南京地铁机场线预应力混凝土长轨枕结构设计_任树文

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 －秣陵片 区、东 山 副 城 西 侧，止 于 南 京 南 站，全 长 约 35. 7 km，其 中 高 架 段 长 约 16. 7 km，过 渡 段 长 约 0. 7 km，地下段长约 18. 3 km。地下线采用预应力混凝 土长枕埋入 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： 60 kg / m U75V 钢轨； 扣件： ZX－2 型扣件，轨距调整量+24，－28 mm；
收稿日期： 2013-06-03； 修回日期： 2013-06-28 作者简介： 任树文（ 1980—） ，男，工程师，2004 年毕业于西南交通大学 土木工程专业，工学学士，E-mail： rensw_776@ 126． com。
换算截面形心至钢筋合力点距离： eP0 = 88. 2 －80 = 8. 2 mm；
截面下边缘由预应力产生的混凝土法向拉应力：
σPc = 159 000 /51 353 + 159 000 × 8. 2 × 88. 2 /1. 43 × 108 = 3. 90 N / mm2 ；
则轨下截面抗裂弯矩（ 因静载抗裂试验是在脱模
（ 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 40 mm 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。
F = 7. 273Mcr（ 支点距离 L = 600 mm） ； 则该轨枕的检验荷载为： 轨下 F = 7. 273×15. 69 = 114 kN； 枕中 F = 7. 273×10. 95 = 80 kN。 5. 5 静载试验 静载抗裂强度试验方法参照《预应力混凝土枕静 载抗裂试验方法》（ TB / T1879—2002） 执行，轨枕轨下 及枕中在加载至检验荷载值后，稳定 180 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。
轨距： 1 435 mm； 车辆及荷载： B 型车，列车轴重不大于 140 kN； 运行速度： 设计最高运行速度为 100 km / 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。
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： σL1 = 2 /10 500×2×105 = 38 N / mm2 ； （ 2） 钢筋的应力松弛损失： σL2 = 0. 07×682 = 48 N / mm2 ； （ 3） 受张拉钢筋与钢模之间的温差引起的应力
损失： σL3 = 2×5 = 10 N / mm2 ； （ 4） 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失：
图 3 轨枕外形尺寸（ 单位： mm）
图 4 轨枕受力图
kN·m； 枕中截面最大负弯矩 Mz = 1. 25 kN·m。
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
Abstract： According to the major technical standards of the Airport Line of Nanjing Metro，the structure design of embedded prestressed-concrete long sleepers was introduced in this paper，including the selection of shape，the calculation of bending moment of external load，the calculation of bearing capacity of the under-rail section and the mid-sleeper section，the calculation of static load test value and so on． As a result，a basic method for designing the embedded prestressed-concrete long sleeper of monolithic track bed was determined in this paper，providing reference for long sleeper design of other similar projects in future． Key words： metro； long sleeper； selection of shape； bending moment of external load； bearing capacity； static load test value
梯形 截 面 重 心 位 置：
y0
= （ 290+2×250） 3×（ 250+290）
× 185 =
90. 216 mm；
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铁道标准设计
第 58 卷
预应力钢筋重心位置： yp = 80 mm； 换算截面重心位置： yX = （ 49 950 × 90. 216 + 308 × 80） /52 055 = 88. 2 mm；
