防振型板式軌道半圓形凸形擋臺(tái)的受力及影響分析

柴文博，王自勵(lì)

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

板式軌道是一種應(yīng)用比較廣泛的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，最早應(yīng)用于日本，我國(guó)在參考日本板式軌道的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了CRTSI型板式軌道，目前正應(yīng)用于我國(guó)多條客運(yùn)專線上。普通板式軌道的結(jié)構(gòu)主要包括混凝土底座、CAM層、軌道板、填充材料和凸形擋臺(tái)，凸形擋臺(tái)的主要功能是承受并傳遞軌道板所受的縱橫向力、對(duì)軌道板進(jìn)行定位以及在施工過(guò)程中作為測(cè)量定位的基準(zhǔn)。對(duì)于橋上板式軌道結(jié)構(gòu)來(lái)講，由于軌道板跨越橋梁接縫時(shí)，板下的CAM層會(huì)因橋梁端部的溫度伸縮等作用而破壞，因此，軌道板的端部必須與橋梁的接縫相重合，在橋梁端部的伸縮縫處必須設(shè)置凸形擋臺(tái)，這種情況的擋臺(tái)如圖1所示為兩半圓形，中心與橋梁的伸縮縫重合一致，并填充嵌縫材料[1]。在普通板式軌道的軌道板下和凸形擋臺(tái)周圍粘貼一層彈性橡膠墊形成防振型板式軌道，可以很好地降低列車運(yùn)行時(shí)軌道的振動(dòng)和噪音。

圖1 橋梁伸縮縫處半圓形凸形擋臺(tái)

1 防振型板式軌道半圓形凸形擋臺(tái)的受力計(jì)算原理

半圓形凸形擋臺(tái)所受的力主要考慮：通過(guò)鋼軌與扣件和軌道板的作用傳遞給凸形擋臺(tái)的縱向力，包括鋼軌溫度力和始動(dòng)荷載通過(guò)扣件和軌道板傳遞給擋臺(tái)的力Ft和Fs；列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向力Fc；由于軌道板與底座之間的溫差而產(chǎn)生的縱向溫度力Fr。各個(gè)力和軌道結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系如圖2所示。

圖2 防振型板式軌道結(jié)構(gòu)及各部件之間力的相互作用關(guān)系

凸形擋臺(tái)所受的合力可通過(guò)下式計(jì)算：

其中，F(xiàn)t為鋼軌的縱向溫度力通過(guò)扣件和軌道板傳遞給擋臺(tái)的力，可按Ft=2·l·ft進(jìn)行計(jì)算，l為軌道板上作用的鋼軌長(zhǎng)度，ft為單位長(zhǎng)度鋼軌的溫度伸縮對(duì)軌道板的縱向力。

δs為始動(dòng)荷載作用下軌道板發(fā)生的位移，當(dāng)輪軌間的摩擦力作用于軌道板上時(shí)，由于軌道重量關(guān)系而使軌道板與板下膠墊之間的接觸面呈嚙合狀態(tài)，則摩擦力作用于板下膠墊上，由于板下膠墊較軟而產(chǎn)生位移δs，其結(jié)果是軌道板也只發(fā)生δs的位移。δs的計(jì)算如下：

式中，W0為轉(zhuǎn)向架一個(gè)車軸的重量；μ為始動(dòng)時(shí)輪軌間的摩擦系數(shù)；kx為板下膠墊水平方向的彈性系數(shù)。Fs的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 始動(dòng)荷載作用時(shí)的計(jì)算模型

Fc為軌道橫向力，F(xiàn)c=L×104N，L為軌道板長(zhǎng)度。

2 建立半圓形凸形擋臺(tái)的有限元計(jì)算模型

考慮到梁端處凸形擋臺(tái)的位移與橋梁上部結(jié)構(gòu)位移的協(xié)調(diào)性以及橋梁伸縮及梁端位移[3]對(duì)嵌縫材料性能的影響，在建模的過(guò)程中未考慮橋梁伸縮和下一跨梁對(duì)梁端處半圓形擋臺(tái)的作用。以日本A型減振板的凸形擋臺(tái)尺寸為例，采用有限元軟件ANSYS建立板式軌道以及半圓形擋臺(tái)的有限元模型，如圖4所示，軌道結(jié)構(gòu)各部件均采用solid45單元來(lái)模擬，軌道板、板下膠墊、CAM層、混凝土底座之間通過(guò)共同節(jié)點(diǎn)作用；軌道板、擋臺(tái)周圍的膠墊和CAM以及擋臺(tái)之間也通過(guò)共同節(jié)點(diǎn)作用[2]。模型中各部件的尺寸及材料性能如表1所示。

圖4 軌道板及半圓形凸形擋臺(tái)有限元模型

表1 有限元模型中板式軌道各部件的尺寸及材料參數(shù)

3 半圓形凸形擋臺(tái)的受力分析

在最不利荷載組合的條件下，取ft=5 kN/m,軸重W0=17t,μ=0.35，軌道板與底部的溫差取10℃[1]。對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到半圓形凸形擋臺(tái)的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 半圓形凸形擋臺(tái)的應(yīng)力分布

可以看出，半圓形擋臺(tái)所受到應(yīng)力沿?fù)跖_(tái)高度從上往下逐漸增大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與底座板相連的圓弧中部附近，最大值為1.57 MPa，同時(shí)在端部?jī)山歉浇渤霈F(xiàn)較大的應(yīng)力。

