成灌鐵路無軌道縱向連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

成灌鐵路無軌道縱向連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

1城際客運鐵路成都至都江堰鐵路（以下簡稱成灌鐵路）位于成都。這是一條連接成都中心和都江渡市的鐵路，主要為該市居民提供住宿服務(wù)，同時為該地區(qū)的直接客運和客運客流提供200公里的客運鐵路。同時，它也是受害者和最后一座城市在“5.12”汶川地震后重建的主要項目。2板式無軌道結(jié)構(gòu)我國高速鐵路常用的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式有CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式和CRTSⅠ型雙塊式等結(jié)構(gòu)型式。從目前無砟軌道的建設(shè)及運營經(jīng)驗可以看出,雙塊式和板式無砟軌道各有優(yōu)點。路基地段單元板式無砟軌道采用預(yù)制板,施工速度快,可維修性強,采用預(yù)應(yīng)力軌道板耐久性好;縱連板式無砟軌道采用打磨的帶預(yù)裂縫的預(yù)制板,板間進行縱向連接,但板間連接處容易開裂,采用支承層結(jié)構(gòu)降低造價;雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)連續(xù),道床板和新、舊混凝土界面容易產(chǎn)生裂紋,但采用支承層結(jié)構(gòu)降低造價。吸取每種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,研究開發(fā)一種新型板式無砟軌道(CRTSⅢ型)結(jié)構(gòu),使其具有良好的受力狀態(tài)、經(jīng)濟性、施工性、可維修性及耐久性。路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)研究思路為:采用預(yù)制的雙向預(yù)應(yīng)力軌道板,消除軌道結(jié)構(gòu)表面裂紋,提高軌道結(jié)構(gòu)耐久性,加快施工速度,提高軌道結(jié)構(gòu)可維修性;采用板間連接機構(gòu)將軌道板縱向連接,提高軌道整體性;為了放散縱連軌道板的溫度應(yīng)力,板間填充材料采用彈性材料樹脂砂漿,使軌道板能夠合理伸縮,同時板間不產(chǎn)生裂紋;板下灌注混凝土作為填充層,將軌道板和灌注的混凝土澆注成為一個整體,提高參振質(zhì)量,降低軌道板下部基礎(chǔ)的振動;下部結(jié)構(gòu)采用支承層,降低無砟軌道的造價。CRTSⅢ型板式無砟軌道從上往下由鋼軌、扣件、軌道板(帶承軌槽)、自密實混凝土、支承層及板間連接系統(tǒng)等組成,并適應(yīng)ZPW-2000軌道電路的單元軌道板無砟軌道結(jié)構(gòu)型式,如圖1所示。3預(yù)應(yīng)力縱連的應(yīng)用軌道板采用2種連接方式——預(yù)應(yīng)力縱連和普通縱連。軌道板連接為整體后,在整體降溫情況下,軌道板受拉,容易導(dǎo)致板縫處開裂。預(yù)應(yīng)力縱連,在板間采用連接套筒與板中縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋進行連接,通過現(xiàn)場后張預(yù)應(yīng)力使板縫處砂漿處于受壓狀態(tài),同時采用具有較好彈性的填縫材料,以保證最低溫度下板縫不開裂,增強結(jié)構(gòu)的耐久性。此外,在板間增加連接鋼板,使板縫處具有較強的抗剪和一定的抗彎能力,基本消除單元板式軌道板間的承力薄弱環(huán)節(jié)。路基上普通連接通過板內(nèi)設(shè)置的6根縱向連接鋼筋進行縱連。