新型鋼枕軌道結構受力特性研究

朱勇，張鵬飛

新型鋼枕軌道結構受力特性研究

朱勇1，張鵬飛2

(1. 柳州鐵道職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545616；2. 華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

為研究列車荷載作用下新型鋼枕軌道結構受力特性，將混凝土枕軌道作為對比對象，分別建立新型鋼枕和混凝土枕軌道-路基空間有限元模型，考慮鋼枕處于4種沉降補償量下的實際工況，對比分析新型鋼枕和混凝土枕軌道結構受力特性。研究結果表明：新型鋼枕軌道在抵抗變形和抗彎性能方面優(yōu)于混凝土枕軌道；鋼枕沉降補償量大小對鋼軌、鋼枕受力影響較為顯著，對軌道各部件變形影響不太明顯；鋼枕軌道和混凝土枕軌道的各部件受力與變形均主要發(fā)生在荷載作用位置處，并且2種軌道結構中軌枕的受力特性差異最大、鋼軌和道床次之、路基最小。研究成果對新型軌枕的研發(fā)及應用具有一定參考價值。

有砟軌道；鋼枕；混凝土枕；受力特性；路基沉降

鐵路線路的穩(wěn)定和平順是保證行車安全與旅客舒適的重要條件。線路在運營期間出現局部沉陷、不均勻沉降等病害時，上部軌道結構將產生同步沉降，導致軌道線路狀態(tài)惡化，軌面不平順加劇，嚴重時發(fā)生空吊，直接影響到列車運行的安全性和旅客的舒適性[1?2]。因此開展軌下基礎沉降變形控制技術研究具有重大工程意義。國內外學者對軌下基礎沉降變形控制措施主要以路基加固或過渡段兩側剛度平穩(wěn)過渡為主[3?6]，常用方法有土工格柵加筋法[7]、注漿加固法[8]和灰土樁加固法[9]等。狄宏規(guī)等[10]對斜向高壓旋噴樁加固既有線路基的加固效果進行了探究，結果表明，斜向高壓旋噴樁能顯著提高路基的強度、剛度和地基承載力；姚建平[11]提出了一套適用于運營高速鐵路路基沉降整治的檢測評估、設計、特種施工及后評估成套技術；仲新華等[12?13]研發(fā)了一種低黏度的改性高聚物注漿材料作為高鐵路基加固材料，并通過工程應用，得出了該材料可滿足高速鐵路路基加固實際需求的結論。已有研究成果對減少基礎沉降和降低剛度變化率具有良好效果，但缺乏自動性和實時性，并且技術繁瑣，耗費大量人力和財力。張鵬飛等[14]提出了一種具備沉降自動補償功能的新型鋼枕；該鋼枕能夠實時、自動補償軌下基礎沉降，使線路始終保持平順狀態(tài)；為研究列車荷載作用下新型鋼枕軌道結構受力特性，分別建立鋼枕和混凝土枕軌道?路基空間有限元模型，對比分析新型鋼枕軌道和混凝土枕軌道結構受力特性。

1 新型鋼枕結構

1.1 基本構造

新型鋼枕(以下簡稱鋼枕)是一種由45號優(yōu)質碳素鋼為主要材料，具備基礎沉降自動補償功能的新型軌枕，其結構強度高、耐久性好。鋼枕基本構造如圖1所示，沉降補償裝置內嵌于鋼枕承軌槽內，如圖2所示；鋼枕除承軌槽處外，其余部分內置空心；鋼枕頂板厚2.0 cm，側板厚3.0 cm，底板厚2.0 cm，端部厚5.0 cm。

鋼枕沉降補償裝置主要由升降塊、鋼板、鋸齒、彈簧塊、小鋼棒、螺桿、圓環(huán)套、防塵罩、防塵套、螺帽等部分組成。其中，升降塊長、寬、高分別為32.0，15.4和20.0 cm；鋼板長、寬、高分別為32.0，3.0和17.0 cm；單個鋸齒長、寬、高分別為32.0，0.2和0.2 cm；彈簧塊半徑為3.0 cm；小鋼棒和螺桿的截面半徑分別為0.25 cm和1.0 cm。

單位：mm

1—鋼枕；2—鋼軌；3—升降塊；4—鋼板；5—鋸齒；6—彈簧塊；7—小鋼棒；8—螺桿；9—圓環(huán)套；10—防塵罩；11—防塵套；12—道砟；13—螺帽。

