重載鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道軌距保持能力計(jì)算分析

尤瑞林，王繼軍，杜香剛，劉海濤

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

重載鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道軌距保持能力計(jì)算分析

尤瑞林，王繼軍，杜香剛，劉海濤

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體彈性較好，有利于降低輪軌相互作用力并減緩對(duì)隧道基底的振動(dòng)沖擊，是重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)較為適宜的軌道結(jié)構(gòu)形式。但彈性支承塊式無(wú)砟軌道采用兩個(gè)獨(dú)立的彈性塊體支承鋼軌，其保持軌道幾何狀態(tài)，尤其是保持軌距的能力相對(duì)較弱。本文通過(guò)有限元模型計(jì)算，結(jié)合室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，研究分析了重載條件下彈性支承塊式無(wú)砟軌道軌距保持能力的影響因素。結(jié)果表明:增大支承塊的長(zhǎng)度、寬度以及埋深，可減小支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角;當(dāng)支承塊埋深不變時(shí)，增大支承塊高度對(duì)軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角及支承塊轉(zhuǎn)角的控制不利;增大支承塊套靴側(cè)向剛度，可減小支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角;增大軌下墊板剛度和支承塊下墊板剛度，軌距擴(kuò)大不斷減小，但軌下墊板剛度的增加主要是降低鋼軌轉(zhuǎn)角，對(duì)支承塊的幾何狀態(tài)影響不大，而支承塊下墊板剛度的增加主要是降低支承塊橫向間距擴(kuò)大，對(duì)鋼軌轉(zhuǎn)角的影響較小。

重載鐵路 彈性支承塊式無(wú)砟軌道 軌距保持能力 影響因素

目前，國(guó)內(nèi)外重載鐵路大都采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，隨著列車(chē)軸重和線(xiàn)路運(yùn)量的提高，軌道的維修工作更趨頻繁，但繁忙的貨運(yùn)鐵路，天窗兌現(xiàn)率越來(lái)越低，可用于線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修的時(shí)間較短，難以對(duì)線(xiàn)路病害進(jìn)行及時(shí)維修，尤其是在長(zhǎng)大隧道內(nèi)，有砟軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)修作業(yè)更加困難。若在長(zhǎng)大隧道內(nèi)采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，則具有降低隧道凈空，結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)，維修工作量少，維護(hù)費(fèi)用低，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、連續(xù)性和平順性好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。我國(guó)正在研究編制的重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中也推薦在長(zhǎng)大隧道內(nèi)采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的無(wú)砟軌道種類(lèi)較多，經(jīng)對(duì)比分析，彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)綜合性能良好，在我國(guó)客貨混運(yùn)線(xiàn)路隧道內(nèi)已有一定規(guī)模的應(yīng)用，施工和養(yǎng)護(hù)維修方面已積累了較多經(jīng)驗(yàn)。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)情況看，彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)較好，是重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)一種較為適宜的軌道結(jié)構(gòu)形式。

彈性支承塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、道床板、混凝土支承塊、支承塊下橡膠墊板以及橡膠套靴組成，采用兩個(gè)獨(dú)立的彈性塊體支承鋼軌，由于兩個(gè)彈性支承塊相互之間無(wú)聯(lián)系，其保持軌道幾何狀態(tài)，尤其是保持軌距的能力相對(duì)較弱［3-5］。本文結(jié)合室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)有限元模型計(jì)算，研究重載條件下彈性支承塊式無(wú)砟軌道軌距保持能力的影響因素，分析其對(duì)于重載條件的適用性，為我國(guó)重載彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 單節(jié)點(diǎn)彈性支承塊式無(wú)砟軌道有限元模型

1 有限元模擬與室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 單節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型計(jì)算及室內(nèi)試驗(yàn)

為準(zhǔn)確計(jì)算不同荷載條件下彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)軌距保持能力，本文建立有限元模型(圖1)進(jìn)行分析，模型中鋼軌、支承塊、道床及下部基礎(chǔ)均采用實(shí)體單元模擬;扣件垂向及橫向剛度采用彈簧單元模擬;支承塊與道床板之間為接觸關(guān)系，其四周接觸剛度為套靴的側(cè)向剛度，底部接觸剛度為塊下橡膠墊板的剛度。另外，為更好分析垂向及橫向荷載共同作用下鋼軌傾翻對(duì)軌距變化的影響，在鋼軌軌底兩側(cè)彈條扣壓點(diǎn)位置建立非線(xiàn)性彈簧單元，在鋼軌傾翻過(guò)程中通過(guò)兩側(cè)彈簧單元受力方向的變化來(lái)模擬彈條的扣壓力及軌下墊板的剛度。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)際工況，參考?xì)W洲、澳大利亞以及我國(guó)扣件系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)方法擬定兩種荷載方案。方案1采用高度為161 mm的鋼軌，兩股鋼軌上分別施加比值為1∶0.5的垂向與橫向荷載［6-7］，如圖2(a)所示。方案2采用高度為100 mm的鋼軌，兩股鋼軌上分別施加比值為1∶1的垂向與橫向荷載［8］，如圖2(b)所示。

