一种变厚框架式无砟轨道板的制作方法
【专利摘要】一种变厚框架式无砟轨道板，所述轨道板包括底板、凸台、承轨台组成，所述底板为长方体，在底板的一个面上，沿长方体长度方向的轴线对称设有一对凸台，沿凸台上表面的长度方向均布有承轨台；所述底板上设有通孔，通孔处于对称设置在底板上的一对凸台之间，形成在一对凸台之间通过横向加筋混凝土结构连接的框架结构。本发明的变厚框架无砟轨道板能有效减少温度应力引起的轨道板翘曲，解决受拉开裂现象；增强行车安全性和舒适性；本发明结构受力合理，重量轻，结构强度高，能有效改善轨枕结构体系受力状况、延长结构使用寿命、优化了轨道电路参数，改善谐振式轨道电路传输特性，可直接与目前高速铁路CRTS-I无砟轨道板有效衔接，适于工业化生产。
【专利说明】一种变厚框架式无砟轨道板
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及高速铁路无砟轨道板技术，尤其涉及一种变厚框架式无砟轨道板。
【背景技术】
[0002]目前我国高速铁路无砟轨道CRTS-1型板一般采用普通钢筋混凝土结构，其结构型式为实体型。由于其结构自身存在缺陷以及无砟轨道系统所处的恶劣环境，加之普通混凝土物理力学性能差，导致现有高速铁路无砟轨道板普遍存在轨道板开裂、以及轨道板内钢筋网与钢轨电流之间的互感作用恶化轨道电路一次参数等现象，严重影响了无砟轨道板安全性和耐久性。
[0003]目前普通混凝土板式轨道存在的主要问题包括:
[0004]1、实体无砟轨道板在温度梯度作用下，轨道板产生翘曲变形和翘曲应力，造成轨道板及其下砂浆层受力不均匀，板角处出现较大的拉压应力，此拉压应力甚至会超过砂浆的强度，引起砂浆的破坏；
[0005]2、轨道板翘曲变形还有可能出现轨道板与砂浆层的离缝，造成列车经过时轨道板对砂浆的拍打，加速砂浆的破坏；严重影响普通混凝土无砟轨道板的使用寿命；
[0006]3、由于普通混凝土力学性能较差，在列车荷载和温度梯度共同作用下，轨道板上下表层的拉应力会超过混凝土容许拉应力，引起轨道板开裂；在车轮作用点处的轨道板压应力可能会超过混凝土容许压应力，且在重复作用下混凝土的疲劳特征使其强度进一步降低，从而引起轨道板出现局部压碎现象；
[0007]4、实体型轨道板自重大，使普通混凝土轨道板在安装、更换过程中需要大型机具设备，造成安装、更换困难，且这与现代结构朝着轻型化方向发展的审美观念相违背，并造成严重浪费；
[0008]5、实体型轨道板为了减小裂缝的发生，对结构施加了预应力，由于轨道板尺寸较小，引起的温差、松弛等导致预应力损失较大，得到的有效预应力较小；另轨道板厚度较小，预应力的施加易导致轨道板锚端容易出现裂缝，导致出现混凝土脱落掉块、钢筋锈蚀等病害的发生;
[0009]6、由于普通混凝土轨道板均为热轧钢筋，而钢筋网与钢轨电流之间互感作用，恶化了轨道电路参数，使钢轨阻抗中交流有效电阻过大，电感流偏小，导致谐振式轨道电路传输长度的缩短。
[0010]因此，克服现有实体轨道板存在的缺陷，是提高高速铁路运行安全可靠性，降低高速铁路养护维修成本，提升高速铁路技术水平亟待解决的问题。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种结构受力合理、重量轻，结构强度高，能有效改善轨枕结构体系受力状况、延长结构使用寿命、优化轨道电路参数以改善谐振式轨道电路传输特性的变厚框架式无砟轨道板。
[0012]本发明是采用下述方案实现的:
[0013]一种变厚框架式无砟轨道板，所述轨道板包括底板、凸台、承轨台组成，所述底板为长方体，在底板的一个面上，沿长方体长度方向的轴线对称设有一对凸台，沿凸台上表面的长度方向均布有承轨台。
[0014]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，所述底板上设有通孔，所述通孔处于对称设置在底板上的一对凸台之间，形成在一对凸台之间通过横向加筋混凝土结构连接的框架结构。
[0015]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，所述底板上设置的通孔形状为矩形、圆形、正多边形中的至少一种。
[0016]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，所述底板高度与凸台高度之比为0.8-1.5:1 ；优选0.9-1.4:1 ;更优是1-1.3:1 ;最优是1.1:1 ;所述底板、凸台、承轨台高度之和与现有实体轨道板相同。