3.1預(yù)應(yīng)力軌道板板間連接裝置設(shè)計軌道板采用雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),L(A)型現(xiàn)場施加縱向預(yù)應(yīng)力,L(B)型板廠完成施加縱向預(yù)應(yīng)力,共有P5350和P48562種規(guī)格,板寬為2500mm,板厚為190mm?？奂g距分別為687mm和617mm。軌道板下設(shè)置U型連接鋼筋。后張預(yù)應(yīng)力軌道板板端設(shè)置后張預(yù)應(yīng)力縱向連接裝置,包括預(yù)應(yīng)力鋼筋連接套筒和剪力板。普通縱向連接軌道板,板間連接器連接軌道板內(nèi)6根HRB500?20縱向鋼筋。板縫一般按60mm設(shè)置,局部可以調(diào)整,調(diào)整范圍為50～80mm。板縫間填充樹脂砂漿。3.2鋼板連接器安裝軌道板間通過套筒連接器連接預(yù)應(yīng)力鋼筋,套筒連接器材質(zhì)為30CrMnSi,或選用等同于預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強度的材料;鋼筋端頭螺紋為M14×1.5,并在軌道板精調(diào)后分單元采用后張法施加縱向預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力值為122kN。在板端填充樹脂砂漿使軌道板形成整體結(jié)構(gòu)。連接方法為:每3塊軌道板為一個錨固單元,如圖2所示。鋪設(shè)軌道板時應(yīng)先將套筒連接器全部統(tǒng)一安裝在軌道板小里程端或者大里程端,然后鋪設(shè)軌道板。軌道板精調(diào)完成后在軌道板端非錨穴區(qū)域充填樹脂砂漿。樹脂砂漿灌注完成強度達到10MPa后用套筒連接器連接預(yù)應(yīng)力鋼筋,如圖3所示。張拉單元內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋連接完成后,采用錨具鎖定張拉單元端部預(yù)應(yīng)力鋼筋,并采用千斤頂校核板端預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力。軌道板端部設(shè)置鋼板連接器傳遞軌道板間剪應(yīng)力,如圖4所示,使用緊固螺栓將鋼板連接器組合在一起,如圖5所示。剪力板鋼板材質(zhì)為Q235,緊固螺栓的強度等級為10.9級以上。3.3縱向拉拔板端區(qū)域的劃分軌道板使用連接器連接6根HRB500?20縱向鋼筋,縱向連接鋼筋兩端設(shè)置M20×80螺紋。對鎖緊螺帽施加扭矩使縱向連接鋼筋產(chǎn)生40kN的縱向拉力,鎖緊螺帽連接順序是“先中間、后兩邊”。軌道板縫60mm時,使用110mm長連接器;其余非標準板縫地段應(yīng)加長或減短連接器的長度,保證縱向連接鋼筋連接可靠。計算表明,在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫30℃時,板端產(chǎn)生的最大裂縫達0.545mm。因此在板縫處需采取相應(yīng)的措施,在砂漿與軌道板連接處預(yù)設(shè)假縫,同時為防止支承層開裂和水下滲,在板縫處支承層上設(shè)置防水隔離層。4板之間的垂直連接分析在檢算預(yù)應(yīng)力縱向連接結(jié)構(gòu)時,需對剪力板和樹脂砂漿進行檢算。普通縱連結(jié)構(gòu)需檢算板間填縫材料的裂縫寬度和連接鋼筋的應(yīng)力。4.1后面是預(yù)制垂直連接4.1.1考慮板縫處金屬吊的數(shù)值計算結(jié)果縱連板間樹脂砂漿彈性模量為300MPa,在板間設(shè)置的剪力板鋼板高120mm,長135mm,厚16mm。假設(shè)接縫處形成空隙,在此情況下應(yīng)保證接縫處荷載的有效傳遞?？