设置减振垫层的双块式无砟轨道分块长度静力学分析研究.pdf

·轨道工程·收稿日期：２０１４０８０４设置减振垫层的双块式无砟轨道分块长度静力学分析研究张娅敏（中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　４３００６３）摘　要　针对穗莞深城际隧道内需进行特殊减振，但现场预留轨道结构高度受限的实际情况，推荐采用设置减振垫层的双块式无砟轨道，并对单元板长度的合理取值通过建立有限元模型进行了静力学计算分析。通过建立梁　－板模型进行钢轨及轨道板的受力分析，结果发现钢轨垂向位移及道床板应力不控制道床板分块长度设计，故综合规范及维修性、施工组织等多方面因素，最终确定了合理的道床板长。关键词　减振垫层　双块式无砟轨道　静力学　钢轨垂向位移　道床板应力中图分类号　　　　Ｕ２１３．２＋１文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１４）１２　００５１０４　　　　　　　　·　　ⅢⅣⅠ“”ⅠⅢⅠ” Ⅳ·”　ⅢⅣⅠ　ⅠⅠ　　　　 ⅣⅢ　Ⅰ　ⅢⅣⅢ”ⅠⅢ”　　ＺｈａｎｇＹａｍｉｎ（　　　　　　　ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，　Ｗｕｈａｎ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　　　　　　ＢｉｂｌｏｃｋｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｔｒａｃｋｗｉｔｈｅｌａｓｔｉｃｄａｍｐｉｎｇｃｕｓｈｉｏｎｉｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｉｎＧｕａｎｇｚｈｏｕＤｏｎｇｇｕａｎＳｈｅｎｚｈｅｎＩｎ　　　　　　　　　　　　　　　ｔｅｒｃｉｔｙＲａｉｌｗａｙｉｎｖｉｅｗｏｆｄｅｍａｎｄｓｏｆｓｐｅｃｉａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｔｒａｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈｅｉｇｈｔ；　　ｔｈｕｓｓｔａｔｉｃｃａｌｃｕｌａ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｉｓｄｏｎｅｏｎｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｒａｃｋｓｌａｂｂｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ．Ｉｔ　　ｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ　　　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒａｉｌ　　　　　　　　ａｎｄｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｔｒａｃｋｓｌａｂｄｏｎｏｔｃｏｎｔｒｏｌ　　　　　　　　　ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｕｎｉｔｔｒａｃｋｓｌａｂａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ　　　ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒａｉｌ　　　　　　　　　　　　　　　ａｎｄｔｒａｃｋｓｌａｂｂｙｂｅａｍｐｌａｔｅｍｏｄｅｌ．Ａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｒａｃｋｓｌａｂｉｓｆｉｎａｌｉｚｅｄｗｈｅｎｔａｋｉｎｇｉｎｔｏ　　　　　　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｌｉｋｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｓ，　　　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｓ，ｅｔｃ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　　ｅｌａｓｔｉｃｄａｍｐｉｎｇｃｕｓｈｉｏｎ；　　ｂｉｂｌｏｃｋｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｔｒａｃｋ；ｓｔａｔｉｃｓ；ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　　ｏｆｔｈｅｒａｉｌ；　　ｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅ　ｔｒａｃｋｓｌａｂ　　１研究背景　　　１．１项目概况穗莞深城际自广深Ⅲ、Ⅳ线新塘站附近引出，终点为深圳机场站，全线长　　７４ｋｍ。正线除东江南特大桥主桥（（　　１４４＋２６４＋１４４）ｍ　加劲连续钢桁梁）附近采用有砟轨道外，其他地段均采用　ＣＲＴＳⅠ型双块式无砟轨道。全线设计速度　　１４０ｋｍ／ｈ。　　