摘 要：完成系统功能是无砟轨道的主要目标,不同的结构型式和部件组成,其功能实现方式各异。从系统功能设计的角度建立无砟轨道的理论体系,有利于分析结构如何服务于功能,明确各部件的功能需求,识别结构体系可
存在的主要问题,建立科学的分析方法。
关键词：无砟轨道；系统;功能；设计
从系统的角度认识并分析无砟轨道典型的层状体系和复杂的功能实现,是建立科学合理的无砟轨道设计理论与方法的基础。通过深入分析无砟轨道的功能需求、结构特征和组件的功能定位,实现无砟轨道系统功能模块化,组件设计功能化,可以为结构设计和选材、结构优化奠定基础。
1 无砟轨道功能设计的主要内容
①分析无砟轨道的功能需求,明确设计条件为列车提供安全、可靠的运行平台,实现承载、传力和限位要求是无砟轨道的基本功能。功能需求分析通过研究运营条件和应用环境,确定修建的必要性,提出功能指标和相关标准。根据不同的线路要求和环境条件,可以确定主要技术指标,如轨道刚度、耐久性和可维修性、适应性、可施工性和减振降噪要求等。
②无砟轨道功能设计。在明确功能需求和设计条件的基础上,分承力传力、变形控制与调节、稳定性与耐久性要求、特殊功能要求和接口技术等功能模块,初步确定结构型式和功能实现方式。某一功能可能由多个部件协同完成,同一个部件也可出现在不同的功能模块中。功能模块化后,各结构部件将有较明确的功能定位,为进一步的参数选择和结构设计等提供依据。
③结构分析与参数选择。功能设计后,需要建立合适的计算模型,验证和考察功能设计的可行性与合理性,修改和确定相关技术参数,优化轨道结构。这是一个需要反复调整功能模块的划分和部件功能设计的过程。
④结构定型及材料选择。结构定型和材料选择是结构分析和参数选择的结果,标志着无砟轨道结构设计基本完成。在定型和选材过程中可能需要一定量的实验室或现场试验验证是否达到功能要求,必要时修改和完善设计。
2无砟轨道的主要功能模块
根据无砟轨道的承力与传力、变形控制与轨道几何调整(轨向、高低、轨距和水平等)、稳定性和耐久性、特殊条件和相关接口等可以划分主要的功能模块。
2.1承力、传力模块
承力与传力是轨道结构最基本、最重要的功能,主要有垂向、水平荷载的传递。
①垂向荷载的传递。列车活载是主要的垂向荷载,一般按从上至下逐层扩散传递。德国和日本在设计理念上略有区别。
德国沿用有砟的“单枕承载”理念。各层刚度由上至下逐层递减,确保垂向荷载由扣件、轨枕至道床板逐层扩散传递。钢轨支点力以“单枕”的形式传至道床,应力流影响范围较小(只影响到应力扩散角作用范围内),各支点间的道床板应力梯度较大,结构部件主要承受压力,属于低应力设计,只需采用单层配筋控制裂纹宽度,保证结构的耐久性。
日本板采用了“整板承载”的设计理念。板下CA砂浆层提供了适当的弹性,垂向荷载从扣件传至轨道板后,由整个轨道板分布传递,应力流影响范围较大,枕跨间应力梯度较小。CA砂浆有效调整了轨道板的变形,协调了轨道板与底座的变形差,保证了轨道板整板受力和应力均布。
不管基于哪种理念,钢轨支点处是受力最集中、应力梯度最大和疲劳作用最为严重的区域,该处的结构强度和耐久性直接影响到结构的使用寿命,为保证垂向传载的可靠性和耐久性,宜设计为高强度的预制件。
②水平荷载的传递。层间约束直接影响到水平荷载的传递。纵向连续、层间紧密联结的无砟轨道,一般不再设计专门的水平荷载传递部件,如路基地段的雷达轨道。层间联结不太紧密或单元式的无砟轨道结构,需要设计凸形挡台、侧向挡块、板下凸台(凹槽)和销钉等水平力传递部件,实现水平限位和水平荷载的传递,如日本板式无砟轨道等。
2.2变形控制模块
变形控制是高速轨道技术的核心技术,包括几何形位的保持和调整、动态位移的控制等方面。几何形位的保持和调整主要依靠合理的结构设计、精细的施工工艺和优良的扣件系统及三者的有机统一。结构上对扣件安装平台采用预制甚至机加工等措施,充分考虑扣件的调整能力和施工工艺的实现,确保几何形位满足要求。动态位移一般由轨道的刚度及结构部件间的构造缝隙决定,包括控制动态位移幅值及沿线路动态位移变化率,其实质是轨道刚度设计问题,对高速行车的舒适性和平稳性有重要影响,在功能设计阶段考虑轨道的动力性能,并进行动力学特性评估。
2.3稳定性与耐久性要求
稳定性与耐久性是高速行车和结构经济可靠的必然要求,体现在功能设计中有:①材料的选择满足稳定性和耐久性要求;②裂缝控制满足使用条件的要求,保证寿命周期内不影响结构的功能;③传力部件可靠性、稳定性评估,关键部件需要考虑失效模式、补救措施及修复成本;④部件劣化后对结构整体性及受力的影响需要加以评估。
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