板式无砟轨道

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1、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

2、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

3、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

4、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，特别是在线路纵向力 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 :

5、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

6、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

7、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

8、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

9、，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KNm/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

10、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

11、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 2.22.4m 是力学指标变化的一 个转折点 ，因此结合力学计 算及结构

12、设计， 从技术经济角度综 合分析，轨道板宽 度取 2.22.4m 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,5

13、00M 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

14、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

15、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7501100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1520。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，

16、 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. 02.5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

17、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 几何状 态，不仅十分困难 ，而且需要花费高 昂代价。5）无碴轨道不 能在粘土深路堑、 松软土路堤或地震 区域铺设。6）无碴轨道噪声水平比有碴轨道高5dB,必须采取有效的降噪措施。7）目前，对脱轨或其他原因导致的严重损坏还没有特别有效的措施，修复代价也 十分昂 贵。混凝土的养生 和硬化需要很长 的时间。也就是 说，严重的事故将 导致线路 关闭时 间比较长，对运输 影响比较大。8）无碴轨道最 严重的缺点是改进 的可能性受到限制 。9）无碴轨道的 另外一个缺点是

18、 ，在路基上铺 设时，任何 情况下都要铺设防 冻层 （至 少 70cm 厚）。要延长 无碴轨道的寿命 周期，水凝性材料 层厚度几乎不能减 少。路基 处理深 度也比有碴轨道深 。10）大部分经济 研究没有考虑无 碴轨道到了寿命周 期后高昂的再建费 用。既有无 碴轨道类型众多也似乎是 个缺点。无碴轨道 应用中国的无碴轨道主要 从在02年主要是中国国内技术，参 照国外的成熟的设 计经 验，以秦沈线为契机，设计了 2种类型的无碴轨道，主要是日本的板式轨道，是我们 院参与设计，还有铁科设计的长枕式无碴轨道。当然在这之前，无碴轨道技术在秦岭 隧道等 都已有应用。无碴轨道设计主要有 几下的几个难点， 一个轨

19、道部件的设 计，另一个道床设 计。 03年后就有了一个客 运专线的想法，希望有一 个跨越式发展，从原来的 120km/h 提 高了 200250km/h 。对于轨道部件 的强度、稳定性及 调整性都有了较高 的要求。对于无碴轨道技术 ，铁道部最初的想 法是全部引进国外 的技术。主要是日本和德 国的技术。德国的主要的 双块式（redar200 ）和博格板，日本主要是板式轨 道。引 进国外技术同时，对于部分的技术也应引进，因此国外的单位负责培训。铁道部已经 组织了 多次轨道工程技术 的培训。客运专线对于轨道部 件的最大的特点是 要求高平顺， 因此对于轨道部件要 求，精 细制造和设计。轨道主要有 3

20、个主要部件，轨枕 、扣件和道岔技术 。客运专线还有一个特 别之处就是轨道电 路。由于信号制 式要求，要求轨 道采用必 要的绝 缘措施，因此要求 部件和道床设计应 具有高绝缘性。路基上无碴轨道部件 设计主要解决路基 沉降的问题， 因此往往在客运专线 中，多 用以桥代路的方式，反而节约投资。目前的博格板和双块式具有较好的整体 性，在德 国有多 年的应用经验，是 一个成功的事例。由于时间匆忙就简单 的说这些，对于无碴轨道设计及研 究问题，大家可 以互相探 讨。无论是对于有轨电车、地铁，还是地面通勤列车线路：无碴轨道系统都可以无缝 地融入交通流和城市景观。铺设沥青或其它铺路材料的该系 统也可与公共汽车

21、、机动 车线路并行。绿色轨道提供了一种富有吸 引力的备选方案：通过创造更多的 绿地来美 化城市 景观。出色的乘行 舒适度、最大的 安全性、较低的 维护保养级别使无 碴轨道系 统其更 为卓越。无碴轨道系统在城市交 通优化和基础设施 改造等应用方面发 挥着重要 作用。 城市的未来已经开 始！快速、灵活、便利、 高性价比：有轨电 车和城市 -市郊 通勤铁路系统在当 今非常 具有吸引力。因此该类服务变得越来越受 欢迎也不足为奇。城市快速轨道交 通的优势 日显突出，但是，这需 要我们不断地开发 创新性的解决方 案以及能提高成本 效益、安 全性且 环保的新技术睿铁 公司积极致力于提 高城市轨道交通的 吸引

