CRTS III型板式无砟轨道毕业设计

兰州交通大学毕业设计（论文） 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

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兰州交通大学毕业设计（论文） 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 ........................................ 34 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

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兰州交通大学毕业设计（论文） 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

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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

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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

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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

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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

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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Vossloh300;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

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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

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大桥曲线上试铺了板式无砟轨道见图1.4.8。

图1.4.8 秦沈线板式无砟轨道横截面图

我国台湾省高速铁路（台北一高雄）的全线长度为345千米已经投入使用，铺设的无砟轨道的总长度达到了 155千米,其中德国雷达2000型无砟轨道铺设在96组道岔区(总共123组）。

无砟轨道是一个复杂的系统工程，在和世界上的发达国家（德国、日本等）相比，在无砟轨道技术方面我国仍有不少的差距。比如在大跨度桥梁和路基地段上出现的问题：梁端转角限值的确定、梁体徐变上拱以及纵向力在桥梁与无砟轨道间的传递特征和路基地段沉降控制等，我们需要加倍的努力来研究出解决这些问题的方法。

即便是这样，我们取得的成绩还是值得肯定的。通过在隧渝线上进行的有关无砟轨道的综合试验研究，创新研究形成了我国的CRTSⅠ型无砟轨道结构型式。对于京津城际上的关于无砟轨道的进一步研究，研究产生了适合我国的新的CRTSⅡ型无砟轨道。除此之外，在武广客运专线进行的无砟轨道再创新研究试验中,有关CRTSⅢ型无砟轨道的研究工作也在成灌线进行着。CRTSⅠ型无砟轨道结构有两种类型：板式和双块式。CRTSⅡ型和I型一样也是两种类型。在这其中，在武广高速铁路上铺设了CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构，而在郑西高速铁路上则铺设应用了 CRTSⅡ型双块式无砟轨道型式。

第五节 板式无砟轨道发展现状

关于无砟轨道的研究我国虽然开始时间和外国几乎一致，但真正发展是在铁路六次

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大面积提速以后。在21世纪，我国的无砟轨道发展才越来越快。

一、 CRTSⅠ型板式无砟轨道

CRTSⅠ型轨道板采用C60混凝土预制而成，其中涉及到的有水泥、掺合料、外加剂、粗细骨料、钢筋、预应力钢棒、封锚砂浆等14种主要原材料。CRTSⅠ型轨道板采用塌落度为80-120 mm 的C60 混凝土灌注，经过静停、升温、恒温、降温这四个阶段的蒸汽养护控制，采用后张法施加预应力以保证轨道板的高强度和耐久性指标。

CRTSⅠ型板式无砟轨道是这样一种轨道结构型式：将预制好旳轨道板首先经过水泥沥青砂浆调整层，在现场绕注在拥有凸形挡台的钢筋轮底座上面，能够适应ZPW-2000轨道电路。

CRTSⅠ型板式无砟轨道的结构由下列部分组成：钢轨、扣件系统、充填式塾板、轨道板、水泥乳化沥青砂浆调整层、混凝土底座、凸形挡台还有周围填充树脂等。在这其中，扣件采用的标准是无挡肩弹性分开式扣件，要小心节点间距。其一般为629毫米，最好不要超过650毫米，如果超过了就应该进行特殊检算，下图是CRTSⅠ型板式无砟轨道的结构组成。板式无砟轨道（图1.5.1）分为平板型无砟轨道和框架式无砟轨道。

图1.5.1 板式无砟轨道结构示意图

CRTSⅠ型板式轨道板釆用工厂化的方法进行生产，并能够做到提前预制存储。必须要通过关于无砟轨道对 铺设条件的评估，并且确定能够达到轨道施工要求后，方才能够进行灌注底座混凝土和凸型挡台，将轨道板运输到线路上，进行铺设后并且精确调整轨道板后，方能进行CA砂装的灌注工作，进而铺设无缝线路。

CRTSⅠ型板式轨道结构特点如下:

