新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響因素分析

張鵬飛,朱 勇,雷曉燕

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

鐵路線路是由不同特點(diǎn)、性質(zhì)迥異的構(gòu)筑物(橋、隧、路基等)和軌道構(gòu)成的。不同線路結(jié)構(gòu)的剛度差異顯著，在列車通過時引起軌面的位移響應(yīng)不一致，同時，不同結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)沉降也不均勻，特別是在過渡點(diǎn)附近極易產(chǎn)生變形而導(dǎo)致軌面發(fā)生彎折。當(dāng)列車高速通過時，車輛與線路相互動力作用加劇，造成軌面嚴(yán)重不平順，加速線路狀態(tài)的惡化，增加線路的養(yǎng)護(hù)維修頻率和費(fèi)用，嚴(yán)重時甚至威脅行車安全。因此，亟待開展過渡段基礎(chǔ)沉降病害整治技術(shù)研究。

國內(nèi)外學(xué)者對軌道過渡段基礎(chǔ)沉降病害整治技術(shù)研究主要集中針對既有線路或新建線路上路基加固或剛度平穩(wěn)過渡[1-5]。廖進(jìn)星[6]指出了過渡段和地基沉降不均勻地段，采用不同地基加固處理措施組合、過渡等方法，可實(shí)現(xiàn)控制工后沉降且沉降均勻過渡的目的；劉好正[7]研究發(fā)現(xiàn)擠密樁復(fù)合地基對于消除黃土地基濕陷性、控制工后沉降的效果十分明顯；趙新益等[8]等對鐵路軟土不同地基處理方法的地基受力變形特性及沉降控制效果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和研究；師楊楊[9]對高速鐵路路基沉降病害的成因及整治技術(shù)現(xiàn)狀作了較為詳細(xì)的介紹，指出了各類現(xiàn)有的沉降病害整治方法；姚建平[10]提出了一套適用于運(yùn)營高速鐵路路基沉降整治的精細(xì)化管控技術(shù)；徐實(shí)[11]研究發(fā)現(xiàn)采用灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基，工后沉降量能滿足高速鐵路有砟軌道路基工后沉降要求。

王鑄、宋緒國[12]提出了斜向水泥土樁法用于列車運(yùn)行條件下路基快速加固的施工工藝，并提出了保證施工安全和行車安全措施以及施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)；郭戰(zhàn)偉[13]詳細(xì)介紹了幾種路基加固及病害防治方法，并應(yīng)用于既有線上，效果表現(xiàn)良好；仲新華等[14-15]配制出了一種改性聚氨酯注漿材料，并通過工程應(yīng)用證明了該材料可滿足高速鐵路路基加固實(shí)際需求；羅強(qiáng)、蔡英[16]詳細(xì)闡述了鐵路線路路橋過渡段沉降的技術(shù)處理措施，提出了路橋過渡段的構(gòu)造及填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)建議；謝文良等[17]介紹了高速鐵路路橋過渡段沉降差異的形成原因，分析了路基沉降變形和路基填土壓實(shí)度之間的關(guān)系，并提出了相關(guān)解決措施；陳果元等[18]結(jié)合秦沈客運(yùn)專線進(jìn)行現(xiàn)場測試及理論分析，得出了土工格柵過渡段比級配碎石過渡段更能減小地基總沉降量和工后沉降的結(jié)論；G.M. Stoyanovich等[19]研發(fā)了鋼筋混凝土板、框架和整體混凝土板的幾種設(shè)計，從而使得剛度平穩(wěn)過渡，減少了殘余變形的積累。已有研究對減少過渡段沉降和降低剛度變化率具有一定效果，但缺乏自動性和實(shí)時性，且整治技術(shù)施工工藝繁瑣。因此，及時、有效的整治過渡段基礎(chǔ)沉降病害對保證鐵路安全、平穩(wěn)、舒適運(yùn)行具有重要意義與應(yīng)用價值。

本文結(jié)合國內(nèi)外已有對過渡段軌下基礎(chǔ)沉降病害整治技術(shù)的研究現(xiàn)狀，基于有砟軌道混凝土枕結(jié)構(gòu)形式，提出一種可以替代既有軌枕并且能夠自動補(bǔ)償軌下基礎(chǔ)沉降的新型鋼枕。為研究新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，基于有限元法，建立新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型，分析軌下膠墊剛度、鋼枕間距以及道床彈性模量3種軌道參數(shù)對鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。

1 新型鋼枕結(jié)構(gòu)概況

1.1 鋼枕結(jié)構(gòu)組成

新型鋼枕是由45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼為主要組成材料，內(nèi)置沉降補(bǔ)償裝置的新型軌枕，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐久性好。鋼枕整體三維外觀如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)尺寸為：長2 600 mm，軌下高度210 mm，中間高度165 mm，寬度320 mm；鋼枕承軌槽處內(nèi)置沉降補(bǔ)償裝置，如圖2所示，其余部分結(jié)構(gòu)內(nèi)置空心，其頂板厚度為20 mm，側(cè)板厚度為30 mm，底板厚度為20 mm，端部厚度為50 mm。

