南京地铁机场线预应力混凝土长轨枕结构设计.pdf

第 5 8卷第 2期 2 0 1 4年 2月 铁 道 标 准 设 计 RAI LW AY S TANDARD DESI GN Vo 1 5 8 N0 2 Fe b r u a r y 2 01 4 文章编 号 ： 1 0 0 42 9 5 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 3 0 0 3 南京地铁机场线预应力混凝土长轨枕结构设计 任 树文 ，龚 昕。 ( 1 中铁工程设计 咨询集 团有 限公 司 ，北京 1 0 0 0 5 5 ； 2 江西省交通科 学研 究院 ，南 昌 3 3 0 0 3 8 ) 摘要 ： 根据 南京地铁机 场线的主要技 术标准 ， 详细介 绍埋入 式预应 力混凝 土长轨枕 的结 构设计 ， 包括 外形选择 、 外弯矩计算、 轨 下及枕 中截 面承载力计算、 静栽试验值计 算等 ， 确定 了整体道床 埋入 式预应力混 凝土长轨枕 的基本 设计方法 ， 为今后 其他 线的长轨枕设 计提 供参考。 关键词 ： 地铁 ；长轨枕 ；外形选择 ；外弯矩；承载 力；静载试验值 中图分类号 ： U 2 1 3 2 文献标识码 ： A D OI ： 1 0 1 3 2 3 8 j i s s n 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 4 0 2 0 0 8 St r uc t ur e De s i g n o f Pr e s t r e s s e d- c o n c r e t e Lo ng S l e e p e r s Us e d i n Ai r p o r t L i n e o f Na n j i n g Me t r o REN S h u we n ，GONG Xi n ( 1 C h i n a R a i l w a y E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g G r o u p C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 5 5 ，C h i n a 2 J i a n g x i R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C o mmu n i c a t i o n s ，Na n c h a n g 3 3 0 0 3 8，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o t h e ma j o r t e c h n i c a l s t a n d a r d s o f t h e A i r p o r t L i n e o f Na n j i n g Me t r o ，t h e s t r u c t u r e de s i g n o f e mb e d d e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l o ng s l e e p e r s wa s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ， i n c l u d i n g t h e s e l e c t i o n o f s h a p e，t h e c a l c u l a t i o n o f b e n d i n g mo me n t o f e x t e r n a l l o a d，t h e c a l c ul a t i o n o f b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e u n d e r - r a i l s e c t i o n a n d t h e mi d - s l e e pe r s e c t i o n，t he c a l c u l a t i o n o f s t a t i c l o a d t e s t v a l u