（ 1） 混凝土强度等级 C60； （ 2） 施加预应力时的混凝土立方体强度不低于 45 MPa； （ 3） 预应力钢丝的抗拉强度不低于 1 570 MPa； （ 4） 钢筋弹性模量 2×105 MPa； （ 5） 混凝土弹性模量 3. 6×104 MPa； （ 6） 混凝土抗拉强度标准值 3. 3 MPa； （ 7） 混凝土抗拉强度设计值 2. 45 MPa； （ 8） 预应力钢筋面积（ Φ7. 0） 38. 48 mm2 ； （ 9） 预应力钢筋总张拉力（ 210±5） kN； （ 10） 混凝土允许拉应力 3. 0 MPa。 5. 2 轨下截面静载抗裂正弯矩计算（ 图 5）
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图 1 承轨部位设置 1 ∶ 40 轨底坡
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。
σL4 = （ 45 + 280 × 4. 47 /40 ） / （ 1 + 15 × 0. 006 ） = 70 N / mm2 ；
（ 5） 混凝土预压后预应力损失计算： σL = 38+48+10+70 = 166 N / mm2 ； 预应力钢筋合力： NP0 = （ 682 － 166 ） × 308 /1 000 = 159 kN；
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、静载试验值计算等，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： U213. 2 文献标识码： A DOI： 10． 13238 / j． issn． 1004－2954． 2014． 02． 008
Structure Design of Prestressed-concrete Long Sleepers Used in Airport Line of Nanjing Metro
ＲEN Shu-wen1 ，GONG Xin2
（ 1． China Ｒailway Engineering Consulting Group Co． ，Ltd． ，Beijing 100055，China； 2． Jiangxi Ｒesearch Institute of Communications，Nanchang 330038，China）
4 轨枕外荷பைடு நூலகம்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 ansys 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： P = 2 × 14 × 9. 8 × 0. 5 × 0. 5 = 68. 6 kN ≈ 70 kN。 轨枕受力分析见图 4。 由图 4 可知： 轨下最大拉应力为 2. 5 MPa； 枕中最 大压应力为 1. 05 MPa。 通过换算得到，轨下截面最大正弯矩 Mg = 3. 94
截面上边缘由预应力产生的混凝土法向压应力： σPc = 3. 06 MPa；
则枕中截面抗裂弯矩（ 因静载抗裂试验是在脱模 后 48 h 之内进行，故取放张脱模时的混凝土强度） ： Mcr = 10. 95 kN·m＞Mz = 1. 25 kN·m。 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》（ TB / T1879—2002） 规定，检验荷载 F 与 检验弯矩 Mcr 的关系由下式确定：
（ 2） 与本轨枕配套使用的 ZX－2 型有螺栓分开式 扣件，其轨下铁垫板分为带 1 ∶ 40 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 ∶ 40 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—南京地铁机场线预应力混凝土长轨枕结构设计
换算截面惯性矩：
I0
= 1853
×
（ 2502 36
+ 4 × 250 × 290 × （ 250 + 290）
+
2902 ）
+
π × 74 × 8 + 2 × 38. 5 × （ 135 － 88. 2） 2 + 2 × 64 38. 5 × （ 110 － 88. 2） 2 + 2 × 38. 5 × （ 50 － 88. 2） 2 + 2 × 38. 5 × （ 50 － 88. 2） 2 = 1. 43 × 108 mm4 。
第 58 卷 第 2 期 2014 年 2 月
文章编号： 1004-2954（ 2014） 02-0030-03
铁道标准设计 ＲAILWAY STANDAＲD DESIGN
Vol． 58 No． 2 February 2014
南京地铁机场线预应力混凝土长轨枕结构设计
任树文1 ，龚 昕2
（ 1. 中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2. 江西省交通科学研究院，南昌 330038）
后 48h 之内进行，故取放张脱模时的混凝土强度） ：
Mcr = （ 3. 9 + 1. 75 × 3. 3）
× 1. 43 × 108 = 88. 2
15. 69 kN·m ＞ Mg = 3. 94 kN·m。 5. 3 枕中静载抗裂负弯矩计算（ 图 6）
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： eP0 = －3. 61 mm；
图 5 A－A 断面（ 单位： mm）
梯形 截 面 面 积：
A1
=
1 2
× （ 250 + 290 ）
× 185
= 49 950 mm2 ；
预应力钢筋总面积： A2 = 8×38. 5 = 308 mm2 ；
弹性模量比：
np
=
200 000 36 000
=
5.
56；
换算截面面积： Ao = 51 353 mm2 ；