董浩博

摘要：从我国高速铁路的建设现状来看，我国正面着日益增长的高速铁路客运专线的需求，同时我国高速铁路无砟轨道的铺设数量少，铺设时间也比较短暂，并且是在还没有具备完备系统的理论研究的情况下展开的。为此，在本文中，笔者结合了对国内外无砟轨道结构的研究基础，并结合我国实际，进一步分析了我国高速铁路无砟轨道结构的设计理论分析，旨在为我国建立一个独立自主的无砟轨道设计理论体系提供可供参考的意见，进一步推动我国的高速铁路建设。从而实现我国经济社会的进步。

关键词：高速铁路 无砟轨道 设计理论

高速铁路是一种以现代全新技术装备的新型现代铁路，这种铁路具有极高的运行速度，同时具备高可靠性、高度自动化、高安全性、全封闭等特点，越来越受到世界各国的重视。如今，世界各国都致力于对高度铁路建设的研究中，高速铁路也成为世界铁路发展的最终趋势。当前我国已经具备了较为成熟的高速铁路网络，为我国的交通运输做出了极大贡献。高速铁路建设不仅涉及面大，并且有着较大的难度，而铁道工程作为铁路基础设施，在高速铁路建设中的地位极其重要。从某种程度而言，高速铁路的总造价在很大程度上是由铁路基础设施的建设费用所决定的。因此，在建设高速铁路时，必须对轨道结构形式进行综合考量，确保轨道结构的合适性和经济性。

一、我国无砟轨道概述

（一）我国无砟轨道结构的研究和应用

我国无砟轨道的起步较早，早在上世纪三十年代的东北地区，就已经应用了整体道床的铺设。之后，随着我国铁路运量的日益增长，为了降低线路维修工作的压力，使轨道各部件的使用寿命得到增加，在1957年与1958年唐山铁道学院与铁道部科學研究院先后开始研究新型轨下基础。各铁路部门都展开了相应的研究和试铺工作，为铁路新型轨下基础的发展奠定了良好的基础。在唐山车站的土质路基上，北京铁路局曾铺设了一些埋入纵向枕轨式整体道床，其后又有多个省份的铁路局先后在一些车站是铺了整体道床。然而，因为当时在试铺前没有科学处理土质路基基底，致使试铺效果不佳，大多数试铺的轨道现已不存在。自1973年之后，我国的无砟轨道则步入了迅猛发展时期。从我国无砟轨道的研究进程来看，前期，我国主要致力于对无砟轨道隧道内和小跨度桥梁的研究，现今对土质路基上无砟轨道的研究已经步入了实践阶段，从实践中来看，我国无砟轨道实验段已经完全符合设计要求，能够极大地推动我国高速铁路无砟轨道结构的设计。但和部分发达国家相比，我国无砟轨道结构的诸多方面还存在诸多不足。为此，要想让我国真正建成世界超一流的高速铁路，就应该对我国无砟轨道的研究结果进行充分利用，并结合我国国情，设计出更符合我国现状的高速铁路无砟轨道结构。

（二）我国无砟轨道结构设计理论的研究概况

和发达国家相比而言，我国无砟轨道结构不论是设计，还是应用都比较晚。从我国无砟轨道的发展进程来看，其设计理论除了结合我国的实际情况之外，还对国外一些无砟轨道的技术和经验进行了借鉴。在设计方法上，对列车荷载的作用进行了充分考虑，在容许应力法的基础上设计了结构强度，并且结合工程经验或最小配筋率加强了整体道床结构的筋配。在选取参数上，轮载动力系数与水平荷载的确定则建立在无砟轨道的动力测试情况上，在通常情况下，会将动力系数设置成2，如果列出运行速度较高或运载量较大时，就会选择3的动力系数，遇到特殊情况则进行特殊设计。同时，因为在运营过程中，无砟轨道一旦出现损坏就非常难修复，所以在考虑安全性后，会选用2-3倍的动载系数。在计算理论上，我国无砟轨道主要选用的理论则是弹性地基叠合梁理论、弹性地基上的梁-板理论以及实体有限元计算理论。我国无砟轨道结构的设计深受弹性地基叠合梁理论的影响，并将其应用于实际操作中，获得了不错的效果。

二、无砟轨道结构设计方法的选择

不管无砟轨道属于什么类型，其都需要由钢轨、扣件和不同弹性性能的多重支承板组成，其中多重支承板的设计技术是无砟轨道结构设计中的核心技术，这一部分涵盖了道床板、隔离、底座与联结结构等，功能和有砟轨道的轨枕和道床相类似，都可以支承和传递荷载。