１．２环评要求根据广东省环保局　２００８　年　１２　月《关于穗莞深城际轨道交通项目（莞深段）环境影响报告书的批复》（粤环审［２００８］４９３　号），环评提出减振要求见表　１。由表　１　可知：　　　ＤＫ４２＋９５０～ＤＫ４３＋５００（隧道）及　　　　ＤＫ５１＋９８０～ＤＫ５４＋３２０（隧道）共　　５．７８ｋｍ（单线长度）为特殊减振地段。　　１．３现场情况穗莞深城际　２００９　年开工建设，由于项目前期一直未明确减振轨道结构型式，隧道已按一般隧道地段轨道结构高度　　５１５ｍｍ　进行施工或购置盾构机，轨道结构高度增加难度较大，考虑过轨管线等原因最大可增至　　５４５ｍｍ。１５铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（　１２）·轨道工程·表　　　１特殊减振地段统计行政区划敏感点名称线路里程位置最近距离／ｍ埋深／ｍ减振位置长度东莞溪头村郭武村小捷蟯村　　　ＤＫ４２＋９５０～ＤＫ４３＋５００　　　ＤＫ５２＋０００～ＤＫ５２＋９００　　　ＤＫ５２＋９００～ＤＫ５４＋３２００１０７　１０．１～１５．２　１０．１～２０．２　８．２～２０．３　　　ＤＫ４２＋９５０～ＤＫ４３＋５００　两侧　　　ＤＫ５１＋９８０～ＤＫ５４＋３２０　两侧５５０　双线米　２３４０　双线米东莞段小计　２８９０　　经与现场核实：　　　ＤＫ４２＋９５０～ＤＫ４３＋５００　段采用矿山法施工，此段已施工；　　　ＤＫ５１＋９８０～ＤＫ５４＋３２０段采用盾构法施工，未施工，但盾构机已购买。隧道内原设计横断面如图　１　所示（以圆形断面为例）。图　　　１盾构法施工隧道横断面图（圆形）　　　１．４推荐方案针对现场实际条件，综合比选各种减振措施，推荐穗莞深城际隧道内减振地段采用设置减振垫层的双块式无砟轨道。轨道结构由钢轨、　ＷＪ－８Ｂ弹性扣件、双块式轨枕、道床板、限位凹槽及周围弹性垫层、板下弹性垫层等部分组成，其典型横断面如图　２　所示（以圆形断面为例）。图　　２设置减振垫层的隧道内轨道结构　横断面示意图（盾构法圆形隧道）　无砟轨道采用单元分块式结构，轨道结构高度见表　２。　２结构计算针对单元板分块长度如何取值，通过建立静力学模型进行计算分析如下。表　　２设置减振垫层的双块式无砟轨道结构高度ｍｍ　　组成基础　　钢轨扣件　承轨台道床板弹性垫层合计隧道１７６３４４５２６０３０５４５　　２．１计算模型“采用梁　－”板模型，运用有限元法进行计算：钢轨采用梁单元，可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元；扣件采用弹簧单元，具有非线形功能的单向单元，可对此单元输入广义的力　－变形曲线；道床板采用弹性壳单元，选取单元具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。弹性垫层也采用弹簧模拟，该弹簧单元能够传递垂向压力，但不能传递拉力。“隧道内减振双块式无砟轨道梁　－”板模型如图　３　所示，模型建立了　４　块道床板，弹性垫层在道床板下满铺。图　　３“梁　－”板分析模型　　２．２计算参数及工况（１）钢轨：采用　ＣＨＮ６０　钢轨。（２）扣件节点间距为　　６５０ｍｍ。（３）扣件动刚度取　　　３５ｋＮ／ｍｍ（　ＷＪ－８Ｂ）。（４　　　　）道床板：板长取　５　７５０ｍｍ、　　６４００ｍｍ、　　７０５０ｍｍ三种分别计算。道床板厚度为　　２６０ｍｍ、宽２５铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（　１２）·轨道工程·度为　　２８００ｍｍ、道床板的混凝土强度等级为　Ｃ４０（弹性模量取　　　３２５００ＭＰａ）。（５）弹性垫层：选取道垫　ＵＳＭ２０３０（静力基础模量　　０．０３Ｎ／ｍｍ３）。（６）设计轮载：穗莞深城际铁路，设计时速　１４０ｋｍ，静轴重　　１７ｔ，取动载系数为　２．０，设计动轮载为　　１７０ｋＮ。　２．３受力计算结果　　２．３．１钢轨位移计算结果见表　３，表　３　“”中板中即为列车荷载“”作用于轨道板板中扣件节点处，板端即为列车荷载作用于轨道板端部的扣件节点处；列车设计荷载作用下钢轨垂向位移见表　３　及图　４。表　　３列车设计荷载作用下钢轨垂向位移ｍｍ荷载位置道床板长度　　５７５０ｍｍ　　６４００ｍｍ　　７０５０ｍｍ板中３．１４１３．１３４３．１２７板端３．３４６３．３４５３．３４５　２．３．２道床板应力计算结果见表４，表４　“”中纵向为结构沿线路方“”向的弯应力，横向为结构沿线路平面垂直方向的“”“”弯应力；上即为上表面，下即为下表面。列车设计荷载作用下道床板纵横向应力见表４　及图５。图　　４钢轨垂向位移图　表　　４列车设计荷载作用下轨道结构拉应力结果ＭＰａ荷载位置　　５７５０ｍｍ　道床板　　６４００ｍｍ　道床板　　７０５０ｍｍ道床板纵向横向纵向横向纵向横向上下上下上下上下上下上下板中０．０２６２．７８２０．０２６　１．３６６０．１９７２．７３５０．０３１　１．３７００．１９５２．６９０．０３１　１．３７４板端　１．０６３０．４９０．０５２　１．２２１　１．０７８０．４９０．０５２　１．２２２１．０８０．４９０．０５３　１．２２２　２．４计算结果分析根据上述计算结果，研究钢轨垂向位移与单元道床板长度的关系如图　６　所示。故当荷载作用作用于道床板中部时，钢轨最大竖向位移随板长增加而降低；当荷载作用作用于道床板端部时，钢轨最大竖向位移随板长变化几乎无改变。