35.7 t軸重重載鐵路軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

常衛(wèi)華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

35.7 t軸重重載鐵路軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

常衛(wèi)華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

我國面臨著發(fā)展重載鐵路和承擔(dān)海外重載鐵路的設(shè)計(jì)任務(wù),美國、加拿大、澳大利亞等國重載鐵路的軸重普遍達(dá)到35.7 t,結(jié)合海外項(xiàng)目,以35.7 t軸重貨車為例,對(duì)此軸重條件下的軌道結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。軸重的提高對(duì)重載鐵路軌道部件提出更高的要求。采用商業(yè)有限元軟件ANSYS,建立軌道-路基系統(tǒng)有限元模型,主要研究鋼軌類型、軌下墊板剛度、道床狀態(tài)、路基基床參數(shù)對(duì)35.7 t軸重貨車的軌道結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性的影響,為軸重35.7 t軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)選取提供建議。

重載線路；鋼軌類型；軌下墊板剛度；道床狀態(tài)；路基基床狀態(tài)；設(shè)計(jì)參數(shù)

我國面臨著發(fā)展重載鐵路和承擔(dān)海外重載鐵路的設(shè)計(jì)任務(wù)，美國、加拿大、澳大利亞等國重載鐵路的軸重普遍達(dá)到35.7 t[1-2]，結(jié)合海外項(xiàng)目，以軸重35.7 t貨車為例，對(duì)此軸重條件下的軌道結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。

1 建立軌道-路基系統(tǒng)有限元模型

1.1 計(jì)算參數(shù)

所采用的基準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)如下。

鋼軌：75 kg/m鋼軌，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。

軌枕及扣件：2.6 m長(zhǎng)Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，間距1 667根/km，彈性模量為3.5×104MPa，泊松比0.167，密度2 750 kg/m3；扣件動(dòng)剛度170 kN/mm。

道床：碎石道砟，頂面寬度3.6 m，道床厚度0.35 m，邊坡坡度1∶1.75，彈性模量140 MPa，泊松比0.27，密度2 000 kg/m3。

路基基床：頂面寬度7.7 m，基床表層厚度0.6 m，基床底層厚度1.9 m，邊坡坡度1∶1.5。

35.7 t重載鐵路軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)方案見表1。

表1 軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)方案

以澳大利亞35.7 t貨車荷載列為例，按照最不利荷載作用位置，考慮前車的后轉(zhuǎn)向架和后車的前轉(zhuǎn)向架組成的荷載列，見圖1，動(dòng)力系數(shù)取1.66。

圖 1 澳大利亞35.7 t貨車荷載分布(單位：m)

1.2 計(jì)算模型

利用ANSYS有限元軟件，鋼軌、軌枕采用梁?jiǎn)卧M；道床、路基采用實(shí)體單元模擬，建立鋼軌-軌枕-道床-路基空間耦合計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 有砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

2 重載軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 鋼軌類型分析

在貨車軸重為35.7 t的條件下，其他參數(shù)采用基準(zhǔn)參數(shù)，鋼軌分別采用60、68、75 kg/m鋼軌進(jìn)行計(jì)算分析[6-7]，軌道結(jié)構(gòu)受力結(jié)果見表2。

由表2可見，鋼軌類型對(duì)鋼軌應(yīng)力的影響是最顯著的。采用重型鋼軌明顯的減小鋼軌應(yīng)力。采用75 kg/m的鋼軌相對(duì)于60 kg/m的鋼軌，相同條件下，軌頭、軌底應(yīng)力減小了約14%。能夠有效改善鋼軌軌頭的受力狀態(tài)，對(duì)于由彎矩引起的軌底應(yīng)力也是有利的。故在鋼軌選型上，采用重型鋼軌可以降低輪軌接觸應(yīng)力，減少軌頭、軌底病害的發(fā)生。

表2 鋼軌類型的影響

而且，隨著鋼軌質(zhì)量的提高，軌枕、道床及路基的受力均有所降低。可以看出，采用重型鋼軌對(duì)整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)都是有利的。

對(duì)于鋼軌位移，鑒于目前沒有普速及重載鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)重載鐵路軌道的狀況及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收指導(dǎo)意見(鐵建設(shè)[2010]214號(hào))中的要求，暫定鋼軌撓度限值為2.5 mm。

