CRTS-III型板式无砟轨道毕业设计

目录
第一章绪论 (1)
第一节引言 (1)
第二节高速铁路的发展及现状 (2)
一、国外高速铁路的发展 (2)
二、我国高速铁路的发展现状 (3)
第三节无砟轨道概况 (3)
一、无砟轨道的概念及特性 (3)
二、无砟轨道的类型 (4)
第四节各国无砟轨道发展概况 (5)
一、日本的无砟轨道 (5)
二、德国的无砟轨道 (8)
三、法国等其他国家的无砟轨道 (11)
四、我国的无砟轨道 (11)
第五节板式无砟轨道发展现状 (12)
一、CRTSⅠ型板式无砟轨道 (13)
二、CRTSⅡ型板式无砟轨道 (14)
第六节CRTSⅢ型无砟轨道目前研究存在的问题 (16)
第七节本文研究的意义、主要内容及方法 (18)
一、本文研究的意义 (18)
二、主要研究内容及方法 (18)
第二章CRTSⅢ型板式无砟轨道结构组成及技术要求 (20)
第一节CRTSⅢ型板式无砟轨道结构 (20)
一、CRTSⅢ型板式无砟轨道系统简介 (20)
二、CRTSⅢ型板式无砟轨道结构组成 (21)
三、CRTSⅢ型板式无砟轨道的结构特点 (21)
第二节主要结构设计标准 (22)
一、轨道板 (22)
二、自密实混凝土层 (22)
三、支承层 (22)
四、底座 (23)
第三章计算参数与模型 (24)
第一节计算参数的选取 (24)
第二节模型的建立 (25)
一、单元的定义 (27)
二、荷载工况 (28)
三、计算结果 (28)
四、温度应力计算 (32)
第四章轨道板的配筋 (33)
第一节轨道板配筋的计算 (33)
第二节轨道板设计荷载弯矩值的确定 (33)
第三节轨道板纵向配筋计算 (33)
一、轨道板采用的混凝土及钢筋 (33)
二、轨道板预应力筋的配筋 (33)
三、纵向非预应力筋的配筋 (35)
四、配置箍筋 (35)
第四节轨道板横向配筋计算 (35)
一、轨道板采用的混凝土及钢筋 (35)
二、轨道板横向预应力筋的配筋 (35)
三、轨道板横向非预应力筋的配筋 (36)
四、配置箍筋 (37)
第五章底座板的配筋 (38)
第一节底座板的配筋计算原则 (38)
第二节底座板设计弯矩的确定 (38)
第三节底座板纵向配筋 (38)
一、底座板采用的混凝土及钢筋 (38)
二、底座板纵向配筋及复核 (38)
三、底座板纵向箍筋配置 (39)
第四节底座板横向配筋 (40)
一、底座板横向配筋采用的混凝土及钢筋 (40)
二、底座板横向配筋计算及复核 (40)
三、轨道板横向箍筋配置 (41)
第六章CRTSⅢ型板式无砟轨道的施工工艺简介 (42)
第一节CRTSⅢ型轨道板预制工艺 (42)
一、轨道板生产施工工艺流程 (42)
二、轨道板张拉及封锚 (42)
三、轨道板湿养、水养和喷淋养护 (44)
四、轨道板的存放和运输 (44)
第二节CRTSⅢ型板式无砟轨道施工工艺 (45)
一、混凝土施工 (45)
二、自密实混凝土 (45)
结论 (50)
致谢 (51)
参考文献 (52)
第一章绪论
第一节引言
在20世纪60年代，日本“新干线”的运营速率大于200km/h，这开启了世界高速铁路发展的新篇章。

我国2003年建成的秦沈客运专线，全线按200km/h的速度设计，从山海关至绥中的试验段设计时速为300km/h，这拉开了我国高速铁路发展的序幕。

哈达客运专线是我国铁路规划“四纵四横”主框架京哈通道的主要组成部分，哈达客运专线从南面起为大连市，向北方沿途经过沈阳、长春，终点站是哈尔滨，正线全长为903.939km，设计最高时速达到了350 km/h。