(一)由于采用了比较坚实的混凝土基础，所以减小了轨道板的设计强度。轨道板有

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多种作用，如可以承载、传递纵横向力、对钢轨进行定位等。

(二)CA砂浆作为调整层，轨道板的定位，可以通过调整CA砂浆厚度来调整，从而能够确保轨道板正确合理的几何定位，但是要求CA砂浆有着姣好的流动性、传力能力要强，这就对CA砂浆要求比较高。

(三)这种无砟轨道结构采用层次分明的层状结构体系设计原理，维修或撤换比较方便。

(四) 为了能够更有效的传递纵横向力，在混凝土底座上设置圆形凸形挡台，。其凸形挡台是主要的传力结构，必须采取保护措施，设计时在凸台和轨道板之间设置缓冲层，以减少在传递水平力时对凸台造成的冲击，增加其使用寿命。

(五)该轨道结构可修性好、施工效率高、弹性好、通用性强。 CRTSⅠ型板式无砟轨道的技术特点：

(一)能够很好的保证铺设的精度：首先在混凝土底座上直接“放置”已经预制好的轨道板，然后通过在轨道板和底座中间填充水泥乳化沥青砂浆来达到调整轨道板的目的。

(二)由于施工性能非常好，可以最大限度地减少在现场上的工作量，从而能够使用机械化施工，因此提高了作业水平，大大加快了施工进度。

(三)可修复性很好，不仅可以通过扣件来调整轨道的几何形位，也能够用调整水泥沥青砂浆还有凸形挡台树脂厚度的方法来适应线下基础的变形：垂向和横向的变形。由于是使用单元板式结构，所以当在轨道板损坏或者是线下基础有利变形的时候，可以能够用更换轨道板还有重新灌注砂浆的办法来达到快速修复的目标，从而对线路运营的干扰程度降到最小。

(四)具有很好的减振降噪能力以及抗震性能、同时也有较好的弹性。

CRTSⅠ型无砟轨道板的工艺流程可以概括为：钢筋骨架制作完成后，到固定模板位置安装就位，浇筑混凝土，蒸汽养护至脱模强度脱模，进行翻板检查，检查合格后进行预应力张拉和锚穴孔封锚作业，水养完成后运输至存板区存放。

二、 CRTSⅡ型板式无砟轨道

CRTSⅡ型板式无砟轨道技术在京津城际客运专线得到应用，此种技术有这比较多的优点，例如定位精度高、美观、、取消伸缩调节器、工程量小、平顺性好等。

CRTSⅡ型板式无砟轨道其主要结构都是在工厂预制好的，故其为预制板式轨道结构，其结构组成在桥上与路基、隧道地段有很小的区别。桥梁上由滑动层、钢筋混凝土

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底座、侧向挡块、调整层(BMZ砂浆)、轨道板等组成，在隧道、路基地段自下而上由支承层、调整层(BMZ砂浆)、轨道板等组成。沿线路纵向底座、支承层及轨道板都是连接结构，如图1.5.2所示。

图1.5.2 CRTSⅡ型板式无砟轨道图

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构组成：

CRTSⅡ型板式无砟轨道主要由钢轨、配套扣件、预制轨道板、砂浆调整层、连续底座板、滑动层、侧向挡块等部分组成，每孔梁固定支座上方设置剪力齿槽，梁缝处设置硬泡沫塑料板，台后路基上设置有摩擦板、端刺及过渡板等。

CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要结构特点如下：

(一)轨道板采用工厂化预制，通过布板软件计算出轨道板布设、制作、打磨、铺设等工序所需的全部轨道几何数据，实现了设计、制造和施工的数据共享。

(二)轨道板相互之间通过纵向精轧螺纹钢筋连接，较好的解决了板端的变形问题，从而能够改善轨道板施加于下面结构的受力，提高了行车舒适程度。

(三)轨道板采用数控机床打磨工艺，机床的打磨精度可以达到0.1毫米，再加上通过高精度的测量以及精调系统，轨道板铺设后就能够获得较高精度的轨道几何尺寸，最大程度的降低了铺轨精调的工作量，大幅度提高了综合施工进度。

