【摘   要】针对盾构结构中钢弹簧浮置板式轨道,建立了在列车荷载作用下的有限元计算模型,计算了不同轨道结构高度中基础道床在列车荷载作用下的应力情况,并结合工程实际,得出了合理轨道结构高度建议值。

【关键词】地铁　盾构　钢弹簧浮置板式　轨道结构高度

 

      目前,在城市轨道交通的修建中大量采用盾构结构,其具有施工方便快捷、成本低、对环境影响小等优点。盾构大多在已有建筑物下穿过,这些位置对轨道交通的振动比较敏感,属特殊减振地段,减振要求高。近来国内逐步采取铺设钢弹簧浮置板轨道解决振动的控制问题。浮置板铺设在基础道床之上,如能对基础道床进行优化设计,在保证技术可行性的前提下,适当减小其结构高度,不但降低整体造价,留给轨道上部结构更多空间,而且为减小盾构断面提供可能性。

      随着浮置板轨道的推广,国内在这方面做了诸多研究,主要是从减振降噪性能方面着眼,而针对盾构中浮置板轨道基础道床,只从工程性能方面做过讨论,并未从应力方面进行分析。本文针对盾构中钢弹簧浮置板轨道,建立有限元计算模型,计算轨道结构高度变化(即基础道床高度变化)时,基础道床应力的变化情况,并结合工程实际,讨论轨道结构高度的合理取值。

1、工程概况

      钢弹簧浮置板轨道是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置在钢弹簧隔振器上,构成质量—弹簧隔振系统。轨道板通过钢弹簧支承在基础道床上,轨道板可以提供足够的惯性质量来平衡车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量的动荷载会通过钢弹簧传到基础道床上。钢弹簧浮置板轨道是目前减振效果最好的轨道结构,其技术先进、应用成熟,已在德国、英国、巴西等国家地铁工程中应用,国内北京地铁、南京地铁等已成功铺设,效果很好。本文分析的盾构中钢弹簧浮置板轨道基本结构如图1。

      为探讨此类钢弹簧浮置板式轨道基础道床在列车荷载作用下的受力特点,优化结构设计,本文采用有限元软件建模对其进行模拟分析。

2、计算模型及参数

      基于盾构内钢弹簧浮置板轨道结构特点及本文关注侧重点,应用有限元软件进行结构建模。本模型分两部分,先用叠合梁模型模拟上部的钢轨和浮置板,扣件和钢弹簧简化为竖向弹簧(如图2),计算在列车荷载作用下各钢弹簧反力;然后建立下部基础道床实体模型,钢弹簧依旧模拟为竖向弹簧(如图3),将所算得的弹簧反力施加在上边,求基础道床应力。模型取线路纵向20 m范围进行计算分析。

      计算参数如表1所示。

      列车荷载取16 t轴重,固定轴距2·5 m,设计时速60 km/h,由P_d=(1+0·45V/100)P₀算得动轮重为10t,加载于模型纵向中部位置(如图2)。

      目前,盾构中浮置板轨道结构高度一般取840mm,为研究结构合理尺寸,取轨道结构高度为840mm、800 mm和770 mm(即基础道床厚度为325 mm、285mm和255 mm)三种工况进行计算比较,记为工况1、工况2和工况3。

3、计算结果及分析

      根据拟定的三种工况,分别计算其轨道基础道床应力。这里取最不利的工况3应力云图,如图4、图5、图6所示,反映了应力的具体分布情况。

     

      从云图可以看出,基础道床应力分布不均匀,同时出现了压应力和拉应力,由于应力扩散,在道床表面下方的应力变得较为均匀,受荷载的影响小。基础道床承受的最大拉、压应力均出现在轮载作用处下方基础道床截面上。最大压应力出现在轮载作用处钢弹簧所对应的道床上表面,最大拉应力出现在轮载作用处基础道床截面边缘薄弱地带。

      基础道床应力具体计算结果如表2。根据表2分别绘制轨道结构高度—基础道床最大压应力/最大拉应力关系图,如图7和图8。

     

