钢桁梁明桥面轨枕板式轨道结构设计研究

李 子 杰

(中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075)

随着我国铁路建设的高速发展和钢结构桥梁技术的日益完善，大跨度钢结构桥梁技术已广泛应用在铁路桥梁上。大跨度钢桥与混凝土桥相比对轨道结构要求较高，轨道结构形式可采用木枕明桥面轨道、有砟轨道、合成树脂枕轨道及轨枕板式轨道等，这几种轨道结构形式各有优缺点。受桥梁变形限制，特大跨度钢桁梁桥梁一般选择铺设有砟轨道，如沪苏通长江大桥、五峰山长江大桥、铜陵长江大桥、京沪大胜关长江大桥等，其具有调整能力强、便于维修的特点，但有砟轨道自重较大，将大幅增加桥梁工程造价。钢桁梁桥梁采用明桥面时早期一般采用木枕明桥面轨道，随着轨道技术发展，合成树脂枕轨道和轨枕板式轨道已成为发展方向。相较于木枕明桥面轨道和合成树脂枕轨道，轨枕板式轨道降低了轨道结构质量，可有效减少桥梁设计荷载及用钢量，提高了桥梁经济性，其在大跨度钢桁梁明桥面上铺设具有广阔的应用前景。

目前国内学者对大跨度钢桥明桥面轨道结构有了一定的研究，但主要集中在轨道结构选型[1-4]、合成树脂枕[5，6]、明桥面无缝线路[7，8]及病害整治[9，10]等方面，尚无针对轨枕板式轨道结构受力特性及配筋设计进行研究。本文以某工程(1-112 m)钢桁梁为例，研究了一种新型明桥面轨枕板式无砟轨道，并分析了其力学特性，完成了结构设计。

1 轨道设计概况

该1-112 m钢桁梁上轨枕板式轨道结构由50 kg/m钢轨、MQ-2型扣件、预制轨枕板、板下混凝土垫层以及连接螺栓组成，详见图1。标准预制轨枕板长1 570 mm，宽度为3 200 mm，板厚度240 mm，混凝土等级C60。轨枕板的扣件纵向间距为550 mm，两扣件之间横向靠近板端位置预留长圆螺栓孔，详见图2。

轨枕板下和钢桁梁纵梁之间设置混凝土调整垫层，垫层宽度与钢桁梁翼缘板同宽560 mm，长度与轨道板长度保持一致1 570 mm，厚度设计为126 mm。

轨枕板和钢桁梁连接采用10.9级M27高强螺栓，螺栓总长470 mm。轨枕板上方连接螺栓螺母下分别设置钢垫板和绝缘缓冲垫板，螺母扭矩。

2 受力特性研究

2.1 结构特点

轨枕板为无挡肩、无凸起承轨台、单向预应力钢筋混凝土预制板。轨枕板通过高强螺栓直接与纵梁连接，利用板下垫层调整轨道铺设时的几何形位；高强度螺栓的主要作用是将轨道板紧压在纵梁上，增大结构层间摩擦力，以此来限制轨枕板位移和变形；限位圆管焊接在纵梁上，通过弹性垫层与轨枕板连接，限制其纵横向位移。

2.2 受力分析

根据Q/CR 9130—2018铁路轨道设计规范(极限状态法)，单元式结构配筋设计时需考虑列车荷载、温度作用以及基础变形三种设计荷载。其中列车竖向荷载效应需通过建模计算，其余荷载效应可根据公式计算。

1)列车竖向荷载效应。

根据明桥面轨枕板式无砟轨道的结构特点和受力特性，建立轨枕板式轨道梁—板静力学模型。钢轨采用梁单元模拟，轨枕板采用板单元模拟，扣件和板下垫层采用弹簧单元模拟，扣件垂向刚度100 kN/mm，切向刚度取60 kN/mm；板下垫层单个弹簧刚度通过弹性模量和垫层尺寸换算得到。轨道结构建模尺寸均按实际设计尺寸考虑。为消除边界效应，模型选取5块轨枕板进行计算并以中间轨枕板作为研究对象，详见图3。