（四）桥上底座板不受桥跨的限制，作为跨越缝隙的纵向连接结构，桥上的轨道板与路基、隧道中的轨道板是相同的，都是标准的轨道板，利于工厂化、标准化生产，便于质量控制，同时简化轨道板的安装和铺设。

(五)摩擦板和端刺结构是桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的锚固体系，通过摩擦板和端刺可以将温度力以及制动力都传递到路基上。

(六)梁面设置滑动层，达到隔离桥梁和轨道间相互作用的目的，能够减小由于桥梁

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伸缩而引起的钢轨以及板内纵向附加力，减少桥梁和轨道之间的相互影响，从而能够实现在大跨度连续梁上取消伸缩调节器的目的。

(七)一般情况下，在桥梁固定支座上方，在桥梁和底座板之间设置剪力齿槽和预埋件，从而能够达到及时将制动力、温度力传递到墩台上的目的。

(八) 在梁缝处设置高强度挤塑板。减小梁端转角对无砟轨道的影响。 (九) 在底座板两侧设置侧向挡块，进行横向、竖向限位。

(十)支承层使用的是水硬性材料或素混凝土，不需要配筋，结构简单，施工方便，这样可以减少工程投资，同时由于不配筋还有利于施工。

第六节 CRTSⅢ型无砟轨道目前研究存在的问题

对比CRTSⅠ型、CRTSⅡ型两种板式无砟轨道系统的水泥乳化沥青砂浆材料，岔区板式无砟轨道充填层材料采用自密实混凝土，其经济性相对较好。

随着国内对无砟轨道结构认识和研究的深化，完全有基础和条件也有足够的能力来研究开发一种新型板式无砟轨道结构，该新型板式无砟轨道在受力状态、经济性、施工性、可维修性及耐久性等方面，能够具备各型板式轨道的优点，减少缺点。

由此，各相关参研单位在总结我国既有无砟轨道研究与应用经验的基础上，对无砟轨道理论研究、结构设计、建造技术、维修技术等开展了系统性的研究，获得了比较丰硕的果实，创新研制了CRTSⅢ型板式无砟轨道，这是我国具有完全自主知识产权的、一种全新的无砟轨道结构体系。目前在我国，CRTSⅢ型板式无砟轨道已被成功的应用在成灌线上。成灌线上CRTSⅢ型板式无砟轨道见图1.6.1。

图1.6.1 成灌线上 CRTSⅢ 型板式无砟轨道

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对运营的成灌铁路的观察得到了如下几点建议：

(一)继续加大对无砟轨道技术再创新工作的研究，并同时对无砟轨道工程中的评估体系、结构寿命、动力特性、速度与结构设计、成本以及养护维修等方面的研究工作进行更加深入的研究，并能够建立试验段，这个试验段主要是用来测试在时速350km下的轨道结构，同时还要进行一些现场试验研究，并且能够根据我国的实际情况研究结出适合我国的硕果。

(二)建议加大轨道原材料方面的实验研究，比如加大对自密实混凝土和路基轨道板的连接材料以及轨道间填充材料等方面的实验研究。

(三)建议能够对成灌铁路轨道结构中的重要部件（扣件等）定期进行测量检查，以便能够对无砟轨道的长期稳定性进行研究，能够为将来无砟轨道结构研究提供充足的数据储备。

(四)能够加大对于施工工艺和工装方面的研究工作，增强无砟轨道施工方面技术再创新的研究力度，为以后CRTSⅢ型板式无砟轨道在施工方面的专业化和标准化做出努力。

路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横断面图如下图1.6.2。

图1.6.2 路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横断面图

在《成都至都江堪铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道技术总结》中，西南交通大学对成灌铁路上CRTSⅢ型无砟轨道结构进行了比较系统的理论方面的研究，提出了 “路基纵