1.2 受力分析現狀

列車荷載作用下，鋼枕主要承受由鋼軌往下傳遞的豎向荷載，其中，沉降補償裝置作為直接承壓部件，鋸齒形結構面將是受力的薄弱部位。對鋸齒形結構面的受力分析得出列車荷載作用下，鋸齒形結構面的抗壓、抗剪均滿足強度要求。

隨著沉降補償量的遞增，鋼枕各向拉、壓應力均增大，特別是鋼枕豎向拉、壓應力變化范圍較大，但在一定沉降補償范圍內，鋼枕各向應力均滿足強度要求[14]。

既有研究主要是針對單個鋼枕在列車荷載作用下的受力分析，然而軌道是由若干個軌枕組成的軌排連接而成，因此，研究由若干個鋼枕組成的鋼枕軌道結構的受力特性是更接近實際情況的。

2 計算模型及參數

2.1 模型建立

1) CHN60鋼軌采用彈性點支承梁，用BEAM 188單元模擬；扣件采用單個線性點支承彈簧，用COMBIN 14單元模擬。

2) 鋼枕根據設計的實際尺寸，采用SOLID 45實體單元模擬；混凝土枕采用Ⅲ型混凝土枕，根據其實際尺寸，在不影響計算結果的前提下，對混凝土枕截面尺寸略有簡化，如圖3所示，采用SOLID 45實體單元模擬。

3) 道床和路基均采用SOLID 45實體單元 模擬。

4) 對軌枕與道床之間、道床與路基之間的節(jié)點合并壓縮；對鋼軌兩端縱、橫向位移和轉角位移約束，同時全約束路基底面。

根據普通有砟軌道結構特點，分別建立鋼枕和混凝土枕軌道?路基空間有限元模型，為消除邊界效應，建立含24根軌枕的軌道結構，如圖4所示。

假定鋼枕軌道和混凝土枕軌道模型中除軌枕參數不同，其余參數均相同。軌道結構模型基本參數[15]如表1所示。

單位：mm

表1 基本參數

(a) 鋼枕軌道；(b) 混凝土枕軌道

圖5 垂向輪軌力時程曲線

2.2 列車荷載

以CRH3型列車為例，基于多體動力學軟件UM建立CRH3型列車模型，其參數取值見文獻[16]。考慮到我國合武客運專線軌道譜較適合路基有砟軌道結構高低不平順，因此本文采用我國合武客運專線軌道譜[17]作為系統(tǒng)激勵。假定列車以200 km/h的速度通過直線線路，運行距離為1 000 m。經計算，提取第2位輪對右側輪的垂向輪軌力作為本文計算分析的輪軌力，其垂向輪軌力時程曲線如圖5所示。

考慮到車輛前后2轉向架引起的軌道反應互相不疊加，本文僅對單一轉向架下兩輪對的垂向列車荷載進行模擬。由圖5可知，CRH3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2股鋼軌對稱施加共4個數值為96.166 kN的垂向力，模型加載示意圖如圖6所示。為減小分析規(guī)模，取中間12根軌枕范圍內的軌道結構進行分析。

單位：mm

3 軌道結構受力特性

針對新型鋼枕與混凝土枕軌道結構，計算列車荷載作用下鋼軌、軌枕、道床及路基等部件的位移、彎矩及應力最大值，同時提取各軌道部件內不同位置處的彎矩、位移和應力等計算結果繪制圖形，對比分析鋼枕軌道和混凝土枕軌道結構受力特性。文中位移和應力均分別表示垂向位移和垂向應力。

考慮鋼枕處于不同沉降補償量下的實際情況，取鋼枕分別處于補償量為0，20，40和60 mm時的4種典型工況。鋼枕軌道計算工況說明如表2所示。

表2 鋼枕軌道計算工況

3.1 軌道結構受力與變形最大值計算

對上述2種軌道結構的鋼軌、軌枕、道床及路基等部件的位移、彎矩及應力進行計算，其受力與變形計算結果最大值如表3所示。

表3 軌道結構各部件受力與變形最大值

由表3可知，對鋼枕軌道和混凝土枕軌道結構的位移分析結果表明：鋼枕軌道各部件位移均小于混凝土枕軌道各部件位移，說明鋼枕軌道整體剛度大于混凝土枕軌道；比較鋼枕軌道結構在不同工況下的位移值可知，隨著鋼枕沉降補償量的遞增，軌道各部件位移變化均不明顯。