針對(duì)35.7 t軸重貨車，從軌道結(jié)構(gòu)靜力分析角度上，不建議采用60 kg/m鋼軌，因其垂向位移已超出2.5 mm的限值標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)優(yōu)先選用75 kg/m的鋼軌。這樣可以有效地改善軌頭、軌底的受力情況。此外，鋼軌的材質(zhì)也需要提高，耐磨性也需要增強(qiáng)。

2.2 軌下墊板剛度分析

軌下膠墊剛度的合理取值是重載線路設(shè)計(jì)的重要部分。在35.7 t軸重作用下，模型中軌下膠墊動(dòng)剛度分別取90、130、170 kN/mm及200 kN/mm[8-9]，軌道結(jié)構(gòu)各部件的受力結(jié)果見表3。

表3 軌下墊板剛度的影響

由表3可見，隨著軌下墊板剛度的增大，變化最明顯的是鋼軌受力及變形。軌下墊板剛度由90 kN/mm增加到200 kN/mm時(shí)，鋼軌的垂向位移減小了19.4%；鋼軌軌頭、軌底應(yīng)力減小了約9.6%。

可以看出，軌下墊板剛度的增大，能夠減小軌道結(jié)構(gòu)的變形，使鋼軌受力減小，對(duì)鋼軌的使用狀態(tài)是有利的。

由表3線性插值，軌下墊板動(dòng)剛度159 kN/mm時(shí)，鋼軌垂向位移最大值達(dá)到2.5 mm。因此，軌下墊板靜剛度應(yīng)滿足96 kN/mm以上。

我國既有普速貨運(yùn)重載線路軌下膠墊的剛度為80～120 kN/mm，國外重載線路軌下膠墊剛度值一般都在400 kN/mm，軌下膠墊剛度偏低會(huì)使軌道結(jié)構(gòu)的變形較大，從而導(dǎo)致許多問題的出現(xiàn)。建議運(yùn)量較大的重載鐵路應(yīng)使用剛度較大的軌下膠墊，特別是無縫線路區(qū)段，小半徑曲線上，鋼筋混凝土軌枕地段，鋪設(shè)剛度較大的軌下墊板有利于線路穩(wěn)定，有利于維修養(yǎng)護(hù)。但不是說軌下膠墊的剛度越大越好，從表3中可以看出，隨著軌下膠墊剛度的增加，道床及路基應(yīng)力會(huì)相應(yīng)變大。因此對(duì)軌下膠墊的剛度要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2.3 道床厚度分析

道床厚度的合理取值是重載線路設(shè)計(jì)的重要部分。在35.7 t軸重作用下，模型中道床厚度取30、35 cm[10]，軌道結(jié)構(gòu)各部件的受力結(jié)果見表4。

表4 道床厚度的影響

由表4可見，道床厚度的變化對(duì)路基表層的受力影響最大。隨著道床厚度的增大，鋼軌和軌枕的受力影響甚微，主要是使道床和路基的應(yīng)力降低，路基基床表層應(yīng)力降低的最為明顯。

故在重載線路中保證道床的厚度可以延長(zhǎng)路基的使用壽命，控制翻漿冒泥等病害的發(fā)生。道床厚度加大也會(huì)延長(zhǎng)道床的清篩周期，減少日常的維修工作量。

道床厚度增加，軌道變形增大，說明道床剛度減小。由表4推算，道床厚度達(dá)到49 cm時(shí)，鋼軌變形達(dá)到限值2.5 mm，因此，道床厚度宜控制在49 cm以下。

適當(dāng)增加道床厚度，可提高道床彈性，但道床厚度超過40 cm，其作用也不大，反而浪費(fèi)資源。從這一角度分析，道床厚度以35 cm為宜。

2.4 道床彈性模量分析

碎石道床應(yīng)具有一定的彈性，若道床剛度過大，會(huì)使車輛的沖擊振動(dòng)加劇，鋼軌和軌枕的破損加重，甚至危及車輛的運(yùn)行安全。但道床的剛度過小，軌道結(jié)構(gòu)的變形會(huì)變大，對(duì)車輛的運(yùn)行也是不利的。道床彈性模量的合理取值也是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

在35.7 t軸重的作用下，模型中道床彈性模量分別取70、90、110、140 MPa，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 道床彈性模量的影響

由表5可見，道床彈性模量的變化對(duì)軌枕和道床的受力影響最大。當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ坑?0 MPa增加到140 MPa時(shí)，鋼軌的垂向位移減小了10%。故道床的剛度太小會(huì)使道床變形過大，從而引起軌道動(dòng)位移增大，加大了行車的阻力，對(duì)鋼軌的使用狀態(tài)也是不利的。

