客貨共線鐵路彈性支承塊無砟軌道更換支承塊特性研究

謝 露

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

客貨共線鐵路隧道內(nèi)無砟軌道可采用彈性支承塊、雙塊式、軌枕埋入式等結(jié)構(gòu)形式[1]。 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)彈性僅由扣件提供,在貨車或重載列車長期動載作用下,扣件損壞頻繁,且易導(dǎo)致道床裂紋新增、蔓延速度加快,影響結(jié)構(gòu)耐久性[2-3]。 軌枕埋入式無砟軌道雖具有軌道形位保持能力強、整體性好等優(yōu)點,但軌枕與混凝土道床新老混凝土界面較多,易產(chǎn)生離縫,軌枕中部穿筋孔與鋼筋間的間隙需進(jìn)行壓漿處理,工藝流程相對復(fù)雜,壓漿質(zhì)量不易控制[3]。

彈性支承塊無砟軌道結(jié)構(gòu)自上而下由鋼軌、預(yù)埋鐵座式扣件、混凝土支承塊、彈性套靴、塊下膠墊及道床板組成,因其扣件墊板與支承塊塊下膠墊組成的雙層彈性系統(tǒng),使彈性支承塊無砟軌道具有接近有砟軌道的彈性,可有效降低輪軌沖擊作用,減振降噪效果較好[4-6],對客貨共線和重載鐵路具有良好的適應(yīng)性。另外,彈性支承塊無砟軌道具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好、維修簡單,可大幅減少隧道內(nèi)有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量,改善養(yǎng)護(hù)維修人員作業(yè)條件等優(yōu)點[7-8]。 鑒于彈性支承塊無砟軌道具有的獨特鮮明技術(shù)、經(jīng)濟特征,同時考慮到鐵路等級等因素,該結(jié)構(gòu)在我國普速客貨共線及重載鐵路長大隧道內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,如西康線、寧西線、蘭新線、襄渝線、格庫線、陽安線、神瓦線、蘭州中川城際等,鋪設(shè)里程已超過1 000 km。

支承塊與道床板混凝土間采用彈性套靴隔離,在列車動荷載作用下,彈性套靴與混凝土間易產(chǎn)生空隙,水、雜物進(jìn)入空隙后加速離縫發(fā)展,產(chǎn)生翻漿冒泥等病害,導(dǎo)致支承塊開裂及套靴損壞,從而影響軌道結(jié)構(gòu)耐久性及行車安全性[9-11]。 更換支承塊效率與維修天窗時間短存在矛盾關(guān)系。 為減少區(qū)段作業(yè)次數(shù),多采用“人海戰(zhàn)術(shù)”,勢必增加維修成本。 因此,如何更加快速、高效、經(jīng)濟地進(jìn)行支承塊更換施工成為一個亟須解決的問題。

1 計算模型及參數(shù)

彈性支承塊無砟軌道左右股支承塊相對獨立(支承塊為倒梯形)[12],支承塊出現(xiàn)病害后,需松開兩邊一定范圍扣件進(jìn)行抬軌,將支承塊同塊下墊板、橡膠套靴同時從道床板拔出更換[13-14]。 為研究更換支承塊的受力特性,建立計算模型(見圖1)。 為消除邊界效應(yīng),模型長度取80.4 m,取1 股鋼軌作為研究對象。

圖1 彈性支承塊計算模型

根據(jù)計算模型,建立相應(yīng)的有限元模型如下。

鋼軌:60 kg/m 鋼軌,采用solid45 實體單元模擬。

扣件:采用combin14 線性彈簧單元模擬,扣件松開區(qū)域扣件垂向剛度設(shè)置為0。

支承塊、彈性套靴及塊下膠墊:均采用solid45 實體單元模擬。

有限元模型邊界條件設(shè)置如下。

為簡化模型,節(jié)約計算時間成本,未考慮道床板對支承塊的影響;支承塊、彈性套靴、塊下膠墊三者間采用粘接處理;支承塊埋深范圍套靴四周采用固定約束;鋼軌端部為固定約束;在抬軌位置施加位移約束以模擬抬軌量,抬軌點位于更換的支承塊附近;計算中考慮重力影響。 有限元模型見圖2,結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1[14-16]。