對鋼枕軌道和混凝土枕軌道結構的彎矩分析結果表明：鋼枕軌道結構的鋼軌彎矩和軌枕彎矩均較小于混凝土枕軌道，說明鋼枕軌道整體抗彎性能較優(yōu)于混凝土枕軌道；比較鋼枕軌道結構在不同工況下的彎矩值可知，隨著鋼枕沉降補償量的遞增，鋼軌正、負彎矩和鋼枕正彎矩均隨之增大，而鋼枕負彎矩呈略微減小趨勢。

對鋼枕軌道和混凝土枕軌道結構的應力分析結果表明：鋼枕軌道結構中軌枕應力大于混凝土枕應力，但小于鋼枕結構強度限值；同時道床應力略大于混凝土枕軌道道床應力，而路基應力兩者相差不大；比較鋼枕軌道結構在不同工況下的應力值可知，隨著鋼枕沉降補償量的遞增，鋼枕應力呈減小趨勢，這是由于鋼枕承軌槽處的慣性矩隨著沉降補償量的遞增而逐漸增大，從而使得應力減小；同時道床應力隨之略微增大，但路基應力變化不明顯。

綜合上述，鋼枕軌道在抵抗變形和抗彎性能方面較優(yōu)于混凝土枕軌道，且鋼枕沉降補償量大小對鋼軌和鋼枕的受力影響較顯著，對軌道各部件位移影響不太明顯。

3.2 鋼軌受力特性

選取1號軌枕處的鋼軌一端作為坐標原點，提取鋼軌沿長度方向上的節(jié)點彎矩、位移等計算數據繪制圖形，對比分析鋼枕軌道和混凝土枕軌道的鋼軌受力特性。鋼軌彎矩和位移計算結果分別如圖7和圖8所示。

圖7 鋼軌彎矩

圖8 鋼軌位移

由圖7和圖8可知，鋼枕軌道和混凝土枕軌道的鋼軌最大正彎矩和最大位移均發(fā)生在荷載作用位置處，最大負彎矩均發(fā)生在荷載作用位置中間處；鋼枕軌道與混凝土枕軌道相比，鋼軌彎矩大小基本相等，但鋼軌位移前者比后者略小。對鋼枕軌道在不同工況下的鋼軌彎矩和位移曲線分析表明：鋼枕沉降補償量大小對鋼軌受力與變形影響不明顯。

3.3 軌枕受力特性

選取4號軌枕作為研究對象，將軌枕中部作為坐標原點，提取軌枕沿長度方向上的截面彎矩及軌枕上半部分節(jié)點位移和應力等計算數據繪制圖形，對比分析鋼枕軌道和混凝土枕軌道的軌枕受力特性。軌枕彎矩、位移和應力計算結果分別如圖9，圖10和圖11所示。

圖9 軌枕彎矩

圖10 軌枕位移

圖11 軌枕應力

由圖9~圖11可知：

1)鋼枕軌道和混凝土枕軌道的軌枕最大截面彎矩均發(fā)生在軌下截面處。對鋼枕軌道在不同工況下的鋼枕彎矩曲線分析表明：隨著鋼枕沉降補償量的遞增，鋼枕最大正彎矩隨之略微遞增，并且大于混凝土枕最大正彎矩。

2) 鋼枕軌道的軌枕位移沿軌枕縱向變化較混凝土枕軌道的軌枕位移小，且鋼枕最大位移小于混凝土枕最大位移。對鋼枕軌道在不同工況下的鋼枕位移曲線分析表明：隨著鋼枕沉降補償量的遞增，鋼枕位移變化不明顯。

3) 鋼枕軌道和混凝土枕軌道的軌枕拉壓應力均主要集中在承軌槽處，且鋼枕升降塊抬升部分處的最大應力小于混凝土枕對應處的最大應力。對鋼枕軌道在不同工況下的鋼枕應力曲線分析表明：隨著鋼枕沉降補償量的遞增，鋼枕最大應力隨之逐漸減小。