现有的《中长期铁路网规划》逐渐较难适应当今快速发展的形势了，因此《中长期铁路网规划调整方案》在08年获得了批准。

计划在2020年我国铁路营业里程将超过12万公里。

同时计划铁路的营业总里程将是10万公里，在主要繁忙的干线上将实现客货分线，电化率、复线率将达到50%。

进一步加大建设“四纵四横”的快速客运专线。

同时扩大城际客运系统的组团建设，将来我国所有省会及有50万的人口以上的大城市将建立总规模超过5万公里的快速客运网。

作为一种传统的结构型式，有砟轨道在国内被广泛的应用，虽然它具有建设费用低、噪声传播范围小、以及自动化效率高等的优点。

但是其在实际运营中，存在的产生不均匀的下沉，线路几何行位较难于长期保持，维修工作量大等缺点。

与有砟轨道对比来看，无砟轨道有着：稳定性好、维修工作量小等优点，能够为当今的高速度、高密度的线路运输提供一种少维修、免维修的结构形式。

所以无砟轨道的结构最突出的优点是：稳定性好、少维修。

上个世纪60年代以来，世界上很多国家都开始研究使用无砟轨道，如日本、德国、英国、法国等国。

在这些国家中日本和德国无疑是处于领先地位的。

而我国通过在秦沈客运专线上的试铺，积累了丰富的经验，为以后大规模的铺设打下了坚实的基础。

无砟轨道重新得到了大家的广泛关注，得益于京沪高速铁路的建设及运营。

在“高速铁路无砟轨道设计参数的研究”中，分别提出了三种无砟轨道的型式：板式、长枕埋入式以及弹性支撑块式，它们的应用范围是桥梁和隧道。

并且铺设了和实验了这三种型式的实际尺寸模型，还使用在了相关的工程中。

虽然有了些成绩，但是我国在高铁无砟轨道这块还是比较薄弱的，还需要不断的学习和借鉴国外先进的技术，并且要认识到和
他们之间的差距。

伴随着实施路网规划的脚步的进行，一系列的客运专线得以批准，这些都说明了我国的客运专线项目的逐渐启动。

同时我国的城市轨道交通逐渐进入了建设的高潮阶段，预计在未来的十年内，我国城市轨道交通的建设投资将会超过3万亿元。

高铁和城市轨道交通修建技术中重要的组成部分：无砟轨道技术，将会被大家高度重视，并应该被广泛推广和应用，这将为形成具有中国特色的无砟轨道技术打下良好的基础。

虽然我们的研究应用起步也很早，但是由于各种原因，还是没有形成成熟的体系，因此在对国外高速铁路设计与应用方面上，我们要抓紧学习与研究，同时还要讨论国外技术在我国的适用性，并通过大量的实验研究，总结优化，发现规律，进而能够形成具有鲜明中国特色的轨道型式。

目前存在的问题依然有很多，所以需要我们的铁路科研工作者更加努力钻研。

第二节高速铁路的发展及现状
一、国外高速铁路的发展
高速铁路的发展起源于60年代的日本，日本在1964年修建了世界上第一条高速铁路（日本东京至大阪高速铁路），从而拉开了世界高速铁路发展的序幕。