由表5線性插值，道床彈性模量124 MPa時(shí)，達(dá)到鋼軌垂向位移允許值2.5 mm。故針對(duì)建立的軌道模型，道床彈性模量應(yīng)控制在124 MPa以上，鋼軌垂向位移才能滿足限值要求。

當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ坑?0 MPa增加到140 MPa時(shí)，軌枕和道床的受力增加較明顯。軌枕彎矩增加了26.6%；道床應(yīng)力增加了21.6%，這樣會(huì)影響其使用狀態(tài)。

因此，道床剛度的選值要在合理的范圍內(nèi)。為防止道床剛度過大，可以選用優(yōu)質(zhì)的道砟，耐磨性好的道砟可以控制其粉化，減小道床的臟污。而且要及時(shí)對(duì)道床清篩，使道床的級(jí)配合理，保持彈性良好的狀態(tài)。

2.5 路基基床厚度分析

路基基床表層直接承受道床傳來的動(dòng)荷載，基床表層的填料類型及厚度的合理確定直接影響路基本體的使用壽命，同時(shí)能夠有效防止基床翻漿冒泥、道砟囊袋、凍害等病害。

在35.7 t軸重的作用下，計(jì)算分為兩種工況，工況1：路基基床厚度2.5 m，其中基床表層厚度0.6 m，基床底層厚度1.9 m；工況2：路基基床表層3.0 m，其中基床表層厚度0.7 m，基床底層厚度2.3 m，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 路基基床厚度的影響

由表6可見，基床厚度的增加對(duì)基床受力有利，基床表層厚度增加0.1 m，表面應(yīng)力降低2.1%，減幅較小；基床底層厚度增加0.4 m，應(yīng)力減低5.9%。

隨著基床厚度增加，軌枕彎矩增加最顯著，約11%，但未超過Ⅲ型軌枕彎矩允許值19.2 kN·m?；埠穸?.0 m，鋼軌垂向位移達(dá)到2.624 mm，超過鋼軌位移限值2.5 mm，可通過增大軌下墊板剛度、道床彈性模量等措施來減小鋼軌位移，使其達(dá)標(biāo)。

對(duì)于重載鐵路，路基基床表層是直接承受道床傳來的動(dòng)荷載，基床表層厚度的合理確定直接影響路基本體的使用壽命。由表6可知，基床表層厚度0.6 m時(shí)，路基表面應(yīng)力133.862 MPa，新建鐵路路基面應(yīng)力允許值為150 MPa，僅剩10%的安全余量，故建議針對(duì)35.7 t軸重的重載鐵路路基基床表層厚度取0.7 m，基床底層厚度取2.3 m。

2.6 路基基床表層彈性模量分析

目前重載鐵路基床表層填料類型主要包括：碎石、滲水土、改良土、A組改良土，主要區(qū)別在于材料強(qiáng)度不同，級(jí)配碎石強(qiáng)度最高。下面分別研究基床表層彈性模量110、150、190、210 MPa[11-12]情況下軌道結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表7。

由表7可見，基床表層彈性模量的變化對(duì)基床表層的受力影響最大。當(dāng)基床表層彈性模量由110 MPa增加到210 MPa時(shí)，基床表層的垂向位移減小了14.3%?；脖韺拥膭偠仍龃髸?huì)減小其垂向變形，對(duì)基床使用狀態(tài)是有利的。路基面的動(dòng)變形過大，會(huì)導(dǎo)致表面防水或鋪裝層的開裂，降低基床表層的壽命和功能，造成上部軌道結(jié)構(gòu)的疲勞損壞，道床維護(hù)困難，以及線路綜合剛度平順性差等問題，從而影響到列車運(yùn)行。

表7 路基基床表層彈性模量的影響

當(dāng)基床表層彈性模量由110 MPa增加到210 MPa時(shí)，基床表層的受力增加約5.8%，增加幅度不明顯。

級(jí)配碎石材料彈性模量能達(dá)到190 MPa以上，比A組填料強(qiáng)度高，更易保持路基面使用狀態(tài)，故基床表層材料建議采用強(qiáng)度更高的級(jí)配碎石。

3 結(jié)論

針對(duì)35.7 t軸重貨車，分析鋼軌類型、軌下墊板剛度、道床厚度、道床彈性模量、路基基床厚度與基床表層彈性模量對(duì)重載線路的影響規(guī)律，利用了鋼軌-軌枕-道床-路基空間耦合模型計(jì)算分析，得到以下結(jié)論。