3.4 道床受力特性

選取4號軌枕下部道床作為研究對象，將線路中心線作為坐標原點，提取道床沿頂面寬度方向上的節(jié)點位移和應力等計算數據繪制圖形，對比分析鋼枕軌道和混凝土枕軌道的道床受力特性。道床頂面位移和應力計算結果分別如圖12和圖13所示。

圖12 道床頂面位移

圖13 道床頂面應力

由圖12和圖13可知，鋼枕軌道和混凝土枕軌道的道床頂面最大位移均發(fā)生在軌枕下部位置處，最大應力均發(fā)生在軌枕端部處，且軌枕端部處的道床頂面應力由最大拉應力突變?yōu)樽畲髩簯?，這是由于軌枕端部與道床接觸處發(fā)生了應力集中；同時，鋼枕軌道與混凝土枕軌道相比，道床頂面最大位移前者小于后者，道床頂面最大應力前者大于后者，隨著鋼枕沉降補償量的遞增，鋼枕軌道中道床頂面最大位移和應力變化均不明顯。

3.5 路基受力特性

選取4號軌枕下部路基作為研究對象，將線路中心線作為坐標原點，提取路基沿頂面寬度方向上的節(jié)點位移和應力等計算數據繪制圖形，對比分析鋼枕軌道和混凝土枕軌道的路基受力特性。路基頂面位移及應力計算結果分別如圖14和圖15所示。

圖14 路基頂面位移

圖15 路基頂面應力

由圖14和圖15可知，鋼枕軌道和混凝土枕軌道的路基頂面最大位移和應力均發(fā)生在軌枕下部位置處，且鋼枕軌道的路基頂面最大位移和應力均較小于混凝土枕軌道；同時，隨著沉降補償量的遞增，鋼枕軌道路基頂面位移和應力變化均不明顯。

4 結論

1) 列車荷載作用下鋼枕軌道各部件位移均小于混凝土枕軌道各部件位移，鋼軌彎矩和軌枕彎矩均分別小于混凝土枕軌道鋼軌彎矩和軌枕彎矩。由此可見，新型鋼枕軌道在抵抗變形和抗彎性能方面優(yōu)于混凝土枕軌道。

2) 總體上看，鋼枕沉降補償量對軌道各部件變形影響不明顯，但對鋼軌、鋼枕受力影響較為顯著；隨著沉降補償量的遞增，鋼枕應力隨之減小，但鋼軌彎矩和鋼枕正彎矩有所增大。因此鋼枕沉降補償量大小應在合理范圍內取值。

3) 由軌道結構各部件受力特性分析可知，鋼枕軌道和混凝土枕軌道中各部件受力與變形均主要發(fā)生在荷載作用位置處?？傮w上看，2種軌道結構中軌枕受力特性差異最大、鋼軌和道床次之、路基最小。

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Research on mechanical characteristics of new steel sleeper track structure

ZHU Yong1, ZHANG Pengfei2

(1. Liuzhou Railway Vocational Technical College, Liuzhou 545616, China; 2. Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In order to study the mechanical characteristics of the new steel sleeper track structure under the train load, and the concrete sleeper track is used as the comparison object, the track-subgrade space model of the new steel sleeper track and traditional concrete sleeper were established respectively based on the finite element method, considering the actual working condition of the steel sleeper under the four kinds of settlement compensation, the mechanical characteristics of track structure between the new steel sleeper and traditional concrete sleeper under train load were compared and analyzed. The results show that the new steel sleeper track is superior to the traditional concrete sleeper track in resisting deformation and bending resistance. The settlement compensation amount of steel sleeper has a significant influence on the force of the rail and the steel sleeper, but the influence on the displacement of track components is not obvious. The stress and deformation of the track structure’s various components mainly occur at the load position, and the difference in the mechanical characteristics of the sleeper between the two track structures is the largest, the rail and track bed are the second, the subgrade is the smallest. The research results has certain reference value for the development and application of new sleepers.

ballast track; steel sleeper; concrete sleeper; mechanical characteristics; subgrade settlement

U213.3+6

A

1672 ? 7029(2020)04? 0866 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190683

2019?07?30

國家自然科學基金資助項目(51768023)；江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ180290)；2020年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目(2020KY44019)

張鵬飛(1975?)，男，內蒙古赤峰人，副教授，博士，從事軌道結構研究；E?mail：zhangpf4236@163.com

(編輯 涂鵬)