受到日本高速铁路的影响，欧洲各国也开始了建设高速铁路，到2005年，世界范围内的高速铁路运营总里程己超过6000公里（且主要集中于欧洲和日本）。

世界高速铁路的发展基本可分为三个阶段：
(1)20世纪60年代中期至80年代末期是高速铁路建设的第一次高潮（以日本、德国、法国和意大利的高速铁路为代表）。

日本建成了山阳、上越等多条新千线；法国建成东南和大西洋高速新线；德国和意大利也在国内开始修建高速铁路。

(2)世界高速铁路建设的第二次高潮是以日本和欧洲各国的高速铁路为代表，从20世纪80年代末开始，一直到90年代中期。

受日本和法国高速铁路的影响，20世纪80年代末，欧洲各国也开始了对高速铁路的研究和建设，德国、法国、瑞典等欧洲发达国家通过修建高速铁路将国内的核心城市连接起来。

在此段时间内，出现了著名的瑞典摆式列车和英法国际局速铁路（局速铁路下穿英吉利海峡）。

(3)从20世纪90年代中期形成至今，全世界范围内掀起高速铁路的建设第三阶段的高潮。

受到日本和欧洲发达国家高速铁路的影响，世界各发达国家开始了高速铁路的大规模建设，或是新建新的高速铁路，或是对既有铁路进行改造。

据不完全统计，在此
段时间内，国外修建高速铁路的总共里程已超过3000公里。

二、我国高速铁路的发展现状
我国高速铁路的研究起步比较早，受到世界高速铁路发展的影响，近年来，我国的高速铁路也得到了巨大的发展。

在全国范围内我国不仅开展了对既有线的改造来提高速度，还大规模的开始了客运专线和城际铁路的建设，截至2010年，我国已拥有超过1.4万公里的时速在160公里以上的铁路里程，已超过6000公里的时速在200公里以上的铁路里程。

2008年，我国第一条高速铁路（京津城际高速铁路）的开通运行，标志着我国正式进入了高速铁路时代。

随着郑西、武广、京沪等客运专线的建成及通车，我国已经成为世界上高速铁路运营里程最多的国家。

我国将于2020年基本完成高速铁路的修建和对既有线路的全面改造，使高速铁路遍及我国主要的城市和地区，高速铁路网基本形成，使铁路成为主要的交通工具。

第三节无砟轨道概况
轨道是列车运行的必不可少的基础设施，轨道的结构性能对列车的安全、平稳运行有重要的影响。

铁路和城市轨道交通的轨道结构没有本质上的区别。

它的主要作用是引导车辆运行，直接承受荷载，然后再传递给路基或挢隧。

轨道结构需要拥有合理的维修周期以及足够的强度、稳定性、平顺性，以保证列车能够安全平稳运行。

一、无砟轨道的概念及特性
有砟轨道和无砟轨道是铁路轨道的两种基本类型。

有砟轨道由钢轨、轨枕、连接零件、道砟、道岔等组成，此外有些线路还配有防爬器、轨距拉杆等附属轨道部件。

无砟轨道是以混凝土或沥青材料取代容易磨耗、粉化和破砟的道砟材料的一种轨道结构型式。

在世界铁路得到迅猛发展主要得益于其优点：使用寿命长、刚度均匀性好、平顺性好、轨道几何形位能持久保持、维修工作量少等。

有砟轨道在列车的不停作用下的不足之处就是轨道残余变形累积很快，而且由于轨道高低不平顺而导致旅客乘坐舒适性的降低，并且养护维修工作量也会增加很多。

此外，还能够引起道砟飞溅。

无砟轨道的主要优点是：良好的稳定性，几何形位能持久保持，能减少养护维修工作量；长波不平顺性好，可提升乘车舒适度；耐久性好，轨道使用寿命长；横向阻力提高，安全性高；结构高度低，自重轻，可降低隧道净空，减少桥梁二期恒载；道床整洁
好看，从而解决了由于道砟飞溅所导致的很多问题；对涡流制动系统能够更好的适应，从而提供充足的富余量为将来更快速的列车行驶。

由此可以预见，即使在今天的形势下，我们也应该加大对无砟轨道的研究，从而在为将来高速铁路建设和城市轨道建设中打好坚实的基础，对无砟轨道的研究与应用也必然将成为铁路发展中的一个阶段标志。

二、无砟轨道的类型
无砟轨道作为一个庞大的体系，到目前依然没有统一的系统并且全面的分类方法。

一般来讲，按照轨枕可以划分为预制板式和双块式。

日本板式和德国博格板式是板式的典型代表。

双块式无砟轨道按照轨枕与道床板的关系可以分为三类：轨枕支承式无砟轨道、轨枕嵌入式无砟轨道和轨枕埋入式无砟轨道。

轨枕支承式无砟轨道是一种概念上最靠近有砟轨道的结构，常见的有BTD型、ATD 型与GETRAC型。

轨枕嵌入式无砟轨道的减震降噪效果非常好，但是它也有其缺点：套靴部分的防水措施以及可靠性差，因此一般都只用于隧道内，而且由于其结构的各部分的寿命具有不协调性，所以其对高速的适应性也明显弱其它两种。