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连、桥上单元”的总体设计思路。因为单元板式无砟轨道使用预制板，所以单元板式无砟轨道的施工速度比较快，并且单元板式无砟轨道的可维修性比较强，同时结构承力和传力路线也很明确，非常有利于进行标准化施工管理，但同时它的CA砂浆是薄弱环节。纵连板式无砟轨道所使用的是打磨的带预裂缝的预制板，在板间进行纵方向的连接，但是在其板间连接处也是比较容易开裂的。在技术总结中没有研究使用自密实混凝土层代替CA砂浆的路基单元式轨道结构的情况，所以很有必要对其再进行试验研究，最后再进行分析对比研究采用单元式和纵连式的轨道结构，最终就能够形成比较完整的关于CRTSⅢ型板式无砟轨道的理论体系。

第七节 本文研究的意义、主要内容及方法

一、 本文研究的意义

我国的CRTSⅢ型板式无砟轨道最早出现在成灌线上。因为成灌线的设计及施工周期都非常紧凑，而且其设计时速只是200km。所以CRTSⅢ型板式无砟轨道还需要长期的运营以便观测它的实际运营数据来支持以及优化改进结构型式，最终形成拥有自主品牌的新型板式无砟轨道系统，从而能够为我国的高速铁路完全走向世界打好坚实的战略技术基础。

二、 主要研究内容及方法

本文所选用的是我国自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道作为研究对象，模拟分析是用大型通用有限元软件（ANSYS)来进行的，从而求出在荷载作用下无砟轨道结构的受力和变形情况，根据模拟的结果来总结其受力变形规律。本论文的主要工作如下： 首先，通过收集并阅读大量的资料来了解关于无砟轨道方面的各种研究信息，全面介绍国内外关于无砟轨道的研究和应用的相关情况，重点介绍我国自主研制的CRTSⅢ型板式无砟轨道的研究水平及其应用情况。

其次，本文选择CRTSⅢ型板式无砟轨道作为研究对象，深入的研究了土质路基上板式无砟轨道的受力变形特点。阅读了大量的研究成果后，我们最终采用了梁-板模型来模拟实际轨道结构，通过大型有限元软件ANSYS来计算CRTSⅢ型无砟轨道结构，然后再计算出轨道的各主要的参数：板的垂向位移、板的横纵向位移、板的纵横向弯矩等。在建立模型时，把道床板和支承层都看做是板壳单元，从而建立梁板模型来进行研究。这是由于水硬性混凝土支承层（简称支承层）以及道床板（含轨枕）在厚度方向上

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的长度尺寸都要远远小于其在长度和宽度方向上的尺寸；本文也没对 CRTSⅢ型建立的实体单元，是因为其计算时间很长，并且弯矩等主要参数也没办法直接求出，所以并没有使用其来进行计算。

CRTSⅢ型板式无砟轨道垂向动力学分析在釆用有限元力学模型时，荷载参数以及路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道参数是需要确定的设计参数的。其中荷载参数是指大小和施加方式；而轨道参数主要包括钢轨和扣件的类型及其参数、道床板和水硬性混凝土支承层的类型及实常数和参数、地基弹性系数等，另外，还深入研究分析了道床板和水硬性支承层之间的连接方式，并且提出了虚拟连接方式，这是一种很理想的连接方式。

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第二章 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构组成及技术要求

第一节 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构

一、 CRTSⅢ型板式无砟轨道系统简介

CRTSⅢ型板式无砟轨道是拥有完全的自主知识产权的新型无砟轨道结构型式。这项技术对于我国的科技发展来说是一项完全的新技术，其首次在成灌线上铺设，并且在国内首次使用新的材料、工装、工艺以及成套设备等。

CRTSⅢ型无砟轨道的总体设计思路是“桥上单元、路基纵连”。是将已经预制好的轨道板经过自密实混凝土层“放置”在底座（或是支承层）上的一种新型无砟轨道结构型式。

CRTSⅢ型板式无砟轨道在桥梁地段采用的是单元板式，用自密实混凝土代替了CA砂浆作为板下填充层，轨道板与自密实混凝土间通过设置U型连接钢筋，来加强两者之间的连接。底座上设置两个凸台用来传递水平力及限位;路基地段采用纵连板式，板间填充树脂砂浆，板下填充自密实混凝土，支承层采用水硬性支承层(HGT)。