(1)重型鋼軌明顯減小鋼軌軌頭、軌底應(yīng)力。隨著鋼軌質(zhì)量的提高，軌枕、道床及路基的受力均有所降低。采用75 kg/m的鋼軌相對(duì)于60 kg/m的鋼軌，相同條件下，軌頭、軌底應(yīng)力減小了約14%。

故35.7 t軸重的軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選用75 kg/m的鋼軌，不建議采用60 kg/m鋼軌，因鋼軌垂向位移超過限值。

(2)軌下墊板剛度增大明顯減小軌道結(jié)構(gòu)的變形，使鋼軌的受力減小，對(duì)鋼軌的使用狀態(tài)是有利的。軌下墊板動(dòng)剛度由90k N/mm增加到200 kN/mm時(shí)，鋼軌的垂向位移減小了19.4%；鋼軌軌頭、軌底應(yīng)力減小了約9.6%。針對(duì)本項(xiàng)目模型，軌下墊板靜剛度應(yīng)控制在96 kN/mm以上才能滿足鋼軌垂向位移限值。

(3)隨著道床厚度的增大，鋼軌和軌枕的受力影響甚微，主要是使道床和路基的應(yīng)力降低，路基基床表層應(yīng)力降低的最為明顯。道床厚度增加5 cm，路基基床表層應(yīng)力減小約5%。

適當(dāng)增加道床厚度，可提高道床彈性，但道床厚度超過40 cm，其作用也不大，反而浪費(fèi)資源。從這一角度分析，道床厚度以35 cm為宜。

(4)道床彈性模量增加，軌道結(jié)構(gòu)的位移降低顯著，對(duì)鋼軌的使用狀態(tài)是有利的。當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ坑?0 MPa增加到140 MPa時(shí)，鋼軌的垂向位移減小了10%。針對(duì)建立的軌道模型，道床彈性模量應(yīng)控制在124 MPa以上，鋼軌垂向位移才能滿足限值要求。

道床彈性模量增加，軌枕和道床的應(yīng)力會(huì)明顯變大。因此道床剛度的選值要在合理的范圍內(nèi)。為防止道床剛度過大，減小道床的振動(dòng)，可以選用優(yōu)質(zhì)的道砟，而且要及時(shí)對(duì)道床清篩，使道床的級(jí)配合理，保持彈性良好的狀態(tài)。

(5)對(duì)于重載鐵路，路基基床表層是直接承受道床傳來的動(dòng)荷載，基床表層厚度的合理確定直接影響路基本體的使用壽命。由表6可知基床表層厚度0.6 m時(shí)，路基表面應(yīng)力133.862 MPa，新建鐵路路基面應(yīng)力允許值為150 MPa，僅剩10%的安全余量，故建議針對(duì)35.7 t軸重的重載鐵路路基基床表層厚度取0.7 m，基床底層厚度取2.3 m。

(6)當(dāng)基床表層彈性模量由110 MPa增加到210 MPa時(shí)，基床表層的垂向位移減小了14.3%?；脖韺拥膭偠仍龃髸?huì)減小其垂向變形，對(duì)基床使用狀態(tài)是有利的。級(jí)配碎石材料彈性模量能達(dá)到190 MPa以上，比A組填料強(qiáng)度高，更易保持路基面使用狀態(tài)，故基床表層材料建議采用強(qiáng)度更高的級(jí)配碎石。

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Study On Key Parameters of Heavy Haul Railway Track under 35.7t Axle Load

CHANG Wei-hua

(China Railway First Survey and Design Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

China is facing challenges of the development of heavy haul railway of the design for overseas projects. The axle load in heavy haul railways in USA, Canada, Australia and other countries has generally reached 35.7 tons. With reference to overseas projects with 35.7 t axle load of wagon, this paper studies the design parameters for track structures under heavy axle load. ANSYS, the finite element software, is adopted to establish the 3D computation model to identify the impact of the parameters related to rail type, stiffness of rail pad, ballast status, subgrade foundation bed on the static characteristics of track structure under 35.7 t axle load, and offers some suggestions on the design of the track structure under 35.7 t axle load.

Heavy-haul railway; Rail type; Rigidity of rail pad; Track bed status; Subgrade foundation bed status; Design parameter

2015-01-23

常衛(wèi)華(1985—)，女，工程師，工學(xué)碩士，E-mail:275232418@qq.com。

1004-2954(2015)08-0047-04

U213.2+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.011