Sonneville型和Stedef型以及Sateba5312型等是最常见的嵌入式无確轨道结构。

而轨枕埋入式无碴轨道在其施工过程中对混凝土工程的要求特别高，所以要严格控制。

Rheda型、Ziiblin型(图1.3.2)和Heltkamp型是比较常见的结构型式。

图1.3.2 Ziiblin型无砟轨道结构图
旭普林型无砟轨道和雷达2000型轨道系统比较相似，他们都是将双块埋入式无砟轨道铺设在水硬性混凝土承载层上，但是其所采用的施工工艺是不相同的。

如图1.3.2所示无砟轨道常见的分类：
图1.3.2 无砟轨道类型
第四节各国无砟轨道发展概况
从上个世纪60年代以来，很多国家都开始投入力量进行研究和使用无砟轨道，包括室内试验和现场铺设以及其在高速铁路上的推广应用，经过大约半个世纪的时间，逐步发展出了拥有各自特色的结构型式。

一、日本的无砟轨道
日本发展无砟轨道采取的是统一的推广研究模式，而且以板式轨道为主要研究方向，新干线的无砟轨道结构型式相对单一。

从上个世纪60年代开始，日本就成立了铁道综合技术研究所来进行无砟轨道结构的理论研究以及实验研究。

在其开发的开始阶段，研究人员对于不同的板式轨道方案都进行了设计选型，并且在实验室通过大量的部件试验以及实际尺寸模型加载试验，再加以设计修改和铺设运营线上的试验段，最后就研究产生了日本的板式轨道系列的多种产品。

板式轨道是日本新干线无砟轨道的主要结构型式，其主要结构有普通A型板式轨道（图1.4.1和图1.4.2）和框架型轨道板（图1.4.3和图1.4.4）。

普通A型板式轨道主要应用于桥上或者隧道内，它的主要特点有:
(1) 板式轨道的底座是板式无砟轨道的基础，曲线超高的实现可以通过对底座的特
殊设计，在进行底座设计时，应考虑到基础变形，设计时应满足其变形要求。

(2) 板式轨道的板式无砟轨道的每块底座上设置两凸形挡台，其可作为日本板式无砟轨道铺设和校准时的基准点，这只是其一个作用，其主要作用是限制轨道板的纵横向位移以及固定其位置。

(3) CA砂浆(CA砂浆是指乳化水泥沥青砂浆垫层)填充在混凝土底座和轨道板之间，CA砂浆可提供一定的弹性，一旦发现损坏可方便地进行维修，除此之外，在施工时，对其厚度进行调整，以达到施工要求并使下部基础施工误差不至于影响上部结构的形位。

(4)轨道板为预应力钢筋混凝土结构，轨道板在工厂预制，可以保证较高的制造质量和精度，施工简单、施工进度容易保证、质量和精度能较高保持。

框架型轨道板主要有以下一些特点有:
(l) 减少了轨道板的体积和自重，减少了很多的乳化水泥沥青砂浆垫层(CA砂浆)用量，降低了生产成本，经济效益有很大的提高;
(2)相对于A型板式轨道其施工更简便，且增加了施工的性能和效率，板下乳化水泥沥青砂浆垫层(CA砂浆)在施工时更加均匀了。

(3)板的翘曲(由温度变化而引起的)相对减少了很多，保证了板下乳化水泥沥青砂浆垫层(CA砂浆)耐久性，减少了损坏度，在相当大的程度上使维修工作量减少了。

下图为两种日本板式轨道结构图形，由混凝土底座、凸形挡台、板下乳化水泥沥青砂浆垫层(CA砂浆)、预应力钢筋混凝土轨道板、扣件、钢轨等组成。

图1.4.1 板式无砟轨道
图1.4.2 A型板式无砟轨道结构示意图
图1.4.3 框架式无砟轨道
图1.4.4 框架型无砟轨道结构示意图
二、德国的无砟轨道
德国铁路上采用了一种比较灵活的无砟轨道研发应用机制。

由德铁制定统一的无砟轨道设计基本要求，由各公司、企业自行研制开发，无砟轨道需要经过5年的试铺运营考验，并经过德国联邦铁路管理局（EBA）审定通过后，方才能过正式投入应用。