22、力。通过使用 RH EDACITY 无碴轨 道系统，可以大幅 度提高您所在城市 的流动性和灵活性 。数百万人每天乘坐MRT往返出行。有效的城市交通系统是任 何一座城市的心脏 在这一体现现代化城市生 活的前沿领域，除了功能性和工程 设计之外，美学观点也逐 渐得到重视。绿色轨道可 以美化整个城市 景观。同时，绿 色轨道还有利于城 市的生态 环境平衡，因为它们能 够改善空气质量 、土壤和地下水条 件。 “绿色轨道”具有加高的 绿色植被路面以及现代化 轨道上通用的先进 弹性轨道支撑，因此能够大大降 低城市中 的空气 传播噪音和结构噪 音。它即有利于人 类，也有利于环境 。RHEDACITYGREEN是

23、种植草皮型的RHEDACITY，经过多年在城市快 速交通 中的应用已充分验证了其 有效性。对于 RHEDACITYGREEN 型轨道而言，经过改良 的带有钢筋桁梁的双块式 轨枕被浇铸在一块 紧实的混凝土板中 。用草皮或景天科植物 覆盖，以造成赏心悦目的 视觉效果。这种 轨道的功能性和 安全性都很出色，轨道定位 极佳、性 价比高且无需维修 。最初是在柏林和 KARLSRUHE 市的项目中 使用，现在 正计划 或目前准备投入使 用。这种轨道系统的一个 主要优点就是在无 形中见完美。这些无碴轨道系统 几乎无需 维修， 但却能提供出色的 乘坐舒 适度，支 持重载运输并确保 最大的安全性。 RHED A

24、CITY的功能在设计原则上与RHEDA系列的其他系统相同。但是，RHEDACITY 却是专 为城市快速轨道交 通而设计的 ，尤其适用于有轨 电车及地面通勤列 车线路。 R HEDACITY 的特点是施工 技术简单：改进的 带有钢筋桁梁的双 块式轨枕，以方便 安 装，同时保证了精确的 轨距。通过其轨道支撑层的整体式 结构以及较低的安 装结构高 度， RHEDACITY 具有额外的优势 。但施工优势并未将 RHEDACITY 与普通轨道单 独区分 开：它可以将道岔 整合进同一技术。RHEDACITY 可以根据需要铺 上沥青、混凝土或路石 。对于那些偏爱在 绿色道路 上旅行的人士而言， RHEDAC

25、ITYGREEN 是一种极 具吸引力的备选方 案。无碴轨道 -优点RHEDACITY 的优点：简单、透明的系统结构完美的轨道定位与街道建筑相融交叉轨枕的使用确保了轨矩和轨道的几何精确度轨道盘采用摩擦锁定 式固定装置由于热量可以充分进 入轨道跨距，因此 可以消除轨道构架 的浇注不足现象。采用优化的轨道系统 ,设计具有出 色的粘合质量 ,可进行整体式 施工使用预组装部件确保 轨道的弹性轨道的弹性支撑或持 续支撑去除轨距连接杆 安全性极高、使用寿 命长符合电绝缘要求具有“边建设 边投入使用 ”的能力RHEDACITYGREEN 极具吸引力 的备选方案RHEDACITYGREEN 是种植 草皮型的 R

26、HEDACITY ，经过多年在城市快 速交通 中的应用已充分验证了其 有效性。对于 RHEDACITYGREEN 型轨道而言，经过改良 的带有钢筋桁梁的双块式 轨枕被浇铸在一块 紧实的混凝土板中 。用草皮或景 天科植物 覆盖，以造成赏心悦目的 视觉效果。这种 轨道的功能性和 安全性都很出色，轨道定位 极佳、性 价比高且无需维修 。最初是在柏林和 KARLSRUHE 市的项目中 使用，现在 正计划 或目前准备投入使 用。在生态保护方面的益 处与其他型号轨道相比，这种轨道与植物的组合应用，可以产生出色的视觉效 果。轨道表面的植物可降低噪音分贝，使维护费用最小化。轨道上的草皮本身就能消 除噪音。在防振和结构噪音传播方面有严 格规定的城市中，使用“绿色轨道”不失为一 种成本效益极佳的方式。