軌距對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響

亓偉 曹勇 趙振航 莫宏愿

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代軌道交通應(yīng)用技術(shù)研究中心，成都 610218；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；3.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031）

世界各國鐵路軌距因為歷史、國家安全等原因而存在差異，隨著“一帶一路”的發(fā)展，為保證鐵路運輸?shù)捻樌麑嵤瑢⒏鲊F路聯(lián)為一體，需要研究車輛變軌技術(shù)、軌道結(jié)構(gòu)受力等內(nèi)容。目前，鐵路軌距有標(biāo)準(zhǔn)軌距、寬軌距、窄軌距。世