土質(zhì)路基雙塊式無(wú)砟軌道參數(shù)影響分析

莊 鵬

雙塊式無(wú)砟軌道是將預(yù)制好的雙塊式軌枕,在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)澆筑混凝土將軌枕埋入到混凝土道床中,使軌枕與混凝土道床板成為一個(gè)整體的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式,高度整體性是雙塊式無(wú)砟軌道區(qū)別于其他無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)最顯著的特點(diǎn)。雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)也進(jìn)行了較多的實(shí)際鋪設(shè)。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

路基上雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)主要由鋼軌、彈性扣件、帶有桁架鋼筋的雙塊式軌枕、混凝土道床板及水硬性混凝土支承層組成。

鋼軌選用60 kg/m鋼軌;扣件間距0.65 m,扣件節(jié)點(diǎn)剛度50 kN/mm;軌道板寬度 2.8 m,厚度為 0.24 mm,采用C40混凝土,彈性模量3.40×104MPa;水硬性混凝土支承層(底座板)寬度為3.4 m,厚度為0.3 m,彈性模量15 000 MPa;計(jì)算模型選用彈性地基上的梁—板有限元模型(見(jiàn)圖1);鋼軌采用彈性點(diǎn)支承梁模型來(lái)模擬;扣件用彈簧單元來(lái)模擬;軌道板與支承層在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸,采用板殼單元來(lái)模擬;鋼軌和道床板間由彈簧單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接,軌道板是澆筑在支承層上的,支撐塊上的荷載通過(guò)軌道板傳遞給水硬性支承層,軌道板與支承層之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)自由度耦合來(lái)處理。動(dòng)輪載參照《客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》,取300 kN。為忽略邊界對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響,計(jì)算模型取30 m軌道結(jié)構(gòu),以板中為研究對(duì)象。

2 雙塊式無(wú)砟軌道參數(shù)影響分析

2.1 扣件剛度

保持軌道結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)不變,只改變扣件剛度的數(shù)值,扣件剛度分別取30 kN/mm,50 kN/mm,70 kN/mm,90 kN/mm計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

如表1所示,軌道板和支承層彎矩隨扣件剛度的增大逐漸增大?？奂偠仍?0 kN/mm～90 k N/mm時(shí),軌道板和支承層的彎矩增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩?？奂偠仍龃?其抵抗鋼軌彎曲的能力增強(qiáng),荷載的分布范圍相對(duì)較小,在保持扣件間距不變的情況下,枕上壓力隨之增大,作用在板上的荷載更為集中,引起軌道板的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)增大。

表1 扣件剛度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

2.2 軌道板厚度

保持軌道結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)不變,只改變軌道板厚度的數(shù)值,軌道板厚度分別取0.20 m,0.22 m,0.24 m,0.26 m,0.28 m計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

如表2所示,軌道板的縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸增大,支承層縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸減小,軌道板厚度增加其抗彎剛度增大,承受的彎矩增大。

表2 軌道板厚度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

2.3 支承層彈性模量

為分析支承層彈性模量變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,保持軌道結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)不變,只改變支承層彈性模量的數(shù)值,支承層彈性模量分別取5 000 MPa,10 000 MPa,15 000 MPa,20 000 MPa,25 000 MPa計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

表3 支承層彈性模量變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

如表3所示,軌道板縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸增大。支承層彈性模量的增大相當(dāng)于增強(qiáng)軌道的支承作用,可以減小軌道板的彎矩。

2.4 支承層厚度

保持軌道結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)不變,只改變支承層厚度的數(shù)值,支承層厚度分別取0.2 m,0.25 m,0.3 m,0.35 m,0.4 m計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

如表4所示,軌道板的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸增大。增大支承層彈性模量,可以減小軌道板彎矩值。

表4 支承層彈性厚度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

2.5 地基彈性系數(shù)

為分析地基系數(shù)變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,保持軌道結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)不變,只改變地基系數(shù)的數(shù)值,地基系數(shù)分別取50 MPa/m,76 MPa/m,100 MPa/m,500 MPa/m,1 000 MPa/m計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

結(jié)果表明,軌道板和支承層的縱、橫向彎矩隨地基系數(shù)的增大逐漸減小。地基系數(shù)在50 MPa/m～76 MPa/m時(shí),軌道板和支承層彎矩變化幅度較大。地基系數(shù)在100 MPa/m～500 MPa/m時(shí),軌道板和支承層的彎矩變化幅度較小。由此可見(jiàn),隧道地段由于基礎(chǔ)剛度較土質(zhì)路基大,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)整體而言是有利的。

3 結(jié)語(yǔ)

1)軌道板和支承層的橫向負(fù)彎矩為0,且不受主要參數(shù)變化的影響。2)軌道板和支承層縱、橫向彎矩隨扣件剛度的增大逐漸增大,扣件剛度在70 k N/mm～90 kN/mm時(shí),軌道板和支承層的彎矩增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。3)軌道板的縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸增大,支承層的縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸減小。4)軌道板縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸增大。5)軌道板的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸增大。6)軌道板和支承層的縱向正、負(fù)彎矩隨地基系數(shù)的增大逐漸減小。地基系數(shù)在50 MPa/m～76 MPa/m時(shí),軌道板和支承層彎矩變化幅度較大。

[1]何華武.無(wú)砟軌道技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[2]趙國(guó)堂.高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006.

[3]鐵建設(shè)函[2005]754號(hào),客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[S].