该研发机制大大激发了全社会研发无砟轨道的积极性。

在1959—1988年这一时期是德国无砟轨道的研发与试铺期，共试铺无砟轨道36处，累计21.6km。

在此期间先后在土质路基、高架桥上及隧道内试铺了多种混凝土道床和沥青混凝土道床的无砟轨道，经过不断地改进、优化和完善，形成了德国铁路的七大系列四十多种无砟轨道和比较成熟的技术规范与管理体系，并且研制了成套的施工机械和工程质量检测设备，为无砟轨道在德国铁路上广泛推广应用创造了良好的条件。

到2003年，德国铁路无砟轨道铺设总长度超过600延长公里，他们采用的主要结构形式有雷达、旭普林和博格等，其中包含57组无砟道岔。

（一）雷达型无砟轨道
1972年德国铁路在雷达车站上试铺了由德国慕尼黑工业大学陆地交通工程试验中心研发的长枕埋入式无砟轨道，轨下基础有整体混凝土枕和现浇钢筋混凝土板组合而成，由于其铺设的地点而取名为雷达式无砟轨道。

运营实践表明，几乎没有其他维修工作，维修工作量很少，显示出良好的质量与性能，已广泛应用在土质路基上、隧道内和高架桥上，在德国高速铁路上已铺设470km，韩国高速铁路上铺设50多千米，中国台湾省高速铁路的96组道岔也为雷达轨枕埋入式无砟道岔。

雷达轨枕是埋入式无砟轨道结构图如图1.4.5。

图1.4.5 雷达轨枕埋入式无砟轨道图
随着雷达轨道的不断改进，轨道高度不断降低，整体性不断提高，最新结构形式是Rheda2000型，已广泛地应用于桥梁、隧道、普通路基及桩板结构路基上。

Rheda2000型无砟轨道从上而下分别是钢轨、扣件、双块式轨枕、混凝土道床板和下部支撑体系。

其结构如图1.4.6。

图1.4.6 路基上Rheda 2000双块式无砟轨道断面
（二）旭普林型无砟轨道
德国在1974年开发了旭普林型无砟轨道，与雷达无砟轨道的主要区别在于以下几点：
（1）施工工艺比较有特点，先浇筑道床板混凝土，后通过振动法将轨枕压入道床混凝土中，直至达到精确地位置。

（2）为了适应轨枕振动压入法的施工要求，旭普林无砟轨道中双块式轨枕的钢筋桁架不外露。

（3）由于施工方法的不同，旭普林轨道的道床板上层无法配设纵向钢筋，钢筋主要布设在道床板中下位置处，因而道床板表面裂纹较难控制。

（4）保证轨面施工精度的质量控制更为复杂；但是其施工进度快，成本相对雷达型低。

（三）博格板式无砟轨道
博格板式轨道前身是1977年第一次在德国达豪至卡尔斯费尔德试验段上道铺设的无砟轨道，其是一种预制预应力钢筋混凝土板式轨道，结构形式与Rheda型无砟轨道和日本的新干线板式无砟轨道类似。

博格板式轨道在桥上的应用，借鉴了Rheda型无砟轨道的成功经验，利用硬质泡沫塑料板和两层聚乙烯(PE)薄膜组成一个弹性垫层，放置在
混凝土底座板上。

博格板式轨道和日本的新干线板式无砟轨道的结构组成有所差异，主要是指纵横向作用力方式的不同，博格板式轨道采用板间螺杆连接或者板下凹槽连接方式，而日本的新干线板式无砟轨道主要采用凸形挡台。