紤]板縫處產(chǎn)生10mm深的空吊時,計算模型如圖7所示。計算結(jié)果表明:當(dāng)增加鋼板后,隨著板下空隙的增加,連接處最大彎矩隨板下空吊的增加也是先增加然后減小,同樣在板下空吊為6mm時達到最大,為101.31kN·m,此時,連接處最大剪力為19.83kN。(1)最大剪應(yīng)力的計算按最不利情況進行檢算,考慮剪力完全由焊縫來承擔(dān),取最大剪力19.83kN對剪力板結(jié)構(gòu)焊縫進行檢算。板前焊縫受力及檢算圖如圖8所示。在剪力作用下,焊縫結(jié)構(gòu)承受的最大剪應(yīng)力計算公式為:τ=F∑hele(1)τ=F∑hele(1)式中:F——全部焊縫所承受的剪力;Σhele——焊縫有效截面之和。取焊腳尺寸hf=10mm,則焊縫最大剪應(yīng)力為16.53MPa。板后焊縫受力及檢算圖如圖9所示。取焊腳尺寸hf=6mm,則焊縫最大剪應(yīng)力為16.53MPa?？梢钥闯?在剪力作用下,焊縫所受的剪力為16.53MPa,小于其抗剪強度,不會產(chǎn)生破壞。(2)預(yù)埋連接剪力板混凝土引起的彎矩m由剪力板結(jié)構(gòu)可知,剪力板的抗彎剛度為593280N·m2,樹脂砂漿的抗彎剛度為428687.5N·m2,則剪力板承受的彎矩為接縫總彎矩的58%。預(yù)埋連接剪力板的抗彎剛度為1.092MN·m2,其余混凝土的抗彎剛度為51.442MN·m2,則剪力板背部鋼筋承受的彎矩為總彎矩的2.1%,則剪力板背部鋼筋焊縫的彎應(yīng)力為14.8MPa,小于焊縫的抗拉強度。以板前焊縫作為控制條件,若焊縫強度按180MPa計算,則容許的彎矩為8.6kN·m,考慮樹脂砂漿參與抗彎,板縫處容許彎矩為14.8kN·m,因此板縫處容許的最大缺陷長度為1m。(3)混凝土強度的影響根據(jù)軌道板端部構(gòu)造可知,剪力板基板承受的彎矩為接縫總彎矩的97.9%。則剪力板基板背后混凝土的最大彎應(yīng)力為6.5MPa,已超出C60混凝土的抗拉強度3.5MPa。若以預(yù)埋連接剪力板背后的混凝土抗拉強度作為控制條件,則容許彎矩為54.3kN·m,板縫處容許的最大缺陷長度為3m。根據(jù)焊縫和板后混凝土的抗拉強度為控制指標,則板間缺陷的最大容許長度為1m?？梢娫诎彘g存在缺陷時,剪力板起到了承受部分彎矩和剪力的作用,對維持軌道整體性有一定的幫助。4.1.2樹脂砂漿、自虛實混凝土、軌道板不開裂因為樹脂砂漿相對于混凝土具有彈性模量較小、延展性較好的特點,能使軌道在縱向具備“柔性縱連”特性。根據(jù)溫度力計算方法,考慮到軌道板的開裂及變形將主要集中于填縫處,可按單元板溫度力的計算方法進行計算。當(dāng)溫度升高時,板縫處填充砂漿被壓縮,此時填充砂漿的抗壓剛度為:kx=Eabh(2)kx=Eabh(2)式中:E——樹脂砂漿彈性模量,此處取300MPa;a——填縫寬度,此處取60mm;b——軌道板寬度,取2500mm;h——填縫深度,此處取為與軌道板同厚,即190mm。則升溫時的約束剛度kx=1583kN/mm。降溫時,若樹脂砂漿、自密實混凝土、軌道板不開裂,按樹脂砂漿受拉最不利工況計算,不考慮扣件和板底摩擦的影響,根據(jù)所提出的溫度力計算方法,可得:(E1bh1+E2bh2)αΔtl-xl=Exabh(3)式中:E1——軌道板彈性模量,此處取36000MPa;E2——自密實混凝土彈性模量,此處取32500MPa;a——填縫寬度,此處取60mm;l——軌道板長度,此處取5350mm;h1——軌道板厚度,此處取190mm;h2——自密實混凝土厚度,此處取100mm;b——軌道板寬度,取2500mm;h——填縫深度,此處取為與軌道板同厚,即190mm;x——樹脂砂漿拉伸(或壓縮)量。當(dāng)軌道板整體降溫24.1℃時,樹脂砂漿拉伸量為0.86mm,軌道板的拉應(yīng)力為2.88MPa,自密實混凝土的拉應(yīng)力為2.72MPa,樹脂砂漿的拉應(yīng)力為4.31MPa。