圖1 鋼枕整體三維外觀

圖2 沉降補(bǔ)償裝置核心部件示意

鋼枕沉降補(bǔ)償裝置內(nèi)，升降塊通過扣件與鋼軌連接，且與鋼板之間靠交錯排列的鋸齒嚙合；鋼板通過彈簧塊與鋼枕側(cè)壁相連，其上、下表面與鋼枕頂、底面內(nèi)壁通過鋼棒緊密接觸，鋼棒放置于鋼枕頂、底面內(nèi)壁的凹槽內(nèi)；螺桿一端與鋼板的中心處固定，另一端穿過鋼枕側(cè)壁直達(dá)鋼枕外表面，螺桿表面除鋼枕外表面部分有螺紋，通過螺帽貼于鋼枕外壁上，其余部分全光滑。

1.2 鋼枕工作原理

新型鋼枕利用升降塊和鋼板之間的鋸齒互鎖，通過鋼軌彈性恢復(fù)力的觸發(fā)作用，自動調(diào)節(jié)高度，補(bǔ)償基礎(chǔ)沉降量，進(jìn)而使線路始終保持平順狀態(tài)。當(dāng)列車車輪經(jīng)過時，車輪對鋼軌產(chǎn)生的作用力經(jīng)升降塊、鋸齒、鋼板、鋼棒和鋼枕底面?zhèn)鬟f到道床上，此時升降塊與鋼板依靠鋸齒相互嚙合，鋸齒產(chǎn)生互鎖；如果基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降，鋼軌將產(chǎn)生彈性彎曲變形，同時也帶動鋼枕產(chǎn)生變形；當(dāng)列車車輪離開時，鋼軌的彈性變形恢復(fù)，隨即產(chǎn)生向上的彈性恢復(fù)力，升降塊將同鋼軌一起向上運(yùn)動；此時，升降塊上的鋸齒擠壓鋼板上鋸齒，由于鋼棒的滾動效應(yīng)，彈簧塊將發(fā)生壓縮，使得鋼板被擠壓往鋼枕兩側(cè)內(nèi)壁移動，同時升降塊隨鋼軌一起向上運(yùn)動；由于鋼枕的自重以及道床能夠提供足夠的縱橫向阻力，鋼枕與道砟保持緊密接觸不變，即升降塊向上運(yùn)動的位移量為軌下基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降量，使得軌面保持初始高度不變。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 模型建立

新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)如圖3所示。從上往下依次為：60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新型鋼枕、道床、路基。

圖3 新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)

為避免模型邊界效應(yīng)引起的計算誤差，建立含24跨新型鋼枕的軌道-路基空間耦合有限元模型，如圖4所示。對鋼軌兩端截面全約束，同時全約束路基底面。

圖4 新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型

2.2 模型參數(shù)

鋼軌采用SOLID 45實(shí)體單元模擬，在不影響計算結(jié)果的前提下，對鋼軌截面廓形適當(dāng)簡化；扣件采用COMBIN 14彈簧單元模擬；新型鋼枕采用SOLID 45實(shí)體單元模擬；道床[20]和路基均采用SOLID 45實(shí)體單元模擬。鋼枕軌道結(jié)構(gòu)基本參數(shù)[21]如表1所示。

2.3 模型加載

本文計算以CRH2型列車為例，基于多體動力學(xué)軟件UM建立CRH2型列車模型，其參數(shù)取值見文獻(xiàn)[22]，考慮我國合武客運(yùn)專線軌道譜較為適合路基有砟軌道結(jié)構(gòu)高低不平順，因此，采用我國合武客運(yùn)專線軌道譜作為系統(tǒng)的激勵，考慮列車以200 km/h的速度通過直線線路，運(yùn)行距離為1 000 m。經(jīng)計算，垂向輪軌力時程曲線如圖5所示。

表1 模型計算基本參數(shù)

圖5 垂向輪軌力時程曲線

考慮列車前后轉(zhuǎn)向架引發(fā)的軌道反應(yīng)相互不疊加，僅模擬單一轉(zhuǎn)向架下雙輪對的垂向列車荷載。由圖5可知，CRH2型列車通過直線段的最大輪軌力為96.166 kN，即按列車固定軸距對兩根鋼軌對稱施加大小為96.166 kN的垂向力P，為減小分析規(guī)模，取新型鋼枕軌道中間12跨軌枕范圍內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，加載示意如圖6所示。值得注意的是，當(dāng)鋼枕間距發(fā)生改變時，4號鋼枕對應(yīng)的垂向力P位置仍保持不變，僅8號鋼枕對應(yīng)的垂向力P位置隨之改變。

圖6 模型加載示意(單位：mm)

3 軌道參數(shù)對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響

針對軌下膠墊剛度、鋼枕間距和道床彈性模量3種參數(shù)，分別計算列車荷載作用下不同參數(shù)對應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)受力特性，分析這3種參數(shù)對鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。