表1 彈性支承塊無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 有限元模型

2 結(jié)果分析

2.1 抬軌方式對軌道部件的變形及受力影響

為防止抬軌過程中鋼軌出現(xiàn)硬彎,導(dǎo)致鋼軌報廢,選取合理的抬軌方式(單點與兩點抬軌)至關(guān)重要。抬軌間距過小不方便現(xiàn)場作業(yè)施工,抬軌間距過大會使抬軌裝置過大,增加施工成本。 因此,有必要對抬軌方式對軌道部件的變形及受力影響進(jìn)行研究。 計算中,扣件松開范圍長度為12.6 m,抬軌量為16 cm,計算結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 鋼軌垂向位移在縱向上的分布

圖3 為單點抬軌與兩點抬軌(抬軌間距為3.6 m)方式下鋼軌垂向位移在縱向上的分布。 由圖3 可知,在相同抬軌量(16 cm)、扣件松開范圍長度12.6 m 條件下, 單點抬軌方式鋼軌最大垂向位移為(160.185 mm),小于兩點抬軌方式鋼軌最大垂向位移(181.844 mm),但鋼軌最大拉應(yīng)力在抬軌間距不大于3.6 m 條件下,兩點抬軌方式(378 MPa)小于單點抬軌方式(398 MPa)。 主要原因為,采用兩點抬軌方式時,兩抬軌點間的鋼軌發(fā)生了上拱變形,產(chǎn)生了弦弧差(鋼軌垂向最大位移點與抬軌點間的垂向距離),鋼軌變形較圓順。

另外,由圖4～圖6 可知,在2.4 m 之前,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力及扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨抬軌間距增加而增大的趨勢較緩,反之,增加幅度變大,建議抬軌間距取1.2～2.4 m(2～3 個軌枕間距)。

圖4 鋼軌弦弧差隨抬軌間距變化情況

圖5 鋼軌最大拉應(yīng)力隨抬軌間距變化情況

圖6 扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨抬軌間距變化情況

綜上,為減小鋼軌及扣壓區(qū)扣件變形及受力,建議選擇兩點抬軌方式,抬軌間距宜控制在1.2～2.4 m。

2.2 扣件松開范圍對軌道部件的變形及受力影響

抬軌過程中,扣件松開范圍過短,會導(dǎo)致扣壓區(qū)扣件破壞,扣件松開范圍過長,會增加現(xiàn)場施工工作量,增加施工成本。 為確定合理的扣件松開范圍長度,研究不同扣件松開長度下軌道部件的變形及受力,計算時抬軌間距取1.8 m,抬軌量取16 cm,結(jié)果見圖7～圖10。

由圖7 可知,在抬軌過程中,鋼軌垂向位移在縱向上分布線形類似高斯函數(shù),且隨扣件松開范圍增加而增大,鋼軌最大垂向位移逐漸減小,變化趨勢同鋼軌弦弧差變化情況。

圖7 鋼軌垂向位移在縱向上的分布

由圖8 可知,鋼軌弦弧差隨扣件松開范圍的線性增大,鋼軌弦弧差逐漸減小,變化趨勢類似反比例函數(shù),扣件松開范圍長度在29.0 m 之前,鋼軌弦弧差減小趨勢較大,反之,鋼軌弦弧差變化趨勢較小,且在扣件松開長度達(dá)36.6 m 時,鋼軌弦弧差為1.839 mm。

圖8 鋼軌弦弧差隨扣件松開范圍長度變化情況

由圖9 可知,鋼軌最大拉應(yīng)力隨扣件松開范圍增大而線性增加,變化趨勢類似反比例函數(shù)。 當(dāng)扣件松開范圍長度為12.6 m 時, 鋼軌最大拉應(yīng)力為359 MPa,小于U75V 鋼軌的容許應(yīng)力363 MPa,但計算結(jié)果未考慮鋼軌溫度力的影響;若考慮鋼軌溫度應(yīng)力,軌溫每變化1 ℃,產(chǎn)生的溫度應(yīng)力為2.43 MPa。 即使鋼軌軌溫變化30 ℃,溫度應(yīng)力為73 MPa。 當(dāng)扣件松開范圍長度為15.0 m,鋼軌最大拉應(yīng)力為338 MPa(考慮溫度應(yīng)力),小于U75V 鋼軌的容許應(yīng)力363 MPa。

