枕下支撐剛度對(duì)軌枕性能影響分析

鐘智豐

摘 要：城市軌道交通線路通車運(yùn)營后碎石道床發(fā)生不均勻沉降，枕下支撐剛度發(fā)生變化，導(dǎo)致軌枕病害的產(chǎn)生，無法有效保持軌道形位和縱橫向阻力，需要深入研究軌枕下支撐剛度對(duì)其性能的影響，以便更好地治理軌枕病害問題。采用不同枕下支撐剛度對(duì)軌枕的支撐作用模擬碎石道床不均勻沉降，建立有限元模型進(jìn)行受力計(jì)算，分析不同支撐剛度對(duì)軌枕變形及彎矩等性能的影響。結(jié)果表明，軌枕跨中支撐剛度越大，軌枕變形和受力越小，但軌枕跨中彎矩相應(yīng)增大;軌枕跨中支撐剛度變小時(shí)，軌枕變形增加。由此可見，軌枕跨中若出現(xiàn)道砟缺失，引起軌枕空吊，枕下支撐剛度減小，則軌枕處將產(chǎn)生較大變形，相鄰的軌枕也將承受較大的荷載，嚴(yán)重時(shí)造成軌枕失效。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;碎石道床;支撐剛度;軌枕性能;動(dòng)力分析

中圖分類號(hào)：U213.3

0 引言

近幾年國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展日新月異，不僅緩解了城市公共交通的壓力，也極大地方便了市民出行。但城市軌道交通發(fā)車間隔短、客運(yùn)量大，同時(shí)養(yǎng)護(hù)維修天窗時(shí)間短，運(yùn)營期間車輛通過、輪軌接觸等振動(dòng)對(duì)軌下基礎(chǔ)也會(huì)造成一定影響，尤其是地面碎石道床地段。持續(xù)的列車振動(dòng)及露天環(huán)境下的雨水沖刷，容易導(dǎo)致軌枕下道砟支撐剛度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐删植寇壪碌来裁摽眨管壵懋a(chǎn)生較大下沉，不利于軌道形位的保持，同時(shí)影響旅客舒適性及行車安全。

目前國內(nèi)城市軌道交通地面線主要采用碎石道床，配套相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，其主要作用是把上部荷載的作用力均勻傳遞到道床中，有效保持軌道的幾何形位，可見軌枕在碎石道床結(jié)構(gòu)中起著承載和傳遞上部力的關(guān)鍵作用。當(dāng)碎石道床均勻地支撐軌枕時(shí)，軌枕受力特點(diǎn)是鋼軌下方軌枕能夠承受較大的正彎矩，枕中則承受一定的負(fù)彎矩。然而由于列車荷載的沖擊以及雨水對(duì)道床沖刷等原因，碎石道床產(chǎn)生不均勻沉降。在荷載反復(fù)作用下，道床差異沉降不斷積累，造成軌枕與道床之間的接觸面變小，軌枕發(fā)生部分支撐缺失，導(dǎo)致枕下支撐剛度急劇減小，從而進(jìn)一步加劇道床的沉降。道床不均勻沉降不僅容易造成軌枕病害，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量，而且會(huì)導(dǎo)致重大脫軌事故，因此有必要對(duì)碎石道床軌枕下支撐情況進(jìn)行分析。

為進(jìn)一步研究軌枕支撐情況與其受力特性的關(guān)系，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了深入研究。張健等通過建立車輛軌道垂向耦合模型，研究了軌枕空吊受軌枕動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響;鄒春華等根據(jù)試驗(yàn)分析軌枕空吊受路基不均勻沉降影響（會(huì)引起有砟軌道沉降）的規(guī)律，提出路基不均勻沉降引起軌枕臨界空吊的計(jì)算方法;徐涆文等通過研究彈性長軌枕和短軌枕軌道鋼軌的垂向振動(dòng)特性，分析了軌枕支撐剛度、軌枕質(zhì)量以及軌枕尺寸等不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)鋼軌垂向振動(dòng)的影響;西南交通大學(xué)方銳等建立了軌道結(jié)構(gòu)三維實(shí)體有限元模型，分析不同軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋼軌和軌枕振動(dòng)特性的影響;王國新等通過建立有限元彈性振動(dòng)模型，研究了軌枕支撐彈簧剛度和阻尼對(duì)鋼軌波磨的影響，發(fā)現(xiàn)較軟的軌枕支撐剛度和合適的軌枕支撐阻尼可以抑制曲線線路上內(nèi)軌的波磨。本次研究通過不同枕下支撐剛度對(duì)軌枕的支撐作用模擬碎石道床不均勻沉降，分析不同支撐剛度對(duì)軌枕變形及彎矩等性能的影響。