博格板式轨道吸收了日本的新干线板式无砟轨道在施工和制作方面上的一些优点，吸收了轨枕埋入式无砟轨道整体性好的优势。

砂浆层(采用高性能水泥沥青砂浆)为半刚性材料，弹性模量达到5000N/mm2，接近其下的支承层，厚度仅为30mm，目的是将轨道板和底座板连接成整体结构。

由于是采用数控磨床打磨，尤其是承轨部位，博格板式轨道的尺寸能够保证较高的精度。

另外，博格轨道板之间通过连接锁件连接，最大限度地减少了轨道板自由端数量，对于改善填充砂浆和轨道板受力状态有很大的好处，可采用弹性模量相对较高的BZM填充砂浆。

博格板式无砟轨道系统及构造见图1.4.7。

其层次结构依次为:防冻层(FSS)，其由级配砟石构成;支承层(HGT)，其由300mm厚的水硬性混凝土构成;砂浆层(BZM)，其由高性能水泥沥青砂浆构成;扣件，采用V ossloh300;轨道板，采用6500mm*2550*200mm 的预应力钢筋混凝土结构;钢轨，采用的标准是UIC60钢轨。

图1.4.7 博格板式轨道结构
（四）德国其他形式的无砟轨道
目前在德国取得普通许可证的还有Getrac型无砟轨道，是将轨排直接支撑在精确铺设的沥青混合材料道床板上，轨枕通过混凝土锚块弹性地连接到沥青层上，混凝土锚块可以将来自轨排的横向作用力传递到沥青层上，轨道一旦损坏，可以快速地修复，恢复运营。

2004年德国联邦铁路管理局批准对Getrac型轨道进行设计完善工作，包括减少沥青层宽度和厚度，优化支承层变形模量，减少结构层数量。

Getrac-A3通过扩大轨
枕支撑面积，实现了进一步优化厚度和结构还有Sato、ATD、BTD、Walter等结构。

三、法国等其他国家的无砟轨道
除了德国以及日本外，在世界上还有很多的国家也都进行了关于无砟轨道方面的试验和铺设研究。

这其中法国高速铁路是以有砟轨道为主要研究方向，但他们也在地中海TGV的隧道内（长7.8千米）试铺了双块式（即是Sateba)无砟轨道结构。

从1969年英国就已经开始了对无砟轨道（PACT型）的研究和试铺，直到在1973年无砟轨道得到了正式推广应用，同时也打开了西班牙、加拿大、南非和荷兰等国的国外市场。

在这些国家的高速铁路和重载的桥、隧结构上均有采用，其总共的铺设长度约为80千米。

瑞士国铁在1966年首次在隧道内应用的弹性支承块式无砟轨道（即LVT)，其在英吉利海底隧道（最高时速为200km)也有使用。

除此之外，这种轨道结构在韩国、丹麦以及法国和葡萄牙等国均有使用。

四、我国的无砟轨道
我国无砟轨道的研究与国外的研究几乎同步，都是上个世纪60年代左右，但是由于当初我国的国情和周边环境的影响，使我国的无砟轨道的研究研究进步缓慢。

进入90年代中期以来，为适应我国铁路提速以及高速铁路发展的需求，我国无砟轨道的研发步入了一个新阶段，这时期我国才进入铁路大发展时期，已建铁路先后实施了六次大面积的提速，随着21世纪的到来，我国的无砟轨道的发展逐渐提上日程。

板式轨道在我国开始研究的时间很早，早在20世纪70年代就开始研究CA砂浆技术。

期间曾试验铺设过支撑块式、短枕式以及沥青道床和整体灌注式等，而到最后只有支撑块式整体道床得到了正式的推广使用，其总共铺设了约300千米，主要是在成昆线、京原线和京通线上的隧道内（长度超过1千米）铺设应用。

沥青混凝土整体道床（由沥青混凝土铺装层和宽枕组成的结构型式）曾在1980年初得到应用，它铺设的长度有10千米，并且全部铺设应用在大型客站以及隧道内。

除此之外还有由涵青灌注的固化道床没能被推广应用。

1999年完成“秦沈客运专线桥上无砟轨道设计、施工技术条件”的研究与编制，在秦沈客运专线选定了狗河特大桥和双何特大桥作为板式轨道的试铺地段，研究了适应于寒冷地区使用CA砂浆。

在长度为18.4千米的西康线秦岭隧道内铺设了弹性支承块式无砟轨道，并且已经在2001年正式开通运营；秦沈客运的沙河特大桥试铺了长枕埋入式无砟轨道（692米）；在长度为741米的狗河特大桥直线上以及长度为740米的双河特。