南京地鐵機場線預應力混凝土長軌枕結構設計

任樹文，龔 昕

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.江西省交通科學研究院，南昌 330038)

1 設計概況

南京地鐵機場線南起祿口機場，經祿口新城、東善橋－秣陵片區、東山副城西側，止于南京南站，全長約35.7 km，其中高架段長約 16.7 km，過渡段長約0.7 km，地下段長約18.3 km。地下線采用預應力混凝土長枕埋入式整體道床，道床整體性能好、施工精度高、便于軌排架設施工、施工速度較快。

2 主要技術標準

鋼軌:60 kg/m U75V鋼軌;

扣件:ZX－2型扣件，軌距調整量+24，－28 mm;

軌距:1 435 mm;

車輛及荷載:B型車，列車軸重不大于140 kN;

運行速度:設計最高運行速度為100 km/h。

3 軌枕外形設計

3.1 外形設計原則

(1)軌枕截面在滿足承載力的情況下，盡量降低以減少軌枕自重;軌枕設計長度與國內其他城市地下線埋入式長枕長度一致，采用2.1 m，以節約鋼筋和混凝土原材料，降低工程造價。

(2)與本軌枕配套使用的ZX－2型有螺栓分開式扣件，其軌下鐵墊板分為帶1∶40軌底坡及不帶軌底坡兩種形式，也就是說，軌枕承軌槽部位可設計為帶1∶40軌底坡及不帶軌底坡兩種形式，分別見圖1和圖2。

圖1 承軌部位設置1∶40軌底坡

圖2 承軌部位不設置軌底坡

若設置同樣的軌枕高度及配筋形式，圖1軌下截面高度比圖2要低，鋼筋合力作用點對截面形心的偏心距減小，軌下截面承載力及極限承載力安全系數也隨之減少。當軌枕采用平坡設計時，鋼模容易加工制造，外形相對美觀，施工質量容易控制，綜合考慮，軌枕軌下承軌槽部位采用平坡設計。

(3)采用傳統的梯形截面設計方案，以方便軌枕制造脫模。

(4)為加強與混凝土整體道床聯結，提高道床整體強度，軌枕設有5個φ40 mm孔洞，道床縱向鋼筋從孔洞穿過，澆筑混凝土道床時，預留孔洞處應加強搗固，盡可能使孔洞密實。

3.2 外形設計

根據3.1確定的設計原則，設計的軌枕外形尺寸見圖3，其中A－A、B－B斷面分別見圖5及圖6。

圖3 軌枕外形尺寸(單位:mm)

4 軌枕外荷載彎矩計算

中國鐵道科學研究院研究報告《預應力混凝土枕設計方法》主要是針對有砟軌道進行編制的，不適用無砟軌道的埋入式混凝土軌枕外荷載的計算。本軌枕主要依據ansys軟件建模進行外荷載受力分析。

主要計算參數如下:

綜合動載系數:2.0;

軌道縱向分配系數:0.5;

枕上壓力:P=2×14×9.8×0.5×0.5=68.6 kN≈70 kN。

軌枕受力分析見圖4。

由圖4可知:軌下最大拉應力為2.5 MPa;枕中最大壓應力為1.05 MPa。

圖4 軌枕受力圖

通過換算得到，軌下截面最大正彎矩Mg=3.94 kN·m;枕中截面最大負彎矩Mz=1.25 kN·m。

5 軌枕承載能力計算

軌枕在列車動荷載及軌枕下方混凝土整體道床反力的聯合作用下，軌下截面產生向下彎曲，枕中截面產生向上彎曲，因此軌枕的結構計算主要是軌下截面正彎矩和枕中截面負彎矩的計算。

5.1 主要設計參數

(1)混凝土強度等級C60;

(2)施加預應力時的混凝土立方體強度不低于45 MPa;

(3)預應力鋼絲的抗拉強度不低于1 570 MPa;

(4)鋼筋彈性模量2×105MPa;

(5)混凝土彈性模量3.6×104MPa;

(6)混凝土抗拉強度標準值3.3 MPa;

(7)混凝土抗拉強度設計值2.45 MPa;

(8)預應力鋼筋面積(Φ7.0)38.48 mm2;

(9)預應力鋼筋總張拉力(210±5)kN;

(10)混凝土允許拉應力3.0 MPa。

5.2 軌下截面靜載抗裂正彎矩計算(圖5)

