道砟膠用于高速鐵路有砟—無砟過渡段的應(yīng)用研究

鄭 建

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司蘇北鐵路工程建設(shè)指揮部，江蘇 徐州 221000)

軌道設(shè)置過渡段的目的主要有兩個(gè)[2,3]：軌道剛度平緩過渡，減緩剛度突變對(duì)行車的影響；穩(wěn)定過渡段范圍內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)，減緩沉降差對(duì)行車的影響。對(duì)于有砟—無砟軌道過渡段來說，還有其自身特殊的地方，就是有砟—無砟接合部的有砟道床無法進(jìn)行大機(jī)作業(yè)，當(dāng)接合部道砟因沉降造成軌道病害時(shí)，維修困難，進(jìn)而成為列車運(yùn)行的一個(gè)安全隱患。利用道砟膠對(duì)過渡段范圍內(nèi)有砟道床進(jìn)行分級(jí)固化處理，可有效解決因道砟沉降產(chǎn)生的軌道病害、減少有砟—無砟道床剛度的差異并持久保持有砟道床良好的工作性能，是一種比較理想的有砟—無砟過渡段的處理方式。

目前，國內(nèi)已在鄭西、哈大、山西中南部通道、大西等線的有砟—無砟過渡段上進(jìn)行了道砟膠的應(yīng)用，國外類似材料在英國、德國等已經(jīng)應(yīng)用較多[4]，但國內(nèi)對(duì)道砟膠應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中的理論研究較少。TJ/GW 116—2013聚氯酯道砟膠暫行技術(shù)條件[7]僅給出了采用道砟膠后道床剛度應(yīng)達(dá)到的要求，對(duì)扣件剛度的選取沒有提及。本文基于彈性地基梁理論[5]和軌道變形分配法[6]，提出以使過渡段范圍內(nèi)軌道整體剛度、軌道各部件位移分?jǐn)偲骄忂^渡為原則，確定道砟膠應(yīng)用于高速鐵路有砟—無砟過渡段的過渡方案，并利用雙塊式—有砟軌道三維有限元模型，分析了輔助軌對(duì)軌道剛度和過渡方案的影響；研究結(jié)果可為道砟膠應(yīng)用于高速有砟—無砟過渡段提供理論參考。

1 彈性地基梁理論

將鋼軌視為連續(xù)彈性支承上的梁，根據(jù)文克爾假定，推導(dǎo)出軌道剛度Kt的計(jì)算公式如下[1,5]：

(1)

(2)

(3)

其中，E為鋼軌的彈性模量，取為2.1×105N/mm2；I為鋼軌對(duì)水平軸的慣性矩，取為3.217×107mm4；Db為枕下基礎(chǔ)等效剛度，取道床支承剛度，kN/mm；Dp為扣件剛度，kN/mm；a為軌枕間距，單位：mm。

2 有砟—無砟過渡方案

計(jì)算分析時(shí)，作如下假設(shè)：

1)鋼軌位移完全由扣件、道床分?jǐn)?，不考慮下部基礎(chǔ)的位移變形；

2)無砟道床的支承剛度視為無窮大，即不考慮其對(duì)鋼軌位移的分?jǐn)偅?/p>

3)扣件和道床分?jǐn)偟奈灰婆c其剛度成反比；

4)不考慮輔助軌的影響。

過渡段分級(jí)過渡需滿足兩個(gè)條件：軌道剛度平緩過渡，即每級(jí)軌道剛度的變化梯度一樣；軌道各部件位移分?jǐn)偲骄忂^渡，即每級(jí)道床與扣件位移比的變化梯度一樣，根據(jù)假設(shè)3)，亦即扣件剛度與道床剛度比的變化梯度一樣。參照扣件/道床剛度最優(yōu)比[10]，高速有砟側(cè)扣件與道床剛度比取0.5。

過渡段分三級(jí)過渡時(shí)的原理見圖1。計(jì)算時(shí)，無砟軌道扣件靜剛度取25 kN/mm，扣件間距取650 mm；有砟軌道扣件靜剛度取60 kN/mm，道床支承剛度取120 kN/mm，軌枕采用Ⅲ型枕，枕間距取600 mm[8]。

根據(jù)以上假設(shè)，利用式(1)計(jì)算得：無砟軌道的軌道剛度為70.4 kN/mm，有砟軌道的軌道剛度為106.4 kN/mm。

以每級(jí)道床與扣件位移比的變化梯度一樣(即扣件與道床剛度比的變化梯度一樣)作為條件，利用式(2)，式(3)求解出過渡段分三級(jí)過渡時(shí)的過渡方案，見表1。

由表1可知，采用道砟膠后，道床支承剛度提高后的分級(jí)過渡值分別為240 kN/mm,160 kN/mm和132.3 kN/mm，該值與文獻(xiàn)[7]對(duì)采用道砟膠后道床支承剛度的提高值基本相同，說明本文的計(jì)算方法可為道砟膠用于高速有砟—無砟過渡段提供理論指導(dǎo)。

