板式无砟轨道.docx

板式无碴轨道板式无砟轨道是用双向预应力混凝土轨道板及CA砂浆（乳化沥青水泥砂浆）替 换传统有砟轨道的轨枕和道砟的一种新型轨道形式，由板下混凝土底座、CA砂浆垫 层、轨道板、长钢轨及扣 件等四部分组成日本板式轨道特点（ 一）结构整体性能日本板式轨道具有无碴轨道所具有的线路稳定性、刚度均匀性好、线路平顺性、 耐久性高的突出优点，并 可显著减少线路的 维修工作量从轨道结构每延米重 量看，小于有碴轨道， 而板式轨道 结构高度低， 道床宽度小 ， 重量轻 框架式板式较轨 道为非预应力结构 ，便于制造可节 省钢筋和混凝土材 料， 降低桥 梁的二期恒载，造 价低廉，但没有降 低轨道板实际承受 列车荷载的有效强 度、 不影响 列车荷载的传递在隧道内应用时可减 小隧道的开挖断面 与德国博格板式轨道 相比，日本板式 轨道在基础上设置 了凸形挡台，因 此，纵向 与博格 板的连接不同凸形挡台与基础混 凝土板一起建造 ，依靠凸形挡台对 轨道板进 行定位，施工更为简便 日本板式轨道用的 轨道板，没有在工 厂内机械磨削的工 序， 制造相 对简单 二）制造和施工板式轨道结构中的轨 道板（RC或PRC）为工厂预制，其质量容 易控制，现场混 凝土施工量少，施工进度 较快；道床外表美 观；由于其采用 “由下至上 ”的施工方 法， 施工过 程中不需工具轨 ；在特殊减振及过 渡段区域，通过在预制轨道板底粘 贴弹性橡 胶垫层，易于实现下部基础对轨道的减 振要求（如日本板式轨道结构 中的防振G型）。

但在桥 上铺设时，受桥梁 不同跨度的影响 ，需要不同长度 的轨道板配合使用 ，无形中 增加了 制造成本；曲线地 段铺设时，线路 超高顺坡、曲线 矢度的实现对扣件 系统的要 求较高；板式轨道结构中CA砂浆调整层的施工质量直接影响轨道的耐久性；板式轨 道的制造、运输和施工的专业 性较强，包括：轨道板 的制造、运输、吊装、铺设； C A 砂浆的现场搅拌 、试验、运输和灌注 ；轨道状态整理过 程中的充填式垫板 树脂灌注 等 三）线路维修由于板式轨道水泥沥 青（CA）砂浆调整层的存在，受自然环 境因素的影响较大， 在结构凸形挡台周围及轨 道板底边缘的CA砂浆存在破损现象，特别是路纵向力 较大的伸缩调节器附近 因此日本铁路除 相应开发了修补用 的树脂砂浆外，在设计方 面，用强度高、弹性和 耐久性好的合成树 脂材料替代凸形挡 台周围的CA砂浆对于 轨道板底的CA砂浆调整层，以灌注 袋的形式取代初 期的设模式的直接 灌注，以减少 CA砂浆层的环境暴露面，从而显 著提高了板式轨道 结构的耐久性，以实现 无碴轨道 结构少 维修的设计初衷五、日 本板式轨道的应用各种型 式的板式轨道在山 阳、东北、上越、北陆和九州新干线的 桥梁、隧道和部 分路基 区段上广泛应用。

六 目前国内各种板 型的应用 : 目前国内使用的无砟轨道 板主要有 :德国博格板,日本单元板,纵联式双向预应力混 凝 土轨道 板以及在博格板和 日本单元板这两类 轨道板基础上的各 种改进型轨道板 .国内 现有的无砟轨道板精调测 量系统也是根据不 同类型的轨道板 ,直接全套引 进或参考德 国博格 板和日本单元板的 精调测量系统进行 的仿制和改进 .无碴轨道无碴轨道 -特点结构整 体的性能作为最主要的无碴轨道结 构型式之一，板式 轨道在日本新干线 应用广泛经过 30 余 年的经 验积累，日本新 干线板式轨道在设 计、施工及养护 维修等方面日趋成 熟自 2 0世纪至今，累计铺设里程已达2700多千米国内对板式无碴轨道的研究是随着对 高速铁路的研究不断深入 进行的，目前只在秦 沈线狗河特大桥（741）、双何特大桥（ 740），赣 龙线枫树排隧道 （ 719）以及遂渝线无 碴轨道综合试验段 上铺设，但尚 无大规 模铺设先例按照无碴轨道宜集中铺设的原则，本线在长度大于6km的隧道及相邻两铺设无 碴轨道的隧道间小于500m的桥梁和路基 铺设板式无碴轨道铺设范围包括“三隧两 桥” （依次为石板 山隧道、黑水坪大 桥、南梁隧道、孤 山大桥、太行山 隧道）以及其 间的路基，共计铺轨95.045km。