圖5 A－A斷面(單位:mm)

梯形截面面積:A1=×(250+290)×185=49 950 mm2;

預應力鋼筋總面積:A2=8×38.5=308 mm2;

彈性模量比:np==5.56;

換算截面面積:Ao=51 353 mm2;

梯形截面重心位置:y0=×185=90.216 mm;

預應力鋼筋重心位置:yp=80 mm;

換算截面重心位置:yX=(49 950×90.216+308×80)/52 055=88.2 mm;

換算截面慣性矩:

(1)由錨具變形和鋼筋內縮引起的預應力損失:

σL1=2/10 500×2×105=38 N/mm2;

(2)鋼筋的應力松弛損失:

σL2=0.07×682=48 N/mm2;

(3)受張拉鋼筋與鋼模之間的溫差引起的應力損失:

σL3=2×5=10 N/mm2;

(4)混凝土收縮和徐變引起的預應力損失:

σL4=(45+280×4.47/40)/(1+15×0.006)=70 N/mm2;

(5)混凝土預壓后預應力損失計算:

儒家思想在我國的歷史長河中始終占領著一席之地，這種思想的價值標準以及道德觀念千百年來深深的根植于中國人的心中。儒家思想重視倫理關系和倫理觀念，要求人們尊重長輩，尊敬師長，尊重權威。這種觀念一定程度上維護了社會的秩序發展，但同時也有其弊端，固化了人們的思維方式，缺乏創新與挑戰，制約了人們的精神發展。除此之外，儒家思想強調少數服從多數的原則，在當今最能體現的就是群眾心里。它不僅抑制人個性的發展，無視性格要求統一化，最終壓制人的創造性。在這樣的歷史背景影響下，中國人的思維方式很難有所改變。

σL=38+48+10+70=166 N/mm2;

預應力鋼筋合力:NP0=(682－166)×308/1 000=159 kN;

換算截面形心至鋼筋合力點距離:eP0=88.2－80=8.2 mm;

截面下邊緣由預應力產生的混凝土法向拉應力:

則軌下截面抗裂彎矩(因靜載抗裂試驗是在脫模后48h之內進行，故取放張脫模時的混凝土強度):

15.69 kN·m ＞Mg=3.94 kN·m。

5.3 枕中靜載抗裂負彎矩計算(圖6)

圖6 B－B斷面(單位:mm)

計算方法同軌下截面正彎矩，主要計算成果如下。

換算截面形心至鋼筋合力點距離:eP0=－3.61 mm;

截面上邊緣由預應力產生的混凝土法向壓應力:σPc=3.06 MPa;

則枕中截面抗裂彎矩(因靜載抗裂試驗是在脫模后48 h之內進行，故取放張脫模時的混凝土強度):Mcr=10.95 kN·m＞Mz=1.25 kN·m。

5.4 軌枕靜載檢驗荷載值計算

根據中國鐵道行業標準《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》(TB/T1879—2002)規定，檢驗荷載F與檢驗彎矩Mcr的關系由下式確定:

F=7.273Mcr(支點距離L=600 mm);

則該軌枕的檢驗荷載為:

軌下F=7.273×15.69=114 kN;

枕中 F=7.273×10.95=80 kN。

5.5 靜載試驗

靜載抗裂強度試驗方法參照《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》(TB/T1879—2002)執行，軌枕軌下及枕中在加載至檢驗荷載值后，穩定180 s，并在整個加載過程中用5倍照明放大鏡觀察軌枕兩側受彎區，均未出現裂縫，產品檢驗合格。

6 結語

目前國內城市軌道交通地下線越來越多的采用預應力混凝土長枕埋入式整體道床，不但施工精度較高，還可以作為天然的疏散逃生通道，其中預應力混凝土長軌枕作為整體道床的一個關鍵部件，直接關系到整體道床的使用壽命，因此也越來越受到重視。本文對預應力混凝土長軌枕結構設計等方面的詳盡闡述，為今后其他地鐵的長軌枕設計提供參考。

［1］鐵道部科學研究院.預應力混凝土枕設計方法［R］.北京:鐵道部科學研究院，1994.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50010—2010 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

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［8］徐亞軍，趙陸青.淺述鐵路軌枕結構設計方法及分析［J］.山西建筑，2011(4).