表1 有砟—無砟過渡方案

3 模型的建立

建立雙塊式無砟軌道—有砟軌道過渡段三維有限元模型，將鋼軌簡化為歐拉梁；道床板采用實(shí)體單元模擬；扣件系統(tǒng)簡化為彈簧；軌枕簡化為歐拉梁，且不考慮軌枕的彎曲變形；有砟道床和采用道砟膠粘結(jié)后的結(jié)構(gòu)體采用均布彈簧模擬。此外，國內(nèi)在有砟—無砟軌道過渡段應(yīng)用道砟膠時(shí)采用了輔助軌[2,8]，故模型針對(duì)輔助軌對(duì)軌道剛度和過渡方案的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

模型中考慮輔助軌的作用時(shí)，參照鄭西客專的設(shè)計(jì)資料，過渡段分級(jí)長度為15 m+15 m+15 m，模型中的里程范圍是15.925 m～60.925 m，輔助軌長24.975 m，里程范圍是11.05 m～36.025 m，其中，無砟軌道段4.875 m，有砟軌道段20.1 m。模型總長為65 m，建立的有限元模型圖見圖2。

不考慮輔助軌時(shí)，經(jīng)有限元模型計(jì)算得：無砟軌道的軌道剛度為70.3 kN/mm，有砟軌道的軌道剛度為106.7 kN/mm，與理論解相比，誤差均小于0.3%，說明建立的有限元模型正確。

4 輔助軌的影響分析

4.1 輔助軌對(duì)軌道剛度的影響

采用輔助軌后，分別采用道砟膠處理過渡段和不采用道砟膠處理過渡段兩種工況，分析輔助軌對(duì)軌道剛度的影響如圖3所示。

由圖3可知，采用輔助軌后，軌道剛度有一定程度的提高；采用道砟膠以后，輔助軌對(duì)軌道剛度的提高作用減弱。不采用道砟膠處理過渡段，輔助軌對(duì)軌道剛度最大提高0.71 kN/mm，采用道砟膠處理過渡段，輔助軌對(duì)軌道剛度最大提高0.38 kN/mm，對(duì)軌道剛度的提高程度很小。

4.2 輔助軌對(duì)過渡方案的影響

利用2節(jié)的有砟—無砟過渡方案，分析輔助軌對(duì)過渡方案的影響；過渡方案分兩種情況：扣件+道砟膠過渡方案和扣件+道砟膠+輔助軌過渡方案。

求得兩種過渡方案的軌道剛度如圖4所示，輔助軌對(duì)軌道剛度的影響如圖5所示；兩種過渡方案的道床位移與扣件位移的比值如圖6所示，輔助軌對(duì)道床位移與扣件位移比值的影響如圖7所示。

由圖4，圖5可知，考慮輔助軌的影響時(shí)，輔助軌對(duì)軌道剛度的最大提升值為0.38 kN/mm，與該段軌道剛度87 kN/mm相比，最大提升幅度為0.4%。

由圖6，圖7可知，考慮輔助軌的影響時(shí)，兩種過渡方案道床位移/扣件位移的最大差值0.016，與該段道床位移與扣件位移的比值0.25相比，變化幅度為6.4%。

綜合來看，采用道砟膠后，軌道的強(qiáng)度和橫向穩(wěn)定性均得到了大幅提高[9]，輔助軌對(duì)軌道剛度和軌道各部件位移分配的影響均很小，做高速鐵路有砟—無砟過渡方案計(jì)算時(shí)，可忽略輔助軌的影響。

5 結(jié)語

基于彈性地基梁理論和軌道變形分配法，以使過渡段范圍內(nèi)軌道剛度、軌道各部件位移分?jǐn)偲骄忂^渡為原則，提出道砟膠應(yīng)用于高速鐵路有砟—無砟過渡段的過渡方案；利用建立的三維有限元模型分析了輔助軌對(duì)軌道剛度和過渡方案的影響，結(jié)論如下：

1)過渡段分三級(jí)過渡時(shí)，根據(jù)提出的原則確定過渡段方案為：扣件剛度+道床支承剛度取為25 kN/mm(無砟)，30 kN/mm+240 kN/mm，40 kN/mm+160 kN/mm，49.6 kN/mm+132.3 kN/mm，60 kN/mm+120 kN/mm(有砟)。

2)輔助軌對(duì)軌道剛度的調(diào)節(jié)作用很??；尤其是采用道砟膠使道床支承剛度提高之后，輔助軌對(duì)軌道剛度最大提高值由0.71 kN/mm減小到0.38 kN/mm，輔助軌對(duì)軌道剛度的影響可忽略不計(jì)。

3)采用道砟膠后，軌道的強(qiáng)度和橫向穩(wěn)定性均得到了大幅提高，輔助軌對(duì)軌道剛度和過渡方案的影響均很小，不考慮輔助軌的影響時(shí)，本文給出的過渡方案依然可為道砟膠應(yīng)用于有砟—無砟軌道過渡段提供理論指導(dǎo)。