e a n d S O o n As a r e s u l t ，a b a s i c me t h o d f o r d e s i g n i n g t he e mbe d de d pr e s t r e s s e d c o n c r e t e l o n g s l e e pe r o f mo n o l i t h i c t r a c k b e d wa s d e t e r mi n e d i n t h i s p a p e r ， p r o v i d i n g r e f e r e nc e for l o n g s l e e p e r d e s i g n o f o t h e r s i mi l a r p r o j e c t s i n f u t u r e Ke y wor ds ： me t r o； l o n g s l e e p e r ； s e l e c t i o n o f s h a pe； b e n d i n g mo me n t o f e x t e r n a l l o a d； b e a r i n g c a pa c i t y：s t a t i c l o a d t e s t v a l u e 1 设计 概况 南京地铁机场线南起禄 口机场， 经禄 口新城 、 东善 桥 一 秣 陵 片 区 、 东 山 副 城 西 侧 ， 止 于南 京 南 站 ， 全 长 约 3 5 7 k m， 其 中 高 架 段 长 约 1 6 7 k m， 过 渡 段 长 约 0 7 k m， 地 下段 长约 1 8 3 k m。地下 线采 用预 应力 混凝 土长枕埋人式整体道床 ， 道床 整体性能好 、 施 工精度 高、 便于轨排架设施工、 施工速度较快。 2主要 技术 标准 钢轨 ： 6 0 k g m U 7 5 V钢轨 ； 扣件 ： Z X一 2型扣件 ， 轨距调整量+ 2 4， 一 2 8 mm； 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 60 3 ；修回 日期 ： 2 0 1 3 0 62 8 作者简介 ： 任树文( 1 9 8 O 一 ) ， 男 ， 工程 师 ， 2 0 0 4年毕 业 于西南 交通 大学 土木工程专业 ， 工学学士 ， E m a i l ： r e n s w _ 7 7 6 1 2 6 t o m。 轨距 ： 1 4 3 5 m m； 车辆及荷载： B型车 ， 列车轴重不大于 1 4 0 k N； 运行速度 ： 设计最高运行速度为 1 0 0 k m h 。 3轨枕 外 形设计 3 1 外 形设计 原则 ( 1 ) 轨枕截面在满足承 载力 的情 况下， 尽量 降低 以减少轨枕 自重； 轨枕设计长度 与国内其他城市地下 线埋入式长枕长度一致 ， 采用 2 1 m， 以节约钢筋和混 凝土原材料 ， 降低工程造价。 ( 2 ) 与本轨枕配套使用 的 Z X一 2型有螺栓分开式 扣件 ， 其轨下铁垫板分为带 1： 4 0轨底坡及不带轨底 坡两种形式 ， 也就是说 ， 轨枕承轨槽部位 可设计 为带 1： 4 0轨底坡及不带轨底坡两种形式 ， 分别见图 1和 图 2 第 2期 任树 文 ， 龚 昕一南 京地铁机场线预应力混凝土长 轨枕 结构设计 3 l 1： 4 0 轨底坡 _ 图 1 承轨部位 设置 1： 4 0轨底坡 丕 塑塾 塑 r L 图 2 承轨部 位不设置轨底坡 若设置同样的轨枕高度及配筋形式 ， 图 1轨下截 面高度 比图 2要低 ， 钢筋合 力作用点对截面形心 的偏 心距 减小 ， 轨 下截 面 承 载力 及极 限承 载 力 安 全 系 数 也 随之减少。当轨枕采用平坡设计时 ， 钢模容易加工制 造 ， 外形相对美观 ， 施工质量容易控制 ， 综合考虑 ， 轨枕 轨下承轨槽部位采用平坡设计 。 ( 3 )采用传统的梯形截 面设计方案 ， 以方便轨枕 制造脱模。 ( 4 )为加强 与混凝土整 体道床联结 ， 提高道床整 体强度 ， 轨枕设有 5个 4 ) 4 0 m E孔洞 ， 道床纵 向钢筋从 孔洞穿过 ， 浇筑混凝 土道床时 ， 预留孔洞处 应加强捣 固， 尽可能使孔洞密实。 