層間連接對(duì)CRTS l型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)力學(xué)特性的影響研究

雷鵬飛

（中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司，武漢430060）

1 概述

無(wú)砟軌道由于具有使用壽命長(zhǎng)、高平順性、少維修等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外高速鐵路中得到了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代起，日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)無(wú)砟軌道進(jìn)行了深入的研究，逐步形成了擁有各自特色的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

我國(guó)在吸收日本新干線單元板式無(wú)砟軌道的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)鐵路的運(yùn)營(yíng)條件和地域條件研發(fā)了CRTS I型板式無(wú)砟軌道，并成功應(yīng)用于哈大、滬寧城際、廣珠、廣深港等多條客運(yùn)專線[1]。

自CRTS I型板式無(wú)砟軌道在我國(guó)得到成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其靜力、動(dòng)力特性進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的研究成果。

2 CRTS l型板式無(wú)砟軌道-路基空間力學(xué)模型

在ANSYS環(huán)境下生成的CRTS I型板式無(wú)砟軌道-路基力學(xué)模型總體圖及大樣圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 CRTS l型板式無(wú)砟軌道-路基力學(xué)模型總體圖

圖2 CRTS l型板式無(wú)砟軌道-路基力學(xué)模型大樣圖

模型中，鋼軌用beam4梁?jiǎn)卧M，軌道板、CA砂漿、底座、基床表層、基床底層、地基以solid45實(shí)體單元模擬。

鋼軌與軌道板之間的連接采用combin14彈簧—阻尼單元模擬，為考慮扣件的尺寸效應(yīng)，避免將鋼軌與軌道板對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)直接相連造成軌道板的應(yīng)力集中，將每個(gè)鋼軌節(jié)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)扣件尺寸范圍內(nèi)的軌道板節(jié)點(diǎn)均相連。

軌道板與CA砂漿、底座與路基間連接采用松散連接、緊密連接以及接觸單元連接3種不同的連接方式。松散連接假定無(wú)砟軌道層間無(wú)摩擦，層與層僅垂向連接，本文采用combin14彈簧-阻尼單元對(duì)此加以模擬[2]；緊密連接假定無(wú)砟軌道層間摩擦系數(shù)無(wú)窮大，不同層之間變形協(xié)調(diào)一致，本文不同層間采用共節(jié)點(diǎn)對(duì)此加以模擬；接觸單元連接可以考慮層間摩擦以及層間分離脫空，本文采用contact178單元對(duì)此加以模擬。

3 模型驗(yàn)證

采用遂渝線動(dòng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)上述層間接觸單元連接空間力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。不同速度級(jí)別下路基上CRTS I型板式無(wú)砟軌道地段的貨車輪軌垂向力平均值最大為131.2 kN，本文輪載取131.2 kN。

表1 軌道和路基計(jì)算參數(shù)

本文層間接觸單元連接模型計(jì)算結(jié)果及遂渝線實(shí)測(cè)值比較見(jiàn)表2。

表2 遂渝線板式無(wú)砟軌道計(jì)算結(jié)果比較表

表2數(shù)據(jù)表明，本文層間接觸單元連接力學(xué)模型能夠反映無(wú)砟軌道受力的實(shí)際情況。

4 仿真計(jì)算

4.1 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

路基上CRTS I型板式無(wú)砟軌道力學(xué)模型中軌道和路基主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

本文列車荷載取為100kN，并考慮3.0的動(dòng)載系數(shù)，以300kN動(dòng)荷載單輪對(duì)移動(dòng)加載，路基不均勻沉降采用余弦型，20m范圍內(nèi)最大沉降15mm，溫度梯度荷載考慮無(wú)砟軌道上熱下冷，取10℃。

為研究不同荷載作用下無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)層間連接對(duì)路基上CRTS I型板式無(wú)砟軌道各部件的影響，設(shè)置8種工況，如表3所示。

表3 計(jì)算工況

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 列車荷載工況下計(jì)算結(jié)果及分析

表4給出了在列車荷載作用下，無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)3種不同層間連接對(duì)軌道板以及底座板的影響規(guī)律。

表4 列車荷載下不同層間連接對(duì)軌道板及底座板應(yīng)力影響結(jié)果比較表

從表4可以看出，在列車荷載的作用下，不同層間連接下軌道板及底座板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有不同程度的差別。對(duì)于軌道板，層間松散連接力學(xué)模型下軌道板縱向最大應(yīng)力、橫向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力、橫向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比層間接觸單元連接力學(xué)模型大10.3%、10.6%、10.6%、4.1%。層間緊密連接力學(xué)模型下軌道板縱向最大應(yīng)力、橫向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力、橫向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比層間接觸單元力學(xué)模型小47.2%、19.2%、26.4%、17.9%。對(duì)于底座板，層間松散連接力學(xué)模型下底座板縱向最大應(yīng)力、橫向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力、橫向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比層間接觸單元連接力學(xué)模型大16.7%、54.5%、13.8%、15.8%。層間緊密連接力學(xué)模型下底座板縱向最大應(yīng)力、橫向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力、橫向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比層間接觸單元連接力學(xué)模型小13.5%、12.5%、32.9%、30.9%。