（一）钢筋混凝土受弯构件的应力阶段

钢筋混凝土受弯构件为无砟轨道上部的主要受力结构，当荷载逐渐上升，并且最后破坏试件时，钢筋混凝土受弯构件中的应力状态会同时发生数量和质方面的变化，通常可以分成下列阶段：

第一阶段为混凝土开裂前大致弹性工作的阶段。在这一阶段，荷载的弯矩依旧较小，混凝土中的最大拉应力不高于混凝土抗拉极限强度，混凝土还没有发生开裂状况，所有截面都处于工作状态，混凝土的应变和应力呈现大致比例。在这一阶段，不论是钢筋，还是混凝土都处于弹性工作的状态。

第二阶段则是混凝土开裂的临界状态。在这一阶段，混凝土受拉区的塑形已经比较明显，其下缘应变和极限应变值非常接近，混凝土受拉区大部分的应力和混凝土的抗拉极限强度非常接近，受拉区应力图已经几乎呈现为矩形，但受压区混凝土尚处于弹性工作状态。

第三阶段也就是最后的破坏阶段。此时持续增加的荷载，会使受拉区钢筋的应力也随之增加。如果配筋适当，一旦钢筋应力达到屈服强度时，就会致使其应变的迅速上升，裂缝迅猛开展并且呈现向上延伸的状态，受压区减小，混凝土的压应变上升，一旦混凝土达到极限压应变，混凝土就会被压碎，即破坏了梁。

（二）无砟轨道结构设计方法的选择

当前，在无砟轨道结构设计中比较常用的方法有以下三种：

第一种，容许应力法。这种计算方法的依据是第二应力阶段，并且使用材料力学公式，能够计算在各使用荷载下构件中各点的应力值，同时，任意一点的应力都应该小于等于材料的容许应力。

第二种，破坏阶段法。和容许应力法不同，这种计算方法的依据则为第三应力阶段，这种方法是参照试验资料，并结合破坏前的实际应力状态，进行一定的简化，并确定计算应力图形，进而计算出弯矩。破坏阶段法的显著优势就是能够比较直观、明确地展现破坏阶段法中安全系数的含义，即当荷载算出的计算弯矩达到k倍时弯矩就会遭到破坏。

第三种，极限状态法。这种方法的计算依据和破坏阶段法相同，都是第三应力阶段。指的是当一结构或构件达到某种特定状态，无法再满足对该构件的功能要求时，就称这种状态为该功能的极限状态。极限状态法又可以分成两种类别，即承载能力极限状态以及正常使用极限状态。前者指的是结构或构件已经处于最大承载量，或处于继续承载的变形状态。后者则指结构或构件处于正常使用的某种规定限制状态。当考虑结构可靠性时，极限状态法通常会选取多系数的方法，找出每一种会对结构可靠度造成影响的因素，进而规定一种专门的系数来处理其变异性。在结构设计中，最重要以及最复杂的变量无疑是荷载。在极限状态法中，则对恒载和使用荷载的各种荷载都进行了规定，对其荷载标准值和荷载分享安全系数值进行了划分，将荷载设计值定位二者的乘积。当结构需要同时承受多种荷载时，因为不同荷载都出现最大值的可能性非常低，所以，必须制定一些组合系数或规定某种计算方法。一般来说，在各种方案中都会设想最不利的情况来完成设计。

在高速铁路的无砟轨道结构设计中，安全和经济是相互矛盾的一对概念，结构设计中的一大重要问题就是如何正确处理安全和经济的矛盾。容许应力法和破坏阶段法可以用安全系数来提高结构的安全性，从而确保结构的可靠。在制定安全系数K时，需要借助结构设计师的实际经验。极限状态法的应用，则需要建立在可靠度和数理统计的基础上，尽管安全度和可靠度这两种概念极其相似，但依旧存在一定区别。可靠指的是结构本身，安全则是指和结构相关的生命与财产。考虑到高速铁路无砟轨道需要反复承受荷载，所以考虑其承受荷载的疲劳问题是最为关键的。出于这一考虑，应用容许应力法来设计高速铁路无砟轨道结构是最为合适的。

三、总结

研究高速铁路无砟轨道结构，符合我国的铁路客运需求，因此，相关人员，必须对其进行深入研究，找到最适合的无砟轨道结构设计理论，以推动我国高速铁路建设的发展。