圖2 兩種荷載方案

彈性支承塊式無(wú)砟軌道軌距變化主要是由于支承塊橫向間距變化、鋼軌以及支承塊傾翻等引起。兩種加載方案下軌道結(jié)構(gòu)軌距保持能力相關(guān)指標(biāo)的試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

表1 單節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型加載方案1試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 單節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型加載方案2試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比表1和表2可以看出:方案1的軌距擴(kuò)大大于方案2;而方案2支承塊橫向間距擴(kuò)大大于方案1;兩種加載方案中鋼軌轉(zhuǎn)角以及支承塊轉(zhuǎn)角差別不大。方案1軌距擴(kuò)大較大主要是由于試驗(yàn)用鋼軌的高度大于方案2;而方案2的橫向荷載與垂向荷載比值大于方案1，因此支承塊橫向間距擴(kuò)大相對(duì)更大。在不同荷載條件下，對(duì)于軌道模型軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角、支承塊轉(zhuǎn)角等軌距保持能力指標(biāo)的理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律一致，軌距擴(kuò)大較為接近，驗(yàn)證了計(jì)算模型的適用性。

1.2 多節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型

根據(jù)單節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合重載彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立多節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型(圖3)，基本計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 多節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型

既有的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明:高速車(chē)輛在直線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)的輪軌橫向力大約是輪軌垂向力的10%～15%;高速車(chē)輛在大半徑曲線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)的輪軌橫向力大約是輪軌垂向力的25%～35%;普速車(chē)輛在小半徑曲線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)的輪軌橫向力約為輪軌垂向力的30%～45%［9-10］?；谝陨显囼?yàn)數(shù)據(jù)的分析，針對(duì)重載線(xiàn)路曲線(xiàn)半徑相對(duì)較小的特點(diǎn)，在有限元模型計(jì)算中將輪軌橫向和垂向荷載比值取為0.4，其中單股鋼軌承受的橫向荷載按100 kN計(jì)，相應(yīng)垂向荷載為250 kN，采用單軸加載方式。

表3 模型基本計(jì)算參數(shù)

2 影響因素分析

2.1 支承塊尺寸對(duì)軌距保持能力的影響

在其它參數(shù)保持不變的情況下，分別改變支承塊長(zhǎng)度、寬度、高度及埋深等型式尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出軌距保持能力相關(guān)指標(biāo)，見(jiàn)表4。

表4 支承塊尺寸對(duì)軌距保持能力的影響

由表4可以看出:

1)隨著支承塊長(zhǎng)度的增加，支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大不斷減小;鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角有所降低。

2)隨著支承塊寬度的增加，支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角均呈下降趨勢(shì)，但影響不明顯，支承塊寬度在(300±40)mm范圍內(nèi)變化時(shí)，軌距擴(kuò)大的變化率在5%范圍內(nèi)。

3)當(dāng)支承塊埋深不變，增大支承塊高度時(shí)，支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角不斷增大。

4)隨著支承塊埋深的不斷加大，支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角不斷減小。

2.2 軌道部件剛度對(duì)軌距保持能力的影響

在其它參數(shù)保持不變的情況下，分別改變套靴側(cè)向剛度、軌下墊板剛度及支承塊下墊板剛度等軌道部件剛度設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出軌距保持能力相關(guān)指標(biāo)，見(jiàn)表5。

表5 軌道部件剛度對(duì)軌距保持能力的影響

由表5可以看出:

1)隨著支承塊套靴側(cè)向剛度的增加，支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角不斷減小。

2)隨著軌下墊板剛度的增加，軌距擴(kuò)大和鋼軌轉(zhuǎn)角不斷減小，而支承塊橫向間距擴(kuò)大沒(méi)有變化，支承塊轉(zhuǎn)角稍有增大，但影響很小?？梢?jiàn)，軌下墊板剛度的變化主要是對(duì)軌距擴(kuò)大及鋼軌轉(zhuǎn)角有影響，對(duì)支承塊幾何狀態(tài)的影響較小。

3)隨著支承塊下墊板剛度的增加，支承塊橫向間距擴(kuò)大和軌距擴(kuò)大有所降低，支承塊轉(zhuǎn)角稍有增大，但影響不大，對(duì)鋼軌轉(zhuǎn)角的影響較小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)單節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性，并在此基礎(chǔ)上建立多節(jié)點(diǎn)實(shí)尺模型分析支承塊尺寸及軌道部件剛度對(duì)其軌距保持能力的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明:

1)增大支承塊的長(zhǎng)度、寬度以及埋深，可減小支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角;而當(dāng)支承塊埋深不變，增大支承塊高度對(duì)軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角及支承塊轉(zhuǎn)角的控制不利。

2)增大支承塊套靴側(cè)向剛度，可減小支承塊橫向間距擴(kuò)大、軌距擴(kuò)大、鋼軌轉(zhuǎn)角和支承塊轉(zhuǎn)角;增大軌下墊板剛度和支承塊下墊板剛度，軌距擴(kuò)大不斷減小，但軌下墊板剛度的增加主要是降低鋼軌轉(zhuǎn)角，對(duì)支承塊的幾何狀態(tài)影響不大，而支承塊下墊板剛度的增加主要是降低支承塊橫向間距擴(kuò)大，對(duì)鋼軌轉(zhuǎn)角的影響較小。

通過(guò)本文計(jì)算，可以看出各種工況中軌道結(jié)構(gòu)的最大軌距擴(kuò)大均不超過(guò)5.5 mm。目前我國(guó)并未發(fā)布重載鐵路軌距限值的相關(guān)規(guī)范，參考既有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［11］，動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大按+8 mm計(jì)(Ⅰ級(jí)保養(yǎng);最高速度vmax≤120 km/h)?？梢?jiàn)，彈性支承塊式無(wú)砟軌道軌距擴(kuò)大值能夠滿(mǎn)足此要求，且具有一定安全儲(chǔ)備。

［1］趙國(guó)堂．高速鐵路無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［2］盧祖文．客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路軌道［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［3］王繼軍，尤瑞林，杜香剛，等．重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析［J］．鐵道建筑，2013(5):132-136．

［4］徐鵬，蔡成標(biāo)．山西中南部鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)選型研究［J］．鐵道建筑，2013(12):103-105．

［5］高興江．重載鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道施工技術(shù)［J］．鐵道建筑技術(shù)，2014(3):43-47．

［6］BritishStandardsInstitution．EN 13146-4—2002Railway Applications-Track-Test Methods for Fastening Systems-Part4: Effect of Repeated Loading［S］．London:British Standards Institution，2010．

［7］Standards Australia International Limited．AS 1085.19—2003 RailwayTrackMaterial-Part19:ResilientFastening Assemblies［S］．Sydney:Standards Australia International Limited，2003．

［8］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB/T 2491—94扣件組裝疲勞試驗(yàn)方法［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1994．

［9］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，成都鐵路局，鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院．遂渝線(xiàn)無(wú)砟軌道試驗(yàn)段綜合試驗(yàn)報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2007．

［10］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，太原鐵路局．30噸軸重貨車(chē)重載線(xiàn)路技術(shù)［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2008．

［11］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)［2006］146號(hào)鐵路線(xiàn)路維修規(guī)則［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2008．

Calculation analysis of gauge-keeping ability of elastic bearing block-type ballastless track on heavy haul railway

YOU Ruilin，WANG Jijun，DU Xianggang，LIU Haitao
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he overall elasticity of elastic ballastless track structure is good and is the appropriate track structure for long tunnel of heavy haul railway，which could reduce the wheel rail interaction forces and slow down the vibration impact on tunnel base．Elastic bearing block-type ballastless track has two independent elastic blocks bearing the rails and has weak ability of keeping track geometric status especially the gauge．T hrough infinite model calculating，the gauge-keeping ability influencing factor of elastic bearing block-type ballastless track under heavy load was studied by combing with the related indoor test results．T he results showed that increasing bearing block's length，width or embedded depth can reduce the bearing block horizontal space widening，the gauge widening，rail angle and bearing block angle，increasing the concrete block's height is not beneficial to the gauge widening and rail angle and concrete block angle control with constant embedded depth，increasing the concrete block's gumshoe lateral stiffness can reduce the concrete block's horizontal space widening，the gauge widening，rail angle and concrete block angle，increasing the stiffness of the rail's pad and the concrete block's pad can reduce the gauge widening，increasing the stiffness of rail's pad is mainly to reduce the rail angle and has little effect on the concrete block's geometric status，and increasing the stiffness of the concrete block's pad is mainly to reduce the concrete block's horizontal space widening and has little effect on the rail angle．

Heavy haul railway;Elastic bearing block-type ballastless track;Gauge-keeping ability;Influencing factor

U213．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．31

1003-1995(2015)03-0110-05

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-05-20;

2014-09-10

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G028-C)

尤瑞林(1986—)，男，安徽宿州人，助理研究員，碩士。