CRTSⅢ型板式无砟轨道总体结构方案为带挡肩的新型单元板式无砟轨道结构，其主要由钢轨、扣件、预制轨道板、配筋的自密实混凝土（自平流混凝土调整层）、限位挡台、中间隔离层（土工布）和钢筋混凝土底座等部分组成。

轨道结构采用单元分块式结构，在路基、桥梁和隧道地段轨道板间均采用不连接的分块式单元结构。

底座板在每块轨道板范围内设置两个限位台（凹槽结构），底座板与自平流混凝土层间设置中间隔离层。扣件采用WJ-8C型扣件，如下图所示。

就CRTSⅢ型轨道板而言，其生产工艺和I型板相似，采用独立台座、双向后张法生产。采用WJ-8C扣件，承轨台带挡肩，外观和II板相似，其精度要求也向经数控磨床加工后的CRTSⅡ型轨道板看齐。因底座和轨道板之间的填充、调整层用自平流混凝土代替了CA砂浆，板底需预留门形钢筋，以确保轨道板和砂浆层结合良好，防止单元板在环境温度变化和行车重量变化时板端的翘起变形。相当于用I型板的工艺生产出达到或接近经数控磨床加工后的CRTSⅡ型轨道板精度的轨道板。

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二、 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构组成

CRTSⅢ型无砟轨道结构主要包括下面的一些结构：钢轨、轨道板、扣件、自密实混凝土、钢筋混凝土底座（支承层）等。其所采用的型式是有挡肩的弹性扣件，其承轨面上要设置1/40轨底坡，其间距是通过其运营条件来确定的。为了能够保证轨道结构拥有高平顺性，在曲线地段上扣件应能够预留一些设置充填式垫板的条件。

CRTSⅢ型板式无柞轨道其钢轨为普通60轨。扣件为WJ- 8C型扣件系统;轨道板为预制预应力钢筋混凝土结构;自密实混凝土层采用C40混凝土，并在两端设置向下的凸台与底座板相连;底座板采用C40钢筋混凝土结构，底座板两侧设置两个凹槽，与上部自密实混凝土层相连。凹槽内侧周围紧贴1Omm橡胶垫板，底部铺设20mm泡沫板。

图2.1 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横断面示意图

三、 CRTSⅢ型板式无砟轨道的结构特点

(一)因为在桥梁上使用的型式是单元板式无砟轨道结构，从而能够方便进行施工以及维修。而在路基上铺设的是纵连板式结构，从而提高了线路的平顺性。

(二)轨道板以有挡肩扣件以及双向预应力为配套设计标准。而曲线地段是经过调整承轨台位置从而来实现轨道空间上的线形。

(三)板下的施工调整层使用的是自密实混凝土层，取消了CA砂浆填充层，简化了施工工艺，减少了对环境的污染，同时降低工程造价。

(四)自密实混凝土经过轨道板下面预留“门”形钢筋从而能够可靠连接而变成了一种复合结构。

(五)在自密实混凝土与底座之间（桥梁）设置土工布隔离层。

(六)此轨道板结构与WJ-8C扣件系统配套，有很好的应用性，并使其具备较好的施工性能和保持轨距的能力。

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第二节 主要结构设计标准

一、 轨道板

CRTSⅢ型无砟轨道板做为我国的自主研制的一种新型的双向预应力钢筋混凝土型式，是按照60年代的标准来设计混凝土结构耐久性的，并且还设置有配套的承轨槽结构，在板下设置U形连接钢筋，但是在小半径曲线地段还需要调整一下承轨槽空间位置。通常板长有这两种：5350mm和4856mm,而板的宽度均为2500mm，板厚度为190mm。

图2.2.1 轨道板平面布置图

二、 自密实混凝土层

CRTSⅢ型无砟轨道的轨道的轨道板下灌注自密实混凝土层，它所使用的混凝土的强度等级是C40，自密实混凝土层在直线地段的宽度为2700mm，但是在曲线地段则是宽度为2600mm，厚度为90mm,然而其长度是和轨道板一致。