在列车竖向荷载作用下，轨枕板的纵、横向弯矩分布详见图4,图5。

列车竖向荷载作用下，轨枕板弯矩汇总详见表1。

表1 列车竖向荷载效应 kN·m/m

2)其余荷载效应。

根据Q/CR 9130—2018铁路轨道设计规范(极限状态法)，列车横向荷载效应、温度梯度作用效应、基础变形作用效应见表2。

表2 其余荷载效应 kN·m/m

3)荷载组合。

基于承载能力极限状态下轨枕板设计弯矩基本组合和偶然组合，可得到最不利荷载组合，详见表3。

表3 轨枕板最不利荷载组合 kN·m/m

3 配筋设计

轨枕板置于钢梁上，横向为两点支撑，受力类似于梁结构，长度方向较短，需在横向上设置预应力筋来抵抗弯矩和控制裂纹。轨枕板横向初步拟定布置36根φ7预应力钢筋。

普通钢筋参考《混凝土结构设计原理》，按照极限状态法进行设计。普通钢筋采用HRB400，抗拉强度设计值为360 N/mm2，弹性模量为2×105N/mm2，轨枕板混凝土等级为C60，抗压强度设计值为27.5 N/mm2，抗拉强度设计值为2.04 N/mm2，弹性模量为3.6×104N/mm2，纵向钢筋直径采用φ12 mm，横向钢筋直径采用φ18 mm，混凝土保护层厚度取为35 mm，拟定轨枕板中纵、横向普通钢筋，详见表4。

表4 轨枕板普通钢筋配置表

4 轨枕板式轨道配筋检算

轨枕板为单向预应力结构。纵向上基于承载能力极限状态和正常使用极限状态对轨枕板承载力和裂纹宽度进行检算；横向上考虑布设预应力筋条件下，对预应力损失和钢筋、混凝土应力进行检算。

4.1 轨枕板纵向承载力及裂纹宽度检算

1)轨枕板纵向承载力检算。基于轨枕板纵向钢筋的配筋方案，考虑承载能力极限状态，进行正截面承载力计算。具体计算过程详见表5。

表5 轨枕板纵向承载力检算

从表5可知，轨枕板纵向配筋满足最小配筋率要求，受压区高度小于临界受压区高度，承载能力满足要求。

2)轨枕板纵向裂纹宽度检算。

基于轨枕板纵向钢筋的配筋方案，考虑正常使用极限状态，进行钢筋应力、混凝土应力、裂缝宽度计算，荷载采用标准组合，对于钢筋混凝土结构裂纹宽度，参考混凝土结构设计规范，保护层厚度c为30 mm时，室外环境以及室内潮湿环境条件下的裂纹宽度容许值0.2 mm，室内正常环境下的裂纹宽度容许值为0.3 mm。当保护层厚度变化时，裂纹宽度容许值按0.2(0.3)c/30进行换算，取为0.23 mm。具体计算过程见表6。

表6 轨枕板纵向裂纹宽度检算

从表6可知，轨枕板纵向钢筋应力、混凝土应力以及裂缝宽度均满足要求。

4.2 轨枕板横向预应力损失及应力检算

轨枕板横向布置36根φ7预应力钢筋，预应力钢筋采用高强螺旋肋钢丝，弹性模量为2.05×105MPa，采用先张法施加预应力，单根控制张拉力为30 kN，控制张拉应力为1 104 MPa。轨枕板横向预应力损失及混凝土、钢筋应力检算详见表7。

表7 轨枕板横向检算汇总表

从表7可知，轨枕板混凝土应力、预应力筋、普通钢筋中的应力均小于相应设计强度值，横向预应力筋及普通钢筋设置满足要求。

4.3 轨枕板配筋方案

根据检算结果，最终确定的配筋方案如表8所示。

表8 轨枕板配筋汇总表

5 结论

轨枕板式轨道配筋设计及检算结果表明：

1)轨枕板纵向配筋42根φ12钢筋，满足最小配筋率要求，受压区高度小于临界受压区高度，承载能力满足要求。2)轨枕板纵向最大裂纹宽度计算值为0.21 mm，小于均裂纹宽度容许值0.23 mm。3)轨枕板横向布置36根φ7预应力钢筋，轨枕板混凝土应力、预应力筋、普通钢筋中的应力均小于相应设计强度值。