)計(jì)的一個(gè)方面。無(wú)砟軌道的功能分塊,一方面確保了功能的實(shí)現(xiàn),另一方面保證了各功能模塊間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,有利于形成完整而成熟的系統(tǒng)。
3無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)分類(lèi)及功能設(shè)計(jì)比較
3.1各類(lèi)無(wú)砟軌道的主要功能設(shè)計(jì)比較
�、儆姓砼c無(wú)枕的功能設(shè)計(jì)比較。有枕式無(wú)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(diào)整與固定方案,創(chuàng)造出多種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式。預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)合的方式和“單枕”靈活的調(diào)整能力,保證了其對(duì)曲線(xiàn)、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(wú)枕式無(wú)砟軌道消除了軌枕間的薄弱聯(lián)結(jié),加強(qiáng)了鋼軌支點(diǎn)間的整體性,以板
作為承力、傳力主體。其中的預(yù)制板式軌道滿(mǎn)足了快速、機(jī)械化和工業(yè)化的施作需要,但板的適應(yīng)能力稍差,在曲線(xiàn)、道岔等特殊地段應(yīng)用比較困難。
�、谶B續(xù)式與單元式軌道板(道床板)的功能設(shè)計(jì)比較。德國(guó)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)以連續(xù)式為主。連續(xù)式結(jié)構(gòu)斷縫(或接縫)較少,依靠其良好的結(jié)構(gòu)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(wèn)題,層間聯(lián)結(jié)處理相對(duì)簡(jiǎn)單。但結(jié)構(gòu)難以修復(fù),局部的損毀對(duì)整體的影響較大;修復(fù)后的部分難以恢復(fù)到以前的狀態(tài),必須一次成型,對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工要求很高。
日本單元板式結(jié)構(gòu)以預(yù)制板分成許多相對(duì)獨(dú)立的單元,解決了長(zhǎng)條型混凝土的收縮開(kāi)裂問(wèn)題,但出現(xiàn)有規(guī)律的接縫、溫度梯度引起翹曲等新問(wèn)題。此類(lèi)結(jié)構(gòu)每個(gè)單元獨(dú)立完成幾乎所有的軌道功能,便于維修,個(gè)別單元維修和重建對(duì)整個(gè)無(wú)砟軌道的影響較小。③全現(xiàn)澆與部分現(xiàn)澆、拼裝式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較。全現(xiàn)澆無(wú)砟軌道消除或減少了新舊混凝土結(jié)合面,不需要專(zhuān)門(mén)的預(yù)制工廠(chǎng)進(jìn)行預(yù)制件生產(chǎn);但需一次成型,對(duì)施工要求高,施工技術(shù)難度大。預(yù)制拼裝或部分預(yù)制式無(wú)砟軌道,依靠工廠(chǎng)化生產(chǎn)有效地保證了關(guān)鍵部件的質(zhì)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(lèi)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)。
4系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問(wèn)題
4.1主要承載結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)、制造和施工上都將有別于無(wú)枕式軌道。有枕式無(wú)砟軌道以單枕作為傳力單元,垂向力以應(yīng)力擴(kuò)散角向下分布。無(wú)枕式設(shè)計(jì)多為板式結(jié)構(gòu),板是主要的承力、傳力單元,增強(qiáng)了鋼軌支點(diǎn)間的整體性,擴(kuò)散了應(yīng)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(dá)、旭普林軌道。為使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理,采用剛度逐層降低的方式以適應(yīng)應(yīng)力的逐層擴(kuò)散,對(duì)下層結(jié)構(gòu)的要求逐層降低。道床板不考慮抵抗下部基礎(chǔ)的變形,變形將直接反應(yīng)到軌面,應(yīng)嚴(yán)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(gòu)成承載的主體。由于采用雙層承載體系,荷載擴(kuò)散分步進(jìn)行。軌道板作為承載單元,整板承受并傳遞荷載,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化;底座作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),承受和傳遞軌道板傳來(lái)的荷載,保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和控制變形,并能抵抗適度的下部基礎(chǔ)變形。
4.2確定結(jié)構(gòu)的縱向連續(xù)性
采用連續(xù)式結(jié)構(gòu)(如路基上的雷達(dá)軌道)能平衡縱向力的作用,結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性很強(qiáng);受力與傳力由整個(gè)體系共同完成;任何一段的毀損或失效都將影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體性,難于修復(fù);施工質(zhì)量、裂縫控制和自由端錨固是其關(guān)鍵問(wèn)題。采用單元式結(jié)構(gòu)(如日本板),每一個(gè)單元都將獨(dú)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(diào)等。需強(qiáng)化單元板的限位和板端連接,避免有規(guī)律的接縫帶來(lái)激振。
4.3確定結(jié)構(gòu)的施工工藝
選擇拼裝或現(xiàn)澆的施工工藝對(duì)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)有重要影響。拼裝式結(jié)構(gòu)一般需要定位預(yù)制板的調(diào)整層。為保證達(dá)到調(diào)整、穩(wěn)定和受力最佳的要求,對(duì)調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)界面,需要加強(qiáng);全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)一次施作,一次成型,施工工藝和精度要求極高,質(zhì)量的可控性較差。
4.4適應(yīng)性設(shè)計(jì)
適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要針對(duì)減振降噪、橋隧結(jié)構(gòu)、岔區(qū)、過(guò)渡段和特殊應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)。針對(duì)不同的要求,功能設(shè)計(jì)中應(yīng)有相應(yīng)的體現(xiàn)。
4.5結(jié)構(gòu)優(yōu)化
結(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)合無(wú)砟軌道的功能設(shè)計(jì)與構(gòu)造原則,實(shí)現(xiàn)功能合并、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、整體美觀(guān)、構(gòu)造協(xié)調(diào)和合理選材。在滿(mǎn)足功能要求基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),避免復(fù)雜的傳力路徑,有整體感和協(xié)調(diào)感。由各層的功能進(jìn)行選材時(shí),要認(rèn)識(shí)到由此帶來(lái)的穩(wěn)定性、可靠性問(wèn)題(如混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、表層混凝土的溫度作用、連續(xù)式軌道與下部結(jié)構(gòu)物的相互作用問(wèn)題等),評(píng)估這些問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)功能的影響。
5結(jié)語(yǔ)
系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的理念應(yīng)貫穿無(wú)砟軌道方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、材料選擇、方案優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的角度建立無(wú)砟軌道的理論體系,實(shí)現(xiàn)了功能與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一,各部件的功能定位為結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)提供了支撐。
無(wú)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(shù)五大功能模塊,需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn)和統(tǒng)一。
無(wú)砟軌道的分類(lèi)和系統(tǒng)特征分析表明:無(wú)砟軌道存在有枕與無(wú)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(wú)砟軌道功能設(shè)計(jì)上的不同考慮。
承載結(jié)構(gòu)和承載層的確定、結(jié)構(gòu)的縱向連續(xù)性、施工工藝選擇、適應(yīng)性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等是無(wú)砟軌道功能設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問(wèn)題,決定了無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)原則。
參考文獻(xiàn)：
[1]肖杰靈,劉學(xué)毅,楊榮山.無(wú)砟軌道系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的概念與內(nèi)涵[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008,(3).
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