      从表2、图7和图8可以看出,随着轨道结构高度的降低,基础道床的拉、压应力均在增大,拉应力的增幅较之压应力小。

4、工程实际分析

      相对高架线和其他地下线隧道型式而言,盾构隧道的轨道空间比较小,一般采用现浇无枕式浮置板道床,在浮置板轨道设计中要考虑施工可行性及施工误差等因素对于轨道结构高度的影响。

4·1 设计限界

      盾构的施工工艺决定了圆形隧道断面的误差较大,施工误差最大为100 mm,即盾构圆形隧道设计直径为2 700 mm,而实际有效盾构限界为2 600 mm。在进行基础道床的设计时,根据概率理论分析以及以往工程的经验,设计直径可以按2 700 mm进行,这样计算的工程量比较合理。具体钢筋的放置在施工时要具体情况具体处理,对钢筋的长度和位置进行局部调整。

4·2 隔振器布置

      隔振器的布置对于轨道结构高度也起到决定作用。在隔振器的布置设计时,按2 600 mm限界考虑,否则就有可能出现隔振器与隧道壁冲突,隔振器无法放置的现象。在轨道高度不是很大的情况下,有可能会有隔振器较多地进入钢轨下方,对隔振器的安装和顶升产生一定的影响。因此在轨道高度较小时,如能采取有效措施严格控制基础道床的误差,可以适当放宽隔振器布置的界限,会对隔振器的安装和维护带来很大的方便,从而为降低基础道床高度提供方便。

4·3 纵向排水沟设置

      纵向排水沟有双侧沟方案和中心沟方案两种。若采用双侧沟方案,则道床中心可形成一个较宽的行走平台,方便养护维修人员的行走及紧急情况下的旅客疏散,这样便要求基础道床的顶面具有更宽的宽度,从而需要较厚的基础道床,不利于降低轨道结构高度。此外,双侧沟受隧道断面、线路坡度、曲线超高、施工质量的影响较大,导致局部地段易排水不畅。中心沟道床混凝土与隧道壁间不易开裂,有利于降低轨道结构高度,保证基础道床的整体稳定性,故地铁地下线采用中心排水沟形式为宜。

4·4 施工精度控制

      基础道床的高程施工误差将直接影响到轨道结构高度,所以控制基础道床面的高程至关重要。施工允许基础道床平面高程垂直方向公差为-5~+0 mm。安装隔振器的位置的表面一定要平整,平整度要求±2mm/m²,不满足要求的部位要进行打磨或垫高处理。为满足误差要求,可借助隧道壁增设高程控制点,施工时采用有一定刚度的标杆收面等措施。中心水沟的中心线要求与轨道结构的中心线重合,在曲线地段它与隧道中心线有偏移。基础道床配筋应随水沟位置变化做相应调整,在隧道结构高程有偏差的部位必须根据现场实际情况进行钢筋配制。

5、结论及建议

      1)应采取措施加强基础道床边缘,尤其应加强钢弹簧处对应的基础道床强度,以防止基础道床两边开裂,对行车安全造成威胁;

      2)列车荷载作用下,随着轨道结构高度的降低,基础道床压应力和拉应力相应增大,但三种工况下出现的最大拉、压应力均小于C40混凝土的强度值。此外,从实际工程情况分析可知,降低轨道结构高度具有施工可能性。从而,轨道结构高度从840 mm变为770mm,亦即基础道床厚度从325 mm变为255 mm,能满足结构强度和功能的要求。建议轨道结构高度可取770mm;

      3)降低轨道结构高度,意味着浮置板轨道施工空间的减小,必须严格控制施工误差,保证施工质量,从而使降低轨道结构高度成为可能。

 

[1]王建立,王进,尹学军,等.盾构中钢弹簧浮置板道床的设计[J].铁道标准设计,2007(10):29-32.

[2]中华人民共和国建设部.GB50010—2002　混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑出版社,2002.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.