進(jìn)一步分析，可以得到以下規(guī)律：在列車荷載作用下，層間松散連接力學(xué)模型下軌道板及底座板應(yīng)力最大，層間緊密連接力學(xué)模型下軌道板及底座板應(yīng)力最小，層間接觸單元連接力學(xué)模型下軌道板及底座板應(yīng)力介于二者之間。造成上述規(guī)律的主要原因是：不同層間連接力學(xué)模型下無(wú)砟軌道抗彎剛度不同，層間松散連接下無(wú)砟軌道抗彎剛度最小，層間緊密連接下無(wú)砟軌道抗彎剛度最大，層間接觸單元連接下無(wú)砟軌道抗彎剛度介于二者之間。而無(wú)砟軌道抗彎剛度越大，其彎曲應(yīng)力越小[3]。

4.2.2 路基不均勻沉降荷載工況下計(jì)算結(jié)果及分析

路基不均勻沉降作用下，2種不同層間連接對(duì)軌道板以及底座板的影響規(guī)律見(jiàn)表5。

表5 路基不均勻沉降荷載下不同層間連接對(duì)軌道板及底座板應(yīng)力影響結(jié)果比較表

由表5可知，路基不均勻沉降作用下，不同層間連接力學(xué)模型下軌道板以及底座板縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均有顯著差別。

層間緊密連接力學(xué)模型下軌道板縱向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比接觸單元連接力學(xué)模型大88.8%、74.3%。層間緊密連接力學(xué)模型下底座板縱向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比接觸單元連接力學(xué)模型大123.3%、126.4%。

造成上述現(xiàn)象的原因主要是：在不均勻沉降荷載工況下，無(wú)砟軌道各部件之間存在局部脫空，接觸單元模型可以考慮局部脫空對(duì)無(wú)砟軌道受力的影響，無(wú)砟軌道變形和受力均減小，而層間緊密連接下無(wú)砟軌道和下部基礎(chǔ)變形是一致的，其變形和受力較大[4,5]。

4.2.3 溫度梯度荷載工況下計(jì)算結(jié)果及分析

溫度梯度荷載作用下，3種層間連接對(duì)軌道板的影響規(guī)律見(jiàn)表6。

表6 溫度梯度荷載下不同層間連接對(duì)軌道板受力影響結(jié)果比較表

表6表明，溫度梯度荷載下，不同層間連接力學(xué)模型下軌道板縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有一定的差別，不同層間連接力學(xué)模型下軌道板橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果差別顯著。

層間緊密連接力學(xué)模型下軌道板縱向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力、軌橫向最大應(yīng)力、橫向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比接觸單元連接力學(xué)模型大19.7%、15.9%、119.2%、107.3%。層間松散連接力學(xué)模型下軌道板縱向最大應(yīng)力、縱向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力、橫向最大應(yīng)力、橫向最大正彎曲應(yīng)力截面平均彎曲應(yīng)力分別比接觸單元連接力學(xué)模型大 18.2%、15.4%、121.2%、108.2%。

造成上述現(xiàn)象的原因主要是：接觸單元力學(xué)模型考慮了在溫度梯度荷載作用下局部脫空效應(yīng)對(duì)無(wú)砟軌道受力的影響，而緊密連接及松散連接力學(xué)模型都沒(méi)有考慮這種影響。

5 結(jié)論

本文考慮無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)不同層間連接，建立了CRTS I型板式無(wú)砟軌道-路基空間力學(xué)模型，并探討了在列車荷載、路基不均勻沉降荷載、溫度梯度荷載作用下，不同層間連接對(duì)軌道板及底座板力學(xué)特性的影響規(guī)律，主要研究結(jié)論如下：

1）列車荷載作用下，無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)不同層間連接力學(xué)模型下軌道板及底座板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有不同程度的差別。層間松散連接力學(xué)模型下軌道板及底座板應(yīng)力比接觸單元連接力學(xué)模型大4.1%～54.5%，層間緊密連接力學(xué)模型下軌道板及底座板應(yīng)力比接觸單元連接力學(xué)模型小12.5%～32.3%。

2）路基不均勻沉降荷載作用下，無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)不同層間連接力學(xué)模型下軌道板及底座板縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果差別顯著[6]。層間緊密連接力學(xué)模型下軌道板縱向應(yīng)力比接觸單元連接力學(xué)模型下大74.3%～88.8%，底座板縱向應(yīng)力比接觸單元連接力學(xué)模型大123.3%～126.4%。

3）溫度梯度荷載作用下，無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)不同層間連接下軌道板縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有一定的差別，軌道板橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果差別顯著。層間緊密連接及松散連接力學(xué)模型下軌道板縱向應(yīng)力比層間接觸單元連接力學(xué)模型大15.4%～19.7%，層間緊密連接及松散連接力學(xué)模型下軌道板橫向應(yīng)力比層間接觸單元連接力學(xué)模型大107.3%～121.2%。

4）為了更好地反映無(wú)砟軌道的空間力學(xué)特性，有必要在力學(xué)模型中使用層間接觸單元，以提高計(jì)算精度。