3 2外 形设计 根据 3 1 确定 的设计原则 ， 设计的轨枕外形 尺寸 见图 3 ， 其中 A A、 B B断面分别见 图 5及图 6 。 5 5 0 1 0 0 8 0 0 1 0 0 5 0 0 。 lA I B 。 预埋套管 o o i 螺 旋 筋 螺 旋 筋 21 0 0 5 0 I_ A IB 图 3轨 枕外形尺寸 ( 单位 ： mm) 4轨枕外荷载弯矩计算 中国铁道科学研究 院研究报告 预应力混凝土枕 设计方法 主要是针对有砟 轨道进行编制 的， 不适用 无砟轨道的埋入式混凝土轨枕外荷载 的计算。本轨枕 主要依据 a n s y s 软件建模进行外荷载受力分析。 主要计算参数如下 ： 综合动载系数 ： 2 0 ； 轨 道纵 向分 配 系数 ： 0 5 ； 枕 上 压力 ： 尸=2 x 1 4 9 8 0 5 0 5=6 8 6 k N 7 0 k N。 轨 枕 受力 分析 见 图 4 。 由图4可知 ： 轨下最大拉应力为 2 5 MP a ；枕中最 大压应力为 1 0 5 MP a 。 通过 换算得 到 ， 轨 下截 面最大 正弯矩 M =3 9 4 c N 喊蕊矗罄蕊蕊蕊蕊蕊蕊露 。 一 瞄驾 汹 凶 一 函 0 目 _ 图 4轨枕 受力 图 k N I n ； 枕中截面最大负弯矩 M =1 2 5 k N i n 。 5轨枕 承载 能 力计算 轨枕在列车动荷载及轨枕下方混凝土整体道床反 力的联合作用下 ， 轨下截面产生向下弯曲， 枕中截面产 生向上弯曲 ， 因此轨枕 的结构计算 主要是轨下截面正 弯矩和枕中截面负弯矩的计算 。 5 1 主 要设 计参 数 ( 1 ) 混凝土强度等级 C 6 0 ； ( 2 ) 施加 预应力 时的混凝 土立方体 强度不低 于 4 5 MPa； ( 3 ) 预应 力钢 丝 的抗拉 强度 不低 于 1 5 7 0 MP a ； ( 4 ) 钢筋弹性模量 2 1 0 MP a ； ( 5 ) 混凝土弹性模量 3 6 1 0 MP a ； ( 6 ) 混凝土抗拉强度标准值 3 3 M P a ； ( 7 ) 混凝土抗拉强度设计值 2 4 5 M P a ； ( 8 ) 预应力钢筋面积( 7 0 ) 3 8 4 8 mm ； ( 9 ) 预应力钢筋总张拉力( 2 1 0 + 5 )k N； ( 1 0 ) 混凝土允许拉应力 3 0 MP a 。 5 2轨下截面静载抗裂正弯矩计算( 图 5) 至 Q 一 ： J I ： 图 5 A A断面 【 单位 ： mm) 预 应力 钢筋 总 面积 ： A = 8 x 3 8 5 = 3 0 8 m m ； 模 = _ 5 5 6 ； 换算截面面积 ： A 。 = 5 1 3 5 3 mm ； 梯形 截 面 重 心 位 置 ： ) ， 。= 1 8 5： 9 0 21 6 mm ； l_鑫 一 2 积 面 面 梯 3 2 铁道标准设计 第 5 8卷 预应力钢筋重心位置 ： ) ， 。 = 8 0 m m； 换算截 面重心位置 ： Y =( 4 9 9 5 0 9 0 2 1 6十 3 0 8 8 0) 5 2 0 5 5=8 8 2 mm； 换算截面惯性矩 ： ， 1 8 5 x( 2 5 0 +42 5 02 9 0+2 9 0 ) 。一 3 6 ( 2 5 0 +2 9 0 ) 。 8+23 8 5( 1 3 58 8 2 ) [phone] ) [phone] ) + 23 8 5( 5 08 8 2) =1 4 31 0 mm 。 钢筋预应力损失值计算如下。 ( 1 ) 由锚具变形和钢筋 内缩引起的预应力损失 ： I _1 =2 1 0 5 0 0 x21 0 =3 8 Nmm ； ( 2 ) 钢筋的应力松弛损失 ： L 2 =0 076 8 2=4 8 Nram ； ( 3 ) 受张拉 钢筋与钢模 之间 的温差引起 的应力 损失 ： T =2x5=1 0 Nmm ； ( 4 ) 混凝土收缩和徐变引起 的预应力损失 ： I 4 = ( 4 5+2 8 04 4 7 4 0) ( 1+1 50 0 0 6) = 7 0 Nmm ； ( 5 ) 混凝土预压后预应力损失计算 ： L =3 8+ 48+1 0+7 0=1 6 6 Nmm ； 预应力钢筋合力 ： NP 。 =( 6 8 2 1 6 6 ) 3 0 8 1 0 0 0： 1 5 9 kN； 换算截面形心至钢筋合力点距离 ： e m=8 8 2 8 0= 8 2 mm ； 截面下边缘由预应力产生的混凝土法向拉应力 ： o rP 。 = 1 5 9 00 0 51 3 53 + 1 5 9 0 0 0 8 2 88 2 1 43 1 0。= 3 9 0 Nmm ： 则轨下截面抗裂弯矩 ( 因静载抗裂试验是在脱模 后 4 8 h之 内进 行 ， 故 取放 张脱 模 时的混 凝土 强度 ) ： M =( 3 9+1 7 53 3 ) = 1 5 6 9 kN m M = 3 9 4 k N IT I 。 5 3枕中静载抗裂负弯矩计算 ( 图 6) 墨 f 图 6 B - B断面 ( 单位 ： mm) 计算方法同轨下截面正弯矩 ， 主要计算成果如下。 换 算 截 面 形 心 至 钢 筋 合 力 点 距 离 ：e 踯 = 一 3 61 mm ； 截面上边缘 由预应力产生 的混凝土法向压应力 ： o r P 。 =3 0 6 MP a； 则枕中截面抗裂弯矩 ( 因静载抗裂试验是在脱模 后 4 8 h之 内进行 ， 故取放 张脱模时 的混 凝土强 度 ) ： M =1 0 9 5 k N m M =1 2 5 k N n l 。 5 4 轨枕静载检验荷载值计算 根据中国铁道行业标准 预应力混凝土枕静 载抗 裂试验方法( T B T 1 8 7 9 -2 0 0 2 ) 规定 ， 检验荷载 F与 检验弯矩 的关系由下式确定 ： F = 7 2 7 3 M ( 支点距离 L = 6 0 0 mm) ； 则该轨枕的检验荷载为 ： 轨下 F= 7 2 7 3 1 5 6 9 =1 1 4 k N； 枕 中 F= 7 2 7 3 1 0 9 5 =8 0 k N。 5 5 静载试验 静载抗裂强度试验方法参照 预应力? 昆凝土枕静 载抗裂试验方 法( T B T 1 8 7 9 -2 0 0 2 ) 执行 ， 轨枕 轨下 及枕 中在加载至检验荷载值后 ， 稳定 1 8 0 S ， 并 在整个 加载过程中用 5倍照明放 大镜观察轨枕两侧受弯 区， 均未出现裂缝 ， 产品检验合格。 6 结 语 目前 国内城市轨道交通地下线越来越多的采用预 应力混凝土长枕埋入式整体道床 ， 不但施工精度较高 ， 还可 以作为天然的疏散逃生通道 ， 其 中预应力混凝土 长轨枕作为整体道床的一个关键部件 ， 直接关系到整 体道床的使用寿命 ， 因此也越来越受到重视 。本文对 预应力混凝土长轨枕结构设计等方面 的详尽 阐述 ， 为 今后其他地铁 的长轨枕设计提供参考。 参 考文 献 ： 1 铁道部科学研究院 预应力混凝土枕设计方 法 【 R 北 京 ： 铁道部 科学研究院 ， 1 9 9 4 2 中华人 民共和 国住房 和城乡建 设部 GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝 土结 构设计规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 3 中华人 民共和 国建设部 G B 5 0 1 5 7 -一2 0 0 3 地铁设 计规范 S 北 京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 4 中华人 民共和 国铁道部 T B T 1 8 7 9 -2 0 0 2 预应力混 凝土枕静载 抗裂试验方法 M 北 京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 2 5 梁志军 混凝土检 验 中存 在的 问题及改 进建议 J 铁道标 准设 计 ， 2 0 1 1 ( 5 ) 6 蔡小培 ， 曲村 ， 高亮 国内外高速铁路桥 上有砟 轨道轨 枕结构研究 现状分析 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 1 ( 1 1 ) 7 李斌 ， 刘 学毅 混凝 土轨 枕抗 力 的影 响 因素及 其计 算 方法 研究 J 铁道学报 ， 2 0 1 1 ( 6 ) 8 徐亚军 ， 赵陆青 浅述铁路轨枕结构设 计方法 及分析 J 山 西建 筑 ， 2 0 1 1 ( 4 )