其中太行山隧道全长27.839，居亚洲在建铁路山岭 隧道之 首板式无碴轨道结构组 成板式无碴轨道由60kg/m钢轨、弹性分开式扣件、轨道板、乳化沥青水泥砂浆（C A砂浆）、混凝土凸形挡台及混凝土底 座等部分组成，轨下设置充填式垫 板对无碴轨道的研究尚 处于起步阶段，没有形成规范的无 碴轨道计算理论 ，在本线 板式无碴轨道设计过程中 ，我们在对中国 内的三重叠合梁模 型、德国的当量 叠合梁模 型深入研究基础上，采用 更为接近实际的有 限元梁—板模型石太客运专线作为中 国国内唯一一条集 高速客运与重载货 运于一体的客运专 线， 将首次大规模铺设板式无 碴轨道，而当前国 内尚没有形成规范 的无碴轨道计算理 论， 因此需 深入研究板式无碴 轨道受力规律，以 保证设计经济、合 理采用有限元理 论， 建立了板式无碴轨道的梁 —板模型，应用大型有限元工具 软件 A9BCB 对模型进行求 解应用有限单元理论建 立板式无碴轨道结 构的整体模型 ：钢轨采用弹性点 支承梁模 拟；扣件采用线性离散弹簧模 拟；轨道板采用板单 元进行模拟；CA砂浆调整层采用 实体单 元模拟；底座采用 弹性地基板模拟， 以反映下部基础对 轨道结构的支承作 用； 地基系 数采用 k30 进行计算。

为消除边界效应， 模型选取 3 块相邻的轨道板进 行计算，并以中间轨道 板作为主 要研究对象计算时，采 用大型工具软件 ansys 进行模型求解基本计算参数根据板式无碴轨道结 构特点，选取基本 计算参数板式无碴轨道参数影 响分析为获得最优的轨道结 构，采用有限元梁 —板模型研究 了主要参数对轨道 结构各组 成部分 力学响应的影响规 律如果没有特殊说 明，荷载作用于板中， CA 砂浆弹性模 量取 300MPa ，其它基本参数，计算结 果中轨道板或底座 弯矩均为每米范围 所受的弯 矩值，单位取KN・m/m无碴轨道-荷载作用位置根据试算，荷载作 用于板中和板端两 个位置时轨道结构 受力为最不利情况 ，因此 选取这 2种工况进行研究由表 2可知，荷载 作用于板中时 ，轨道板纵向正弯 矩、底 座纵横 向负弯矩较大；荷 载作用于板端时， 轨道板纵向负弯 矩、轨道板横向正 负弯 矩、CA砂浆最大反力以及底座横向纵横向正弯矩较大设计中，应该综合考虑这两 种荷载 作用工况下的最大 值扣件刚度扣件刚度分别采用 20KN/mm、 40KN/mm 、 60KN/mm、 80KN/mm 进行分析 轨道板和底座的弯矩以及CA砂浆最大反力都随着扣件刚度的增大而增大，但是当扣 件刚度 大于 40KN/mm 时，随着扣件刚 度增大，轨道板和 底座的弯矩变化趋 缓，底座 的横向 负弯矩当扣件刚度 大于 60KN/mm 时反而有所减小 。

无碴轨道 -轨道板宽度轨道板宽度分别采用 2.0m、 2.2m、 2.4m、 2.6m、 2.8m 进行分析随着轨道板宽度的增 大，轨道板纵向 弯矩逐渐减小；轨道板横向正弯矩 当轨道板 宽度小于 2.4m 时随 轨道板宽度的增大 而增大，当轨道板 宽度大于 2.4m 时随轨道板 宽度的 增大而减小；轨道 板横向负弯矩当轨 道板宽度 小于 2.2m 时随轨道 板宽度的 增大而减小，当轨道板宽 度大于2.2m时随轨道板宽度的增大而增大；CA砂浆反力 当轨道 板宽度小于 2.4m 时随轨道板宽 度的增大而减小， 当轨道板宽度大于 2.4m 时 变化不 明显；随着轨道板 宽度的增大，底 座纵横向正弯矩 均逐渐减小，纵横 向负弯矩 变化不 明显轨道板宽度为 2.0m 时，各 别力学指标明显偏 大，说明轨 道板不宜太窄 ，同时可 以看到轨道板宽 2.2~2.4m 是力学指标变化的一 个转折点 ，因此结合力学计 算及结构 设计， 从技术经济角度综 合分析，轨道板宽 度取 2.2~2.4m 是合适 的CA砂浆弹性模量CA砂浆弹性模量分别采用1O0MPa、300MPa、500MPa、1O0OMPa进行分析。