[0017]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，在底板、凸台中布设有玻璃纤维增强筋，玻璃纤维增强筋的布设位置、数量根据轨道板设计的性能参数要求以及相应构造原则确定；所述玻璃纤维增强筋的直径为6-10mm,优选，7_9mm ;更优是7.5-8.5mm ;最优是8mm,抗拉强度大于等于600MPa。
[0018]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，在底板中预埋有起吊套管。
[0019]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，在承轨台上预埋有垂直于凸台上表面的绝缘套管。
[0020]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，所述底板、凸台、承轨台一体浇铸成型，浇铸材料选用超高性能混凝土 UHPC，所述超高性能混凝土 UHPC的抗压强度大于等于120MPa。
[0021]本发明一种变厚框架式无砟轨道板，所述超高性能混凝土 UHPC包括下述组分组成:水泥、石英砂、石英粉、硅灰、水泥、减水剂、钢纤维；其中，水泥、石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效减水剂按下述质量比配制:
[0022]水泥:硅灰:石英粉:石英砂:减水剂=
[0023]I: (0.2-0.3): (0.25-0.35): (0.8-1.2): (2-3)；
[0024]且水胶比控制在0.2-0.22 ;减水剂的减水率为23-27% ；
[0025]钢纤维的体积掺量占超高性能混凝土 UHPC体积的1.5-2.5%。
[0026]本发明一种变厚框架式无砟轨道板的制备方法，包括以下步骤:
[0027]步骤一、按设计的无砟轨道板形状、结构尺寸制作模板，将模板拼装好并固定；
[0028]步骤二、根据轨道板设计的性能参数要求以及相应的构造原则确定玻璃纤维增强筋数量、位置，并固定玻璃纤维增强筋；
[0029]步骤三、采用高速搅拌机，按设计要求搅拌制备超高性能混凝土 UHPC，搅拌后的超高性能混凝土 UHPC抗压强度控制在至少为120MPa，浇铸入模具中；
[0030]步骤四、混凝土初凝后拆除模板并进行蒸汽养护48h ;对混凝土表面进行打磨处理以保证混凝土表面光滑；得到变厚框架式无砟轨道板。
[0031]本发明由于采用上述结构，制备的变厚框架式无砟轨道板，总厚度与现有轨道板同厚度，可以实现与现有无砟轨道衔接；在无砟轨道板受力满足规范要求的前提下，采用凸台的形式，形成变厚度，以减轻结构自重；底板采用框架式结构，一方面由于框架板与空气的接触面积较大，与空气有良好的热交换，使框架板的温度梯度比普通实体板的小，从而可以有效降低温度梯度作用引起的翘曲变形和翘曲应力，且由于中间部分挖空，形成的自由边可在一定程度上释放温度翘曲应力；另一方面，框架结构形成了在一对凸台之间通过横向加筋混凝土结构连接的结构，当温度变化产生的温度应力、列车横向摇摆力或不均匀沉降引起的两侧凸台不均匀变形时，具有一定竖向刚度的横向加筋混凝土结构可以协调两侧的不均匀变形，增强结构的横向稳定性，提高行车的安全性。
[0032]本发明与现有技术相比有以下优点:
[0033]1、本发明提出的变厚框架式无砟轨道板能有效减少温度应力弓丨起的轨道板翘曲，相比实体型轨道板，框架结构由于中间部分掏空了，使其对周边温度作用引起的变形约束很小，减小了四角的翘曲变形，可使四角最大翘曲变形由0.40mm降至0.24mm，使轨道板受力更均匀，从而降低了对砂浆的拉压应力以及减小轨道板与砂浆层的离缝的产生，延长了砂浆的使用寿命，增强行车安全性和舒适性；
[0034]2、本发明提出的变厚框架无砟轨道板可有效解决目前实体型轨道板普遍存在的开裂现象:由于框架型的截面削弱后使轨枕下结构的边界约束减小，且框架型结构与外界热交换快减小了温度梯度，由温度梯度产生的拉应力比实体无砟轨道板的温度引起的拉应力要小20%左右，因此，变厚框架无砟轨道板可解决由温度引起的受拉开裂现象；另，超高性能混凝土的抗压强度可达120MPa，抗拉强度达到12MPa，即使考虑疲劳对混凝土强度的折减，折减后的强度也远大于由车轮作用产生的轨道板拉压应力，因此，变厚框架无砟轨道板能提高轨道板在复杂运行环境中的稳定性和耐久性，延长轨道板使用寿命，减少维修养护工作量甚至免维修，具有较高的技术经济性；
[0035]根据铁路轨道设计规范(TB10082，2005)和客运专线无砟轨道设计指南(铁建设函(2005)754号))的规定，温度梯度取10°C。通过有限元方法计算，得到实体无砟轨道板的最大拉应力为2.25MPa，变厚框架式无砟轨道板为1.76MPa，比普通混凝土实体板的温度引起的拉应力小20%左右。