三、 支承层

在路基地段上要铺设支承层，并且要在沿着线路纵向方向上进行连续铺设。在板与板之间的缝隙位置必须要设置横向伸缩假缝，在支承层施工完成后应该立即进行拉毛处理。

支承层材料有下面两种：水硬性混和料和低塑性水泥混凝土。支承层应该首先使用水硬性混和料以此来提高支承层方面的抗弯和抗裂等性能。

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（二）扣件

扣件是连接钢轨和轨道板的组成部分，主要提供轨道的弹性。建立模型时我们采用COMBIN14单元对其进行模拟。

（三）轨道板

因为轨道板的厚度相对它的长度和宽度来说微不足道，所以我们建模时采用SHELL63板壳单元对其进行模拟，板壳单元有着很大的优点，其比较规则能够直接得到其弯矩，对于我们的计算有很大的便利。

（四）自密实混凝土层

在轨道板和支撑层之艰难灌注的混凝土层在CRTSⅢ型板式无砟轨道中使用的是自密实混凝土层。建模时我们采用SHELL63板壳单元对其进行模拟。

（五）支承层

由于其自身的结构特点，建模时我们仍然采用的是SHELL63板壳单元对其进行模拟。

（六）地基

对于地基我们采用的是实体单元SOLID45对其进行模拟。 （七）单元虚拟连接

我们采用的是接触对contact pair来进行虚拟连接。

二、 荷载工况

本文采用一对轮对来模拟加载，车轮通过轮轨与钢轨的接触面作用于轨道上的竖向力被称作轮重，也叫作列车竖向荷载。根据轮重作用位置的不同，本文采用以一轮对的轮重均为300kN来模拟竖向的荷载情况。

三、 计算结果

利用上面建立的模型对其施加动力荷载值进行有限元分析，通过有限元软件对模型各个板块的选择，分别对钢轨位移、轨道板、支承层的纵横向的弯矩和位移进行计算得到了轨道板、自密实混凝土层、支承层的横纵向的应力、弯矩和位移。

对计算得到的图形进行汇总，得到了如下图形。钢轨位移（轨道位移）如图3.2.5；轨道板横向位移如图3.2.6；轨道板纵向位移如图3.2.7；混凝土支承层横向位移如图3.2.8；混凝土支承层纵向位移如图3.2.9。

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图3.2.5 钢轨位移

图3.2.6 轨道板X轴弯矩

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图3.2.7 轨道板Z轴弯矩

图3.2.8 混凝土支承层X轴弯矩

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图3.2.9 混凝土支承层Z轴弯矩

对整个轨道结构组成部分的计算结果汇总如表3.2.1。 表3.2.1 轨道结构个组成部分计算结果

轨道部件 计算指标 纵向应力 轨道板 横向应力 竖向位移 纵向应力 自密实混凝土 横向应力 竖向位移 纵向应力 支承层 横向应力 竖向位移 压应力 拉应力 压应力 拉应力 最大下沉值 最大上翘值 压应力 拉应力 压应力 拉应力 最大下沉值 最大上翘值 压应力 拉应力 压应力 拉应力 最大下沉值 最大上翘值 31

单位 MPa MPa MPa MPa mm mm MPa MPa MPa MPa mm mm MPa MPa MPa MPa mm mm 最大值 -6.74 6.74 -9.95 9.95 -0.94 -0.45 -2.8 2.8 -8.17 8.17 -0.821 -0.345 -2.05 2.05 -2.77 2.77 -4.25 -1.52 兰州交通大学毕业设计（论文）

CRTSⅢ型板式无砟轨道轨道板、支承层的纵横向弯矩如下表3.2.2。

表3 .2.2 CRTSⅢ板式无砟轨道轨道板、支承层的纵横向弯矩 轨道部件 轨道板 支承层 计算指标 横轴弯矩 纵轴弯矩 横轴弯矩 纵轴弯矩 单位 N2mm N2mm N2mm N2mm 最大值 2.498?106 9.549?106 1.193?106 4.638?106 四、 温度应力计算