根据上述计算结果，研究道床板纵、横向应力与单元道床板长度的关系如图　７　所示。３５铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（　１２）·轨道工程·图　　５道床板纵横向应力图　图　　６板长对钢轨垂向位移的影响　　　根据以上图表可看出，道床板上下层纵横向应力随轨道板长度的变化影响不大，尤其是当荷载作用于板端时，道床板应力值改变极小。因此可认为道床板应力不是道床板分块长度设计的控制因素。　３结论（１）通过计算分析，发现轨道板长度为　　　５７５０ｍｍ，　　６４００ｍｍ或者　　　７０５０ｍｍ　时，对钢轨垂向位移及道床板受力影响不大，均能满足结构受力要求。因此，钢轨垂向位移及道床板应力不控制道床板分块长度设计。图　　７板长对道床板纵横向应力的影响图（下转第　６８　页）４５铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（　１２）·设备／仪器·记录、车辆基本信息等统计、查询。统计报表：按照用户的要求，可以按照时段、车辆、进行信息统计，提供按时间、车辆的工作量报表。（５）异常处理模块异常处理模块包括智能处理、报警提示功能，对车辆在驶入过程中出现的异常情况进行自动处理或语音提示人工处理。系统的软件部分，适用于　　ＷｉｎｄｏｗＸＰ，ＷｉｎｄｏｗｓＶｉｓｔａ，　Ｗｉｎｄｏｗｓ７　操作系统，采用　ＡＣＣＥＳＳ　数据库管理，需要安装　　Ｏｆｆｉｃｅ２００３　或　　Ｏｆｆｉｃｅ２００７　及以上版本。　３．３系统特点（１）远距离识别功能：读卡器自动识别距离大于　　１５ｍ，车速不大于　　６０ｋｍ／ｈ，车辆无需停车；（２）现场指挥功能：车辆进入搅拌站后，加入搅拌站排队作业流程，车主可以通过　ＬＥＤ　屏显示内容实时查看当前信息；（３）自动统计功能：对进出车辆进行计数并统计，并实现搅拌站所有车辆的工作量统计；（４）自动生成报表：按需求可自动生成日报表、月报表、季度报表等。　４结束语本文提出的多功能车辆管理系统，以射频识别技术为核心，以计算机系统为平台，实现混凝土搅拌站车辆的管理和监控。应用表明，系统的采用降低了人力成本，提高了生产效率，对生产过程实现了数字化监控。系统主要优点有：（１）使用方便、灵敏可靠。系统采用远距离读卡器，车辆进出搅拌站时，按照其正常速度行驶，不影响正常的监控。（２“”）设备安全耐用。室外设备均进行三防设计，电子标签具有防水、防磁、防静电、防撕扯替换。（３）无人值守。依据进场的车辆顺序，计算机自动排队、管理，由　ＬＥＤ　显示屏指挥车辆的作业流程和顺序，提高工作效率和经济效益。（４）系统还可应用于各种露天矿，土石方，土方剥离等运输车在大流量运输作业过程中，实现对车辆的管理计数、统计、调度、监控等。参考文献［１］　李庆义，武彩宏，王爱乐．智能车辆监控管理系统的设　计与实现［Ｊ］．　　　　　　　计算机应用与软件，２０１０　（３　）：１８３－１８４．［２］　李洪鹏．ＲＦＩＤ　技术在城市机动车监管中的应用［Ｊ］．智能建筑与城市信息，２０１０（５）：　２４－２７．［３］　李为为，周汝胜．基于　ＲＦＩＤ　的物流过程监控及可视化管理系统分析与设计［Ｊ］．物流科技，２０１０（５）：１９－２１．［４］　孔雷军，刘谨．非接触式　ＩＣ　卡在高速公路收费系统中的应用［Ｊ］．计算机科学，２００３（４）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪　１９－２１．　　（上接第　５４　页）（２）根据《高速铁路设计规范》桥梁地段　　ＣＲＴＳＩ型双块式无砟轨道，分块道床板长度宜在　　５．０～　７．０ｍ范围；若从弹性垫板的维修性而言，道床板宜短不宜长；同时考虑施工组织工艺的要求，最终确定道床板长度原则上取　　　６４００ｍｍ。（３）若要深入研究单元板长度对设置减振垫层的双块式无砟轨道的影响，建议运用车辆　－轨道耦合动力学理论进行列车　－轨道　－基础的动力分析。参考文献［１］　粤环审［２００８］４９３　号文　关于穗莞深城际轨道交通项目（莞深段）环境影响报告书的批复［Ｓ］．［２］　　　　ＴＢ１０６２１－２００９高速铁路设计规范（试行）［Ｓ］．［３］　赵国堂．高速铁路无砟轨道结构［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００６．［４］　何华武．无碴轨道技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５．［５］　翟婉明．车辆　－轨道耦合动力学．第三版［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００７．［６］　王其昌．无碴轨道钢轨扣件［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００６．［７］　佐藤吉彦．新轨道力学［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００１．［８］　陈秀方．轨道工程［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５．８６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４　（　１２）