短單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的性能分析

梁 敏 上海鐵路局建設(shè)處

雙塊式無砟軌道是目前國內(nèi)外較成熟的一種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，其軌道結(jié)構(gòu)從上到下依次為鋼軌、道床板、支撐層（底座板），由于該軌道結(jié)構(gòu)相比其他軌道結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性等方面有較好表現(xiàn)，現(xiàn)特提出一種短單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析，為軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

隨著我國高速鐵路的高速發(fā)展，多種類型的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式也被廣泛地應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)工程中。雙塊式無砟軌道正是除了CRTS I 型板式和CRTS II 型板式無砟軌道之外的重要結(jié)構(gòu)形式之一，也是最為經(jīng)典的結(jié)構(gòu)形式。雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)配有成套施工設(shè)備，也可以采用人工配合小型機(jī)具自上而下的施工方法，和板式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式相比，雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式具有適用范圍廣、單位造價(jià)低、施工工藝簡單、軌道精度容易保證等顯著優(yōu)點(diǎn)。

雙塊式無砟軌道在預(yù)制廠內(nèi)預(yù)制的是雙塊式軌枕，其特點(diǎn)是：軌枕通過鋼筋桁架將混凝土塊連接在一起。現(xiàn)場利用軌排或螺桿調(diào)節(jié)器等作為輔助工具將雙塊式軌枕調(diào)整到符合要求的平面位置，最后澆筑混凝土將軌枕連成整體即完成雙塊式軌枕的施工。

通過這種工藝完成無砟軌道結(jié)構(gòu)的施工過程后，將使整個(gè)施工區(qū)間內(nèi)的線路結(jié)構(gòu)形成一整段完整的無砟軌道，少則幾公里，多則數(shù)十公里。因此我們也不難發(fā)現(xiàn)這種形式存在以下的缺點(diǎn)，一是現(xiàn)澆軌道板太長，裂縫控制難度大；二是工具軌的精度及鋼軌與扣件組裝精度對(duì)軌道最終精度影響較大；三是后期維修較為困難。因此，在這里我們引進(jìn)短單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的概念。

1 短單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

所謂短單元雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，顧名思義，就是將一個(gè)區(qū)間內(nèi)通長的雙塊式無砟軌道軌道板在施工過程中人為地分成若干或數(shù)十米，或上百米的短單元結(jié)構(gòu)，中間采用類似于CRT I 型板式無砟軌道的凸臺(tái)貫穿連接，軌道板中間部分沒有凸臺(tái)，軌道板與支撐層間鋪設(shè)土工布，其接觸方式為摩擦接觸。該類型軌道結(jié)構(gòu)，層間沿線路方向作用力由摩擦力和凸臺(tái)共同承擔(dān)，層間橫向相互作用力主要由凸臺(tái)承擔(dān)。以下簡稱“摩擦式短板軌道”。

其力學(xué)平面模型如圖1 所示。

圖1 摩擦式短板軌道力學(xué)模型

2 力學(xué)模型

結(jié)合短軌道板力學(xué)模型，建立有限元模型，并對(duì)不同的荷載工況對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力和變形進(jìn)行分析。有限元模型如圖2 所示。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)整體圖示

3 不同荷載下的應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 垂向荷載

取機(jī)車軸重為17 t，考慮2.5 的動(dòng)載系數(shù)，軌道結(jié)構(gòu)受到的等效荷載為425 000 N，加載位置在軌道板中間軌枕處。垂向荷載作用下兩種形式軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況如圖3、圖4所示。

圖3 垂向荷載下應(yīng)力分布圖

圖4 垂向荷載下變形圖

板上荷載位置周圍小范圍內(nèi)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其值不超過1.4 MPa，其他部位應(yīng)力較小，幾乎趨于0，從受力情況看，軌道板受力范圍較小，且應(yīng)力擴(kuò)散較均勻。對(duì)于軌道板底層，應(yīng)力擴(kuò)散效果較差，與支撐臺(tái)端部相接處表現(xiàn)為較集中的壓應(yīng)力，最大值可達(dá)到4.45 MPa，荷載作用正下方出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，其值為1.05 MPa。由圖4 可知，摩擦工況下軌道結(jié)構(gòu)垂向最大位移為0.36 mm。進(jìn)一步從圖4 中可以看到，摩擦工況二者相對(duì)位移為0.003 mm。整體來看在列車垂向荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)均滿足應(yīng)力應(yīng)變要求。

3.2 縱向荷載

機(jī)車軸重取為17 t。考慮0.1 的制動(dòng)或啟動(dòng)力系數(shù)，軌道結(jié)構(gòu)受到的等效荷載為17 000 N，加載位置在試驗(yàn)軌道板右端中部。沿線路方向縱向荷載作用下兩種形式軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況如圖5、圖6 所示。

圖5 縱向荷載下應(yīng)力分布圖

圖6 縱向荷載下變形圖

軌道板受縱向荷載時(shí)，板上表面中間部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其他部位均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且拉壓應(yīng)力值均小于0.1 MPa。由于摩擦作用支撐臺(tái)上側(cè)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，同樣與施壓一側(cè)支撐臺(tái)根部相接的軌道板部位也表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其值約為0.028 MPa，而板中間由于受到支撐臺(tái)的阻擋作用表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其壓力峰值出現(xiàn)在與施壓相反一側(cè)支撐臺(tái)根部相接的軌道板處，其值約為0.054 MPa。從圖6 可以看到，軌道板和支撐層相對(duì)位移為0.0048 mm。從應(yīng)力應(yīng)變情況看，該軌道結(jié)構(gòu)均正常工作。

3.3 左端橫向荷載

列車作用于軌道結(jié)構(gòu)的橫向等效荷載取為595 000 N，加載位置在軌道板左端，左端橫向荷載作用下兩種形式軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況如圖7、圖8 所示。

圖7 左端橫向荷載下應(yīng)力分布圖

圖8 左端橫向荷載下變形圖

橫向荷載作用時(shí)，荷載作用處出現(xiàn)0.63 MPa 壓應(yīng)力，除軌道板自身作用釋放掉一部分荷載外，還有一部分要通過摩擦作用到支撐臺(tái)上，同時(shí)，使得荷載作用邊側(cè)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，其值可達(dá)0.175 MPa。由圖8 可以看出，軌道板和支撐層之間有明顯的相對(duì)位移，其值為0.0032 mm?？梢?，這種軌道結(jié)構(gòu)能正常工作。

4 結(jié)論

(1)短單元雙塊式無砟軌道由于道床板和支撐層之間鋪設(shè)了一層土工布，兩者可以做相對(duì)滑動(dòng)，故在不同荷載作用下，軌道應(yīng)力分布較為均勻，且應(yīng)力值均較小。

(2)在不同荷載作用下，單元軌道板應(yīng)變均較小，在應(yīng)變條件許可的條件下，軌道長度可適當(dāng)增長。

(3)整體來看，短單元雙塊式軌道結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下能夠正常工作，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足正常運(yùn)行條件。