温度梯度的应力只考虑了受阳光照射的最上层板或其他的部件，下层板或部件不考虑他们的翘曲应力。比如轨道板、道床板需要考虑温度梯度的应力，砂浆层、底座、支承层等就不需要考虑翘曲应力。温度梯度应力要求分别计算“上热下冷”和“上冷下热”的两种情况。为了减化计算，我们认为“上热下冷”和“上冷下热”的温度梯度相同，并且近似认为温度梯度在断面上按线性分布。温度梯度值参照我国铁路规范的相关取值。温度梯度引起的板的最大翘曲应力和对应的单位宽度弯矩按下面两式计算：

（3.1）

（3.2）

式中Ec 为混凝土的弹性模量，αt为混凝土的线膨胀系数，Tg 为混凝土的温度梯度，h为板的厚度。

温度梯度引起的翘曲应力在折算成弯矩时应乘以折减系数0.89，并加入荷载引起的弯矩来进行配筋设计，计算结果见表3.2.3。

表3.2.3 温度梯度应力

轨道板 支承层 Ec 16000 15000 αt 1E-5 1E-5 Tg 45 45 h 0.19 0.25 бq 0.609 0.751 Mq 3.66 7.82 MQ 9.15 24.24

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第四章 轨道板的配筋 第一节 轨道板配筋的计算

对于轨道板的配筋计算，本文采用结构设计原理中的容许应力法及静力平衡的方法及相应的原则来配筋。并且认为在钢筋混凝土结构中受拉区只有钢筋承受拉应力，认为钢筋和混凝土的弹性模量在加载过程中不会发生变化。

据混凝土设计原理A得到的C50混凝土和精轧螺纹预应力筋及普通筋HRB335的参数为：fsd= 280 N/mm2 ，fcd= 22.4 N/mm2 ，fpd= 650 N/mm2 ，fpk=540 N/mm2 。

第二节 轨道板设计荷载弯矩值的确定

可以将轨道板的设计弯矩值近似的等于有限元软件ANSYS模型模拟轨道板计算得到的弯矩值加上温度梯度引起的弯矩。

轨道板X轴的弯矩：

Mx?Mcux?MQ?2.498?106?9.15?106?11.648?106 N·mm 轨道板Y轴的弯矩：

My?Mcuy?MQ?9.549?106?9.15?106?18.699?106 N·mm

第三节 轨道板纵向配筋计算

一、 轨道板采用的混凝土及钢筋

轨道板采用C50高强混凝土，采用精轧螺纹钢筋配置轨道板的预应力筋，非预应力筋采用HRB335配筋。

二、 轨道板预应力筋的配筋

已知：

fsd= 280 N/mm2 ，fcd= 22.4 N/mm2 ，fpd= 650 N/mm2 ，fpk=540 N/mm2 ；

假设 as=60mm，c=40mm 则

h0?h?as?190–60=130mm 取 x??b?h0?0.518?130=67.34 mm 取 ?con?0.8，fpk?0.8?540?432N/mm2

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?1?30%??con?30%?132?12.96 N/mm2 ep?h/2?as= 190/2-60=35 mm

A?Ax= 2500?190 = 475000 mm2

2 Ix?bh3/12?（h-x）?Ax=3.294?109 mm4

W?Wx?Ix/(h/2)?34.67?106 mm3

轨道板的纵向预应力钢筋应力应满足：

MsW Npe?1ep0.85(?)AW 式中 Npe—使用阶段预应力钢筋永存应力的合力；

Ms—按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值； A、W—构件混凝土全截面和对抗裂边缘的弹性抵抗矩；

ep—预应力钢筋的合力作用点至混凝土截面重心轴的距离。 求得 Npe?0.127?106 N 取 Npe=0.127?106

所需要的预应力钢筋截面面积如下： Apx?Npe?con??1

求得 Apx= 419.98 mm2 取预应力筋的直径d=18 mm ，则钢筋的根数为 n?Apx??d2/4= 2

为了安全考虑，预留足够的应力，选取n = 4

则 Apx= 4???d2/4 = ??182 = 1018 mm2

预应力筋的布置方式为：混凝土两侧边到预应力筋的最小净间距为405mm ，预应力筋之间的净间距分别为400mm，818mm 。

三、 纵向非预应力筋的配筋

由 fsd?As?fpd?A?AP?fcd?b?x34

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式中 fsd—普通钢筋HRB335抗拉强度设计值； As—受拉钢筋面积；