[0036]3、本发明提出的变厚框架轨道板可减小实体型轨道板轨道板的重量约40%，方便制作运输，使轨道板轻型化，实现资源节约；
[0037]4、配置适量玻璃纤维增强筋GFRP的变厚框架型轨道板既可改善轨道板的受力，又可消除轨道板内因钢筋所形成的闭合回路，能改善谐振式轨道电路在无砟轨道结构条件下的传输特性，提高轨道电路使用长度，从而有效解决目前高速铁路中无砟轨道与谐振式轨道电路之间的协调性问题；
[0038]变厚框架型轨道板的电路传输特性与有砟轨道的类似，由于GFRP为玻璃纤维，不存在电磁感应作用，不会因为实体轨道板中钢筋电感作用增大钢轨的电阻、减小钢轨的电感。采用开路短路的直流轨道电路参数测量法:将轨道电路一端接上电源，另一端断开(短路)，在电源端测出轨道的开路电压和开路电流；然后再将该端短路，在电源端测得短路电压和短路电流，计算出钢轨电阻和钢轨电感，实体板无渣轨道钢轨电阻为5.0 Ω/km、钢轨电感为1.0mH/km ;变厚框架型轨道板钢轨电阻为1.5 Ω/km、钢轨电感为1.3mH/km,由此可知:本发明变厚框架型轨道板能改善谐振式轨道电路在无砟轨道结构条件下的传输特性，增大传输距离。[0039]5、本发明变厚框架轨道板的总长、宽、高以及钢轨间距均与现有CRTS-1型轨道板的尺寸相同，可直接与目前高速铁路无砟轨道板有效衔接，可直接用于普通混凝土 CRTS-1型无砟轨道板的维修更换。
[0040]综上所述，本发明结构受力合理，重量轻，结构强度高，能有效改善轨枕结构体系受力状况、延长结构使用寿命、以及优化了轨道电路参数，改善谐振式轨道电路传输特性，可直接与目前高速铁路CRTS-1无砟轨道板有效衔接，适于工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]附图1为本发明主视图。
[0042]附图2为附图1的B-B剖视图。
[0043]附图3为附图1的C-C剖视图。
[0044]附图4为附图1的D-D剖视图。
[0045]附图5为附图1的F-F剖视图。
[0046]图中:6-底板、4-凸台、8-承轨台。
【具体实施方式】
[0047]实施例1
[0048]参见附图1、2、3、4、5，本发明一种变厚框架式无砟轨道板，所述轨道板包括底板
6、凸台4、承轨台8组成，所述底板6为长方体，在底板6的一个面上，沿长方体长度方向的轴线5对称设有一对凸台4，沿凸台4上表面的长度方向均布有承轨台8 ;所述底板6上设有通孔9，所述通孔9处于对称设置在底板6上的一对凸台4之间，形成在一对凸台4之间通过横向加筋混凝土 10连接的框架结构；所述底板6上设置的通孔9形状为矩形；所述底板6高度与凸台4高度之比为10:9 ;所述底板、凸台、承轨台高度之和与现有实体轨道板相同；在底板6、凸台4中布设有玻璃纤维增强筋7，玻璃纤维增强筋7的布设位置、数量根据轨道板设计的性能参数要求以及构造原则确定；所述玻璃纤维增强筋的直径为8mm，抗拉强度为大于等于600MPa ；
[0049]本实施例中，在底板6中预埋有起吊套管I。
[0050]本实施例中，在承轨台8上预埋有垂直于凸台4上表面的绝缘套管3。
[0051]本实施例中，所述底板6、凸台4、承轨台8 一体浇铸成型，浇铸材料选用超高性能混凝土 UHPC，UHPC的抗压强度为130MPa。
[0052]所述超高性能混凝土 UHPC包括下述组分组成:水泥、石英砂、石英粉、硅灰、水泥、减水剂、钢纤维；其中，水泥、石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效减水剂按下述质量比配制:
[0053]水泥:硅灰:石英粉:石英砂:减水剂=
[0054]I: 0.25: 0.3: 1.1: 2.5%,
[0055]其中水胶比为0.21，减水剂的减水率为25% ；
[0056]钢纤维的体积掺量占超高性能混凝土 UHPC体积的2%。
[0057]本实施例变厚框架式无砟轨道板的制备方法，包括以下步骤:
[0058]步骤一、按设计的无砟轨道板形状、结构尺寸制作模板，将模板拼装好并固定；
[0059]步骤二、根据轨道板设计的性能参数要求以及混凝土布筋原则确定玻璃纤维增强筋数量、位置，并固定玻璃纤维增强筋；
[0060]步骤三、采用高速搅拌机，按设计要求搅拌制备超高性能混凝土 UHPC，搅拌后的超高性能混凝土 UHPC强度控制在为130MPa，浇铸入模具中；
[0061]步骤四、混凝土初凝后拆除模板并进行蒸汽养护；对混凝土表面进行打磨处理以保证混凝土表面光滑；得到变厚框架式无砟轨道板。