1 模型建立

本文利用軌枕下不同支撐剛度對(duì)軌枕的作用，模擬碎石道床的不均勻沉降和脫空等工況。模型條件設(shè)置為：B型列車14 t軸重荷載、60kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕碎石道床。

1.1 碎石道床模型

根據(jù)國內(nèi)碎石道床剛度有關(guān)論文的研究結(jié)論，碎石道床軌枕下支撐剛度約為70kN/mm。本文按系數(shù)0.8 / 0.5 / 0.2對(duì)軌枕跨中支撐剛度進(jìn)行折減，以模擬軌枕下碎石道砟局部缺失和脫空的工況，選取的支撐剛度分別為55kN/mm、35kN/mm、15kN/mm、0kN/mm。模型采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，鋼軌采用梁單元進(jìn)行模擬，其余部件采用實(shí)體單元，本文建立的碎石道床模型如圖1所示。

1.2 軌枕模型

軌枕建模采用實(shí)體單元（圖2），在模型中對(duì)輪軌接觸位置施加14t軸重集中荷載，同時(shí)考慮到相鄰軌枕受力分布（圖3），實(shí)際施加集中荷載最大值為14t×（1 + 0.6）×0.4 = 8.96t，其中0.6為動(dòng)力系數(shù)，0.4為集中力加載處正下方軌枕承受的豎向力系數(shù)。

2 仿真分析

對(duì)模型施加14t軸重靜荷載進(jìn)行計(jì)算，軌枕變形云圖如圖4所示，枕兩端及枕中彎矩圖如圖5所示。

不同支撐剛度工況下，軌枕變形及彎矩變化規(guī)律如圖6、圖7所示。

不同支撐剛度工況下，軌枕應(yīng)力變化規(guī)律如圖8所示。不同支撐剛度條件下，軌枕變形及受力對(duì)比結(jié)果見表1。

由表1可知，軌枕跨中支撐剛度由55kN/mm減小至0時(shí)，軌枕兩端及枕中最大變形出現(xiàn)在支撐剛度為0時(shí)，變形值分別為1.925mm和1.514mm;隨著支撐剛度的減小，枕兩端和枕中變形不斷增大，增幅分別達(dá)27.0%和33.7%;軌枕兩端彎矩在支撐剛度為0時(shí)，達(dá)到最大值852N · m，而枕中彎矩最大值出現(xiàn)在支撐剛度為55kN/mm時(shí)，為834N · m;隨著支撐剛度的減小，枕兩端彎矩增大了111.9%，枕中彎矩則減小了97.1%;軌枕兩端及枕中應(yīng)力隨著支撐剛度的減小而增大，最大值分別為1900kPa和30.9kPa，增幅分別為20.0%和13.6%。這說明軌枕跨中支撐剛度減小時(shí)，軌枕受彎位置由枕中往兩端偏移，在軌下位置軌枕彎矩較大，軌枕變形也增大，整體下沉。

再對(duì)鋼軌-軌枕-道床模型施加F = 10kN的沖擊荷載，時(shí)間間隔為10-4s，連續(xù)作用30次，模擬軌枕跨中支撐剛度發(fā)生變化后軌枕的傳力性能。計(jì)算分別取軌枕跨中全支撐和無支撐2種工況，其支撐剛度分別為70kN/mm和0，施加上述荷載后，軌枕的結(jié)構(gòu)變形和加速度結(jié)果見圖9、圖10。