fpd—精轧螺纹钢筋的抗拉强度标准值； Ap—预应力钢筋截面面积； fcd—C50混凝土强度设计值。

2得 As?11104.8mm

则 AS/2?11104.8/2?5552.4mm2

查表，选取HRB335筋为15?22 ，取两侧的保护层厚度为40mm，则钢筋间的净间距为：s=(2500-40?2-15?12)/14=149.3mm。并且要求轨道板截面对称配筋，所以轨道板采用双筋，上下层的配筋方式相同。

四、 配置箍筋

箍筋按构造要求配置，即应满足最大间距及最小直径的构造要求：

查表知，150＜h＜300，所以选取箍筋最大间距为150mm，h＜800，所以箍筋选择最小直径d?6mm。

第四节 轨道板横向配筋计算

一、 轨道板采用的混凝土及钢筋

轨道板采用C50高强混凝土，采用精轧螺纹钢筋配置轨道板的预应力筋，非预应力筋采用HRB335配筋。

二、 轨道板横向预应力筋的配筋

查表知：fsd=280 N/mm2，fcd=22.4 N/mm2 ，fpd=650 N/mm2 ，fpk= 540 N/mm2 ；

假设as=60 mm，c=40mm

则 h0?h?as=190-60=130 mm 取 ?con?0.8fpk?0.8?540 = 432 N/mm2

取 x??b?h0=0.518?130 = 67.34 mm

?1= 30%??con=30%?432 =129.6 N/mm2

ep?h/2?as=190/2-60=35mm A?Ay=5350?190=1016500mm2

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Iy?bh3/12?(h?x)2?Ay?7.049?109 mm4

W?Wy?Ix/(h/2)=74.2?106 mm3

轨道板的横向预应力钢筋应力应满足：

MsW Npe? 1ep0.85(?)AW求得 Npe?0.2037?106 N 取 Npe=0.2037?106 N 所需要的预应力钢筋截面面积如下： Apx?Npe?con??1

式中 Npe—使用阶段预应力钢筋永存应力的合力；

Ms—按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值； A、W—构件混凝土全截面和对抗裂边缘的弹性抵抗矩；

ep—预应力钢筋的合力作用点至混凝土截面重心轴的距离。 得 Apx=673.61 mm2 ，

取预应力筋的直径d=18 mm，则钢筋的根数为 n?Apx??d2/4= 2.647

为了安全考虑，预留足够的应力，选取 n=12

则 Apy?12???d2/4=3???182 =3053.7 mm2

预应力筋的布置方式为：混凝土两侧边到预应力筋的最小净间距为37mm ，预应力筋之间的净间距为：s =（5350-37?2-12?18）/11=460mm。

三、 轨道板横向非预应力筋的配筋

由公式 fsd?As?fpdA?Ap?fcd?b?x式中 fsd—普通钢筋HRB335抗拉强度设计值； As—受拉钢筋面积；

fpd—精轧螺纹钢筋的抗拉强度标准值； Ap—预应力钢筋截面面积；

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fcd—C50混凝土强度设计值。 得 As=11927.9 mm2

则 As/2=11927.9/2=5963.95 mm2 ，查表，选取HRB335筋为24Φ18，取两侧保护层厚度为44 mm，则钢筋间的净间距为:s=（5350-44?2- 24?18）/23=210mm。 并且要求轨道板截面对称配筋，所以轨道板采用双筋，上下层的配筋方式相同。

四、 配置箍筋

箍筋按构造要求配置，即应满足最大间距及最小直径的构造要求：

查表知，150＜h＜300，所以选取箍筋最大间距为150mm，h＜800，所以箍筋选择最小直径d=6 mm。

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