此時樹脂砂漿與軌道板的粘結(jié)已破壞,接縫處已開裂。若以C60混凝土的抗拉強度3.5MPa來確定樹脂砂漿的最大拉應(yīng)力,則樹脂砂漿接縫處允許的最大拉伸量為0.7mm,設(shè)剩余的拉伸量為x,則有:(E1bh1+E2bh2)αΔtl-0.4-xl=3.5bh(4)把上述參數(shù)代入式(3),得x=0.24mm,對應(yīng)的樹脂砂漿的應(yīng)變?yōu)?.4%。若考慮在樹脂砂漿層施加預(yù)應(yīng)力,由于施加在板間砂漿的最大預(yù)壓力為859.1kN,樹脂層的預(yù)壓應(yīng)力為1.81MPa。此時,樹脂砂漿的最大拉應(yīng)力為2.5MPa,小于C60混凝土的抗拉強度,可保證接縫處不開裂。由以上計算可知,在軌道整體降溫24.1℃時,若保持板縫不開裂,通過軌道板中的預(yù)應(yīng)力鋼筋施加預(yù)應(yīng)力,則樹脂砂漿拉應(yīng)力未超過混凝土抗拉強度,接縫不開裂。考慮到以上計算均是樹脂砂漿的平均應(yīng)變,未考慮軌道板與樹脂砂漿粘結(jié)面的應(yīng)力集中,為留有一定的安全余量,樹脂砂漿在受到2.5MPa拉應(yīng)力時,延伸率應(yīng)大于1%。4.2軌道板鋼筋拉伸剛度該設(shè)計在板間用6件連接器將6根?20的普通鋼筋連接,在板端一定長度范圍(1.2m)內(nèi)鋼筋與混凝土間允許產(chǎn)生相對滑移。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)整體降溫時,若不考慮樹脂砂漿、自密實混凝土、軌道板開裂,計算方法與預(yù)應(yīng)力縱連相同,樹脂砂漿在受到3.5MPa拉應(yīng)力時,應(yīng)產(chǎn)生至少0.4%的延伸率。檢算鋼筋強度時,考慮最不利工況,即樹脂砂漿全斷面開裂,僅鋼筋起到連接作用,軌道板的約束剛度僅為6根?20普通鋼筋的拉伸剛度:kx=EsAsls(5)式中:Es——鋼筋彈性模量;As——鋼筋的總截面積;ls——鋼筋可縱向活動的長度。當(dāng)軌道板降溫時,連接鋼筋應(yīng)力采用下式計算:(E1bh1+E2bh2)αΔtlb-δlb=Esδ2lsAs(6)式中:As——鋼筋截面積;lb——軌道板錨固鋼筋長度;Δt——軌道板內(nèi)溫度升降幅度;δ——鋼筋錨固端板的位移。當(dāng)軌道整體降溫24.1℃時,經(jīng)計算,連接鋼筋上的應(yīng)力為59.9MPa,未達到鋼筋的屈服極限,滿足設(shè)計要求。4.3預(yù)應(yīng)力對樹脂砂漿拉應(yīng)力的影響由以上計算可以看出,采用預(yù)應(yīng)力縱連,由于在板縫處采用剪力板結(jié)構(gòu),增強了軌道的整體性,這種結(jié)構(gòu)可以在板間有寬度為1m的空隙時保持結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。為使軌道不開裂,在板縫處填筑了樹脂砂漿,不施加預(yù)壓力的條件下,樹脂砂漿在3.5MPa(C60混凝土抗拉強度)的拉應(yīng)力下需產(chǎn)生0.4%的延伸率;利用軌道板預(yù)應(yīng)力鋼筋施加預(yù)壓力后,樹脂砂漿的拉應(yīng)力為2.5MPa,小于混凝土的抗拉強度,接縫不開裂。可見,施加預(yù)應(yīng)力可以降低對填縫材料的要求。普通縱連,在板間采用連接器與板端預(yù)留縱連鋼筋進行連接,這種設(shè)計現(xiàn)場實施方便,可操作性強,但由于在板間無法施加較大的預(yù)壓力,因此降溫時板間會出現(xiàn)開裂,設(shè)計中除采用具有較好延展性的填縫材料外,還應(yīng)考慮一定的構(gòu)造措施和防水措施,避免裂縫過大影響結(jié)構(gòu)的耐久性。5