3.1 軌下膠墊剛度的影響

考慮軌下膠墊剛度大小對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，軌下膠墊剛度分別取50，60，70，80，90 kN/mm，扣件間距取0.6 m，道床彈性模量取150 MPa，其他參數(shù)取值見表1。計算列車荷載作用下鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性，分析軌下膠墊剛度對鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同軌下膠墊剛度下軌道結(jié)構(gòu)受力變形最大值

從表2可以看出，軌下膠墊剛度對軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響比較顯著，特別是對鋼軌的受力特性影響較大。隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌位移遞減顯著，但鋼枕、道床和路基位移均隨之遞增；同時，鋼軌軌頭應(yīng)力呈略微減小趨勢，鋼枕、道床和路基應(yīng)力均隨之遞增。

當(dāng)軌下膠墊剛度從50 kN/mm增大到90 kN/mm時，在軌道位移方面，鋼軌位移減小了32.8%，鋼枕位移增大了16.7%，道床位移增大了16.5%，路基位移增大了15.0%；在軌道應(yīng)力方面，鋼枕應(yīng)力增大了17.1%，道床和路基應(yīng)力分別增大了18.3%和16.5%。

綜合上述，軌下膠墊剛度對鋼軌受力特性的影響最為顯著，隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌的受力與變形均隨之減小，這對鋼軌的使用狀態(tài)是有利的，但與此同時增大了鋼枕、道床和路基的受力與變形。因此，需要對軌下膠墊剛度進(jìn)行合理的選取。

3.2 鋼枕間距的影響

考慮鋼枕間距大小對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，鋼枕間距分別取1 600，1 667，1 760，1 840根/km，軌下膠墊剛度取60 kN/mm，道床彈性模量取150 MPa，其他參數(shù)取值見表1。計算列車荷載作用下鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性，分析鋼枕間距對鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同鋼枕間距下軌道結(jié)構(gòu)受力變形最大值

從表3可以看出，鋼枕間距對軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響比較明顯；總體上看，減小鋼枕間距能夠減小軌道結(jié)構(gòu)受力與變形；當(dāng)鋼枕間距從1600根/km減小到1840根/km時，在軌道位移方面，鋼軌位移減小了11.5%，鋼枕位移減小了8.9%，道床位移減小了7.9%，路基位移減小了2.2%；在軌道應(yīng)力方面，鋼軌軌頭應(yīng)力呈略微減小趨勢，鋼枕應(yīng)力減小了10.0%，道床應(yīng)力和路基應(yīng)力分別減小了12.6%和5.5%。

綜合上述，減小鋼枕間距有利于減小軌道結(jié)構(gòu)受力，但鋼枕間距太小會加大對道砟搗固的作業(yè)難度，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量和維修成本。因此，鋼枕間距需在合理范圍內(nèi)選取。

3.3 道床彈性模量的影響

考慮道床彈性模量大小對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，道床彈性模量分別取70，90，110，130，150 MPa，扣件間距取0.6 m，軌下膠墊剛度取60 kN/mm，其他參數(shù)取值見表1。計算列車荷載作用下鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性，分析道床彈性模量對鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。計算結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，道床彈性模量對鋼軌和路基的受力特性影響較小，對鋼枕和道床的受力特性影響較顯著；隨著道床彈性模量的增大，軌道各部件位移均隨之減小，與此同時，鋼軌軌頭應(yīng)力變化較小，鋼枕和道床應(yīng)力均隨之增大，路基應(yīng)力隨之略微減小。

當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ繌?0 MPa增大到150 MPa時，在軌道位移方面，鋼軌位移減小了1.2%，鋼枕位移減小了15.6%，道床位移減小了23.5%，路基位移減小了10.1%；在軌道應(yīng)力方面，鋼枕應(yīng)力增大了15.6%，道床應(yīng)力增大了17.4%，路基應(yīng)力減小了7.3%。

表4 不同道床彈性模量下軌道結(jié)構(gòu)受力變形最大值

綜合上述，增大道床彈性模量可以減小鋼枕軌道結(jié)構(gòu)變形，但同時會增大鋼枕和道床的受力。因此，道床彈性模量應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值。

4 結(jié)論

提出一種能夠自動補(bǔ)償基礎(chǔ)沉降的新型鋼枕，建立了新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型，分析了軌下膠墊剛度、鋼枕間距以及道床彈性模量等參數(shù)對鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)軌下膠墊剛度對鋼軌受力特性的影響最為顯著，隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌的受力與變形均隨之減小，這對鋼軌的使用狀態(tài)是有利的，但與此同時增大了鋼枕、道床和路基的受力與變形。

(2)減小鋼枕間距能夠減小軌道結(jié)構(gòu)受力與變形，但鋼枕間距太小會加大對道砟搗固的作業(yè)難度，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量和維修成本。因此，鋼枕間距需在合理范圍內(nèi)選取。

(3)增大道床彈性模量可以減小軌道結(jié)構(gòu)變形，但同時增大了鋼枕和道床的受力。

綜上以上分析，建議對軌下膠墊剛度、鋼枕間距和道床彈性模量等參數(shù)綜合考慮后合理選取。