[0062]本发明实施例制备的变厚框架式无砟轨道板与现有实体型轨道板在相同温度变化环境条件下(温度梯度10°c)，实测四角最大翘曲变形为:变厚框架式无砟轨道板
0.24mm ;实体型轨道板0.40mm。
[0063]根据铁路轨道设计规范(TB10082，2005)和客运专线无砟轨道设计指南(铁建设函(2005)754号))的规定，取温度梯度为10°C ;采用有限元方法计算，得到实体无砟轨道板的最大拉应力为2.25MPa，变厚框架式无砟轨道板为1.76MPa，比普通混凝土实体板的温度引起的拉应力小20%左右。
[0064]采用开路短路的直流轨道电路参数测量法:将轨道电路一端接上电源，另一端断开(短路)，在电源端测出轨道的开路电压和开路电流；然后再将该端短路，在电源端测得短路电压和短路电流，计算出钢轨电阻和钢轨电感，现有实体板无渣轨道钢轨电阻为5.0Ω/km、钢轨电感为1.0mH/km ;变厚框架型轨道板钢轨电阻为1.5 Ω/km、钢轨电感为1.3mH/km。说明本发明变厚框架型轨道板能改善谐振式轨道电路在无砟轨道结构条件下的传输特性，增大传输距离
[0065]采用8个液压伺服千斤顶(说明:每排4个，与实际列车车轮一致)模拟列车车轮荷载，轮载按规范(铁路轨道设计规范(TB10082，2005)和客运专线无砟轨道设计指南(铁建设函(2005)754号))取值为300kN ;在轨道板混凝土顶底表面以及内部粘贴应变传感器，实测在模拟荷载作用下轨道板内的应变，按式:应力=应变X弹性模量计算轨道板承受的应力，数据见表1。
[0066]表1轨道板在模拟列车荷载作用下最大应力
[0067]
【权利要求】
1.一种变厚框架式无砟轨道板，所述轨道板包括底板、凸台、承轨台组成，其特征在于:所述底板为长方体，在底板的一个面上，沿长方体长度方向的轴线对称设有一对凸台，沿凸台上表面的长度方向均布有承轨台。
2.根据权利要求1所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:所述底板上设有通孔，所述通孔处于对称设置在底板上的一对凸台之间，形成在一对凸台之间通过横向加筋混凝土结构连接的框架结构。
3.根据权利要求2所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:所述底板上设置的通孔形状为矩形、圆形、正多边形中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:所述底板高度与凸台高度之比为0.8-1.5:1 ;所述底板、凸台、承轨台高度之和与现有实体轨道板相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:在底板、凸台、横向连接布设有玻璃纤维增强筋GFRP，玻璃纤维增强筋GFRP的布设位置、数量根据轨道板设计的性能参数要求以及相应构造原则确定；所述玻璃纤维增强筋的直径为6-10_，抗拉强度大于等于600MPa。
6.根据权利要求1或2所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:在底板中预埋有起吊套管。
7.根据权利要求1或2所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:在承轨台上预埋有垂直于凸台上表面的绝缘套管。
8.根据权利要求1或2所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:所述底板、凸台、承轨台一体浇铸成型，浇铸材料选用超高性能混凝土 UHPC，所述超高性能混凝土 UHPC的抗压强度大于等于120MPa。
9.根据权利要求8所述的一种变厚框架式无砟轨道板，其特征在于:所述超高性能混凝土 UHPC包括下述组分组成:水泥、石英砂、石英粉、硅灰、水泥、减水剂、钢纤维；其中，水泥、石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效减水剂按下述质量比配制: 水泥:硅灰:石英粉:石英砂:减水剂=1: (0.2-0.3): (0.25-0.35):(0.8-1.2): (2-3);且水胶比控制在0.2-0.22 ;减水剂的减水率为23-27% ； 钢纤维的体积掺量占超高性能混凝土 UHPC体积的1.5-2.5%。
【文档编号】E01B1/00GK103790078SQ201410039509
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】杨剑, 汪金胜, 彭鑫, 宋旭明 申请人:中南大学