随着CA砂浆弹性模量的增大，轨道板弯矩减小，CA砂浆本身的反力增大，底 座弯矩增大，其中轨道板 纵向负弯矩和底座 纵横向负弯矩变化 不明显当CA砂浆弹性模量大于300MPa时，各力学指标变化趋缓，计算时其最大值可 取300MPa，同时考虑CA砂浆弹性模量的离散 性和轨道板受力的 最不利情况，最小 值取 100MPa无碴轨道-地基弹性系数地基弹性系数采用 K30， 分别按 50MPa/m 、190MPa/m,500M Pa/m,1000MPa/ m进行分析从表 6可知，随着地基弹性系 数增大，除轨道板横向 负弯矩增大外轨道 板其它弯 矩减小，CA砂浆反力变化不明显，底座弯矩减小由此可知，隧道、桥梁 地段由于 基础刚度较土质路基大， 对轨道结构整体而 言受力是有利 的列车竖向荷载作用下 板式轨道最不利弯 矩计算基本参数取值，同时考虑荷载作用位置以及CA砂浆弹性模量的离散性对计算结 果的影 响，计算列车竖向 荷载作用下板式轨 道的最不利弯矩在板式轨道力学计算 中，荷载作用位置、扣 件刚度、轨道板宽度、CA砂浆弹性 模量以 及地基弹性系数等 基本参数的取值是 影响计算结果正确 与否的主要因素 ，只有 基本参 数合理才能保证计 算结果的准确，为 结构设计提供依据 。

计算列车竖向荷载作 用下轨道板和底座 的最不利弯矩时 ，荷载作用位置 应分别考 虑位于板中及板端两种工况；CA砂浆弹性模量应考虑离散性，按100MPa和300M Pa 分别计算 路基地段地基弹性系 数采用 K30 时取 190MPa/m 是最不利情况，计算 结果较隧 道和桥 梁地段偏大无碴轨道-缺点无碴轨道具有高稳定 性、少维修、寿命长的优点， 并在国外铁 路获得了广泛应用 2005 年德国 出版的《轨道概论 》对无碴轨道的 缺点做了如下总结 ：1) Rheda 投资要比有碴轨道多 1.5倍以上科 隆一法兰克福线预算 46亿欧元， 实际费用大约为60亿欧元，增加大约30%,如此高的初期投资包括巨大的资本成本 有碴轨道成本为350欧元/m，无碴轨道最低为500欧元/m，最大为750—1100欧元 /m即使施工方法得到优化，建设长度增加，成本系数仍达到1・5—2・0无碴轨道相对有碴轨 道的经济效益仅能 从有碴轨道需要增 加的维修费用计算 得 到现在有碴轨道的 维修在很大程度 上实现了机械化和 自动化，比手工作业费用要低 并能够持久地保持轨道几 何状态；无碴轨道也需要维修，钢轨打磨工作量相 对有碴轨 道要增 加，随着无碴轨道 使用时间的增加， 伤损将增多，经济 效益相对来说将降 低， 而且无碴轨道的修复工作 比较复杂， 并需要大量费用和时间 ，一旦损坏引起 长期关闭 线路带 来的投入将相当大 ，也是初期无法计 算或预料的。

隧道内的无碴轨道相 对有碴轨道具有良 好的经济效益 但桥上和路基上 的无碴轨 道往往经济效益差一些，限制基础的长期沉降需要额 外的费用，比有碴轨道要增加 2. 0〜2.5倍2）混凝土无碴 轨道为刚性承载层 ，当达到承载强度 极限时将产生断裂，并引起轨 道几何 尺寸的突然变化和 难以预见的恶化3）总体上来说，无碴轨道建设和 维修都没有达到自 动化程度无碴轨道 的质量需 要高水平的养护措施提供 保障这意味 着在施工工序和质 量控制方面都要增 加额外的 费用和时间建设期间的质量缺陷将为整 个使用寿命期留下隐患，并需要花费高昂的 代价进行弥补4） 无碴轨道作 为刚性结构，在后 期运营阶段仅允许 做少量的完善，比如 改善轨道 。