4 半圓形凸形擋臺(tái)受力的影響分析

4.1 改變擋臺(tái)及其周圍膠墊的尺寸

同時(shí)改變凸形擋臺(tái)和周圍彈性膠墊的尺寸，將擋臺(tái)半徑由200 mm增加到250 mm，周圍彈性膠墊的厚度由20 mm增加到25 mm，建立新的有限元模型進(jìn)行計(jì)算得到應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 增加半徑及膠墊厚度后的半圓形擋臺(tái)應(yīng)力分布

可以看出，增加擋臺(tái)半徑及其周圍彈性膠墊厚度后凸形擋臺(tái)的應(yīng)力分布與未增加前大致相同，但最大應(yīng)力減小到了0.78 MPa，約為前者的1/2。我國(guó)的CRSTI型板式軌道的凸形擋臺(tái)半徑即為500 mm，這有利于提高凸形擋臺(tái)工作的安全性。

4.2 擋臺(tái)周圍材料參數(shù)的變化對(duì)擋臺(tái)受力的影響

擋臺(tái)周圍CAM的彈性模量保持不變(300 MPa)，彈性膠墊的彈性模量變化時(shí)，凸形擋臺(tái)的最大應(yīng)力以及軌道板最大位移的變化如表2所示；擋臺(tái)周圍彈性膠墊的彈性模量不變(6 MPa)，CAM的彈性模量變化時(shí)，凸形擋臺(tái)的最大應(yīng)力和軌道板最大位移的變化如表3所示。

表2 擋臺(tái)周圍膠墊彈性模量的改變對(duì)擋臺(tái)應(yīng)力和軌道板位移的影響

表3 擋臺(tái)周圍CAM彈性模量變化對(duì)擋臺(tái)應(yīng)力和軌道板位移的影響

由表2和表3可以看出，擋臺(tái)周圍彈性膠墊的彈性模量的變化對(duì)凸形擋臺(tái)所受附加應(yīng)力的影響比較顯著，半圓形凸形擋臺(tái)所受到的最大應(yīng)力隨著膠墊彈性模量的增大逐漸增大，大致呈線性關(guān)系；單獨(dú)改變擋臺(tái)周圍CAM彈性模量的情況下，當(dāng)CAM的彈性模量較小(小于300 MPa)時(shí)，凸形擋臺(tái)所受的最大應(yīng)力隨著CAM彈性模量的增大而增大，而當(dāng)CAM的彈性模量較大(大于300 MPa)時(shí)，CAM彈性模量的變化不再對(duì)凸臺(tái)的受力產(chǎn)生影響。無(wú)論是改變膠墊的彈性模量還是CAM的彈性模量，都不會(huì)對(duì)軌道板的最大位移產(chǎn)生較大影響，這是因?yàn)橛汕懊娴挠?jì)算原理可知，對(duì)軌道板的位移影響較大的因素是軌道板下彈性膠墊的縱向彈性系數(shù)。

5 凸形擋臺(tái)的周圍全部采用樹(shù)脂填充

半圓形凸形擋臺(tái)的半徑不變，R=200 mm，周圍全部采用樹(shù)脂材料填充，填充厚度為50 mm，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到的應(yīng)力分布同前，不同彈性模量的樹(shù)脂填充時(shí)凸臺(tái)最大應(yīng)力和軌道板最大位移如表4所示。

表4 樹(shù)脂填充時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出，當(dāng)樹(shù)脂采用常用的彈性模量25 MPa時(shí)，擋臺(tái)的最大應(yīng)力為2.14 MPa，接近最大容許應(yīng)力2.43 MPa[4]。而軌道板的最大位移則會(huì)隨著樹(shù)脂填料的彈性模量的增大而減，但也不是很明顯。所以，減振型軌道板凸形擋臺(tái)周圍全部用樹(shù)脂填充時(shí)，樹(shù)脂材料的彈性模量不宜太大。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)橋梁端部半圓形凸形擋臺(tái)的受力和影響分析可以得到以下結(jié)論：

(1)防振型板式軌道梁端處的半圓形凸形擋臺(tái)由于其特殊的結(jié)構(gòu)和位置，所受到的力與其它擋臺(tái)有所不同，凸形擋臺(tái)在最不利荷載組合下所受到的附加應(yīng)力沿?fù)跖_(tái)高度從上而下逐漸增大。

(2)半圓形凸形擋臺(tái)在最不利荷載作用下所受到的最大應(yīng)力隨著其直徑的增大及其周圍彈性膠墊厚度和周圍填充材料的彈性系數(shù)的減小而減小。凸形擋臺(tái)周圍填充材料彈性系數(shù)的變化對(duì)軌道板最大位移的影響不是很大。

[1] 王其昌，韓啟孟.板式軌道設(shè)計(jì)與施工[M].西南交通大學(xué)出版社,2002

[2] 趙偉.單元板式無(wú)砟軌道傷損及縱向受力分析[D].西南交通大學(xué),2008

[3] 劉學(xué)毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運(yùn)專線無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法[M].西南交通大學(xué)出版社,2010

[4] 李朝鋒.客運(yùn)專線減振型CRSTI型板式無(wú)砟軌道凸形擋臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(8)