圖9 鋼軌最大拉應(yīng)力隨扣件松開范圍長度變化情況

由圖10 可知,扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨扣件松開范圍增大而線性增加后,逐漸減小,在扣件松開長度27.0 m 之前,減小趨勢較大,反之,減小趨勢較小。 扣壓區(qū)扣件最大上拔力在扣件松開范圍長度36.6 m 時,扣壓區(qū)扣件最大上拔力為-1.556 kN,說明此時扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài),避免了抬軌過程中鋼軌抬升帶動扣壓區(qū)彈性支承塊及套靴被抬起,破壞非病害區(qū)彈性支承塊無砟軌道部件。

圖10 壓區(qū)扣件最大上拔力隨扣件松開范圍長度變化情況

綜上所述,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力隨扣件松開范圍增大而線性增加,變化趨勢類似反比例函數(shù);扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨扣件松開范圍增大而減小,在扣件松開27.0 m 之前,減小趨勢較大,反之,減小趨勢較小。 在抬軌量16 cm、抬軌間距1.8 m 條件下,為滿足鋼軌受力及扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài),扣件松開長度不宜小于36.6 m。

2.3 抬軌量對軌道部件的變形及受力影響

更換支承塊時,抬軌量需大于“支承塊埋深+塊下膠墊厚度+套靴厚度”高度,且根據(jù)施工條件的不同進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。 為了解抬軌量對軌道部件變形及受力的影響規(guī)律,分析不同抬軌量對軌道部件變形及受力影響。 計算過程中,扣件松開長度為36.6 m,抬軌間距1.8 m,變化情況見圖11～圖14。

圖11 鋼軌弦弧差隨抬軌量變化情況

圖12 鋼軌最大拉應(yīng)力隨抬軌量變化情況

由圖11～圖13 可知,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力、扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨抬軌量的增大呈線性增加;在抬軌間距1.8 m、扣件松開長度36.6 m 條件下,抬軌量每增加1.0 cm,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力及扣壓區(qū)扣件最大上拔力分別增加0.059 mm、3 MPa和1.1 kN。 當(dāng)抬軌量為22 cm 時,鋼軌最大拉應(yīng)力為113 MPa,考慮溫度力的影響,鋼軌最大拉應(yīng)力(186 MPa)也小于U75V 鋼軌的容許應(yīng)力363 MPa。當(dāng)抬量為22 cm 時,鋼軌弦弧差為2.192 mm,扣壓區(qū)扣件最大上拔力為5.113 kN,此時,扣壓區(qū)扣件處于受拉狀態(tài)。

圖13 扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨抬軌量變化情況

圖14 扣壓區(qū)扣件最大上拔力變化情況(增加抬軌量和扣件松開范圍長度條件下)

由圖14 可知,在線性增加抬軌量和扣件松開范圍長度條件下,扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài),扣件所受最大壓力基本線性增加,從抬軌量16 cm、扣件松開長度36.6 m 到抬軌量22 cm、扣件松開范圍長度43.8m,扣壓區(qū)扣件最大壓力增加8.29 kN,增加幅度不大。 因此,在抬軌過程中,為保證扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài)且扣件受壓水平相當(dāng),抬軌量每增加1 cm,扣件松開長度宜增加0.6～1.2 m(1～2 組扣件)。

綜上所述,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力、扣壓區(qū)扣件上拔力隨抬軌量的增加呈線性增加關(guān)系;為保證扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài)且扣件受壓水平相當(dāng),抬軌量每增加1.0 cm,扣件松開長度宜增加0.6～1.2 m(1～2 組扣件)。

3 結(jié)論

通過有限元軟件對彈性支承塊無砟軌道更換支承塊問題進(jìn)行模擬,研究抬軌方式、扣件松開范圍長度及抬軌量對軌道部件變形及受力的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下。

(1)為減小鋼軌、扣件變形及受力,建議選擇兩點抬軌方式,抬軌間距宜控制在1.2～2.4 m。

(2)鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力隨扣件松開范圍增大呈線性增加,變化趨勢類似反比例函數(shù);扣壓區(qū)扣件最大上拔力隨扣件松開范圍增大而線性增加,在扣件開范圍長度27.0 m 之前,減小趨勢較大,反之,減小趨勢較小;在抬軌量16 cm、抬軌間距1.8 m 條件下,為滿足鋼軌受力及扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài),扣件松開長度不宜小于36.6 m。

(3)鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應(yīng)力、扣壓區(qū)扣件上拔力隨抬軌量的增加呈線性增大;為保證扣壓區(qū)扣件處于受壓狀態(tài)且扣件受壓水平相當(dāng),抬軌量每增加1.0 cm,扣件松開長度宜增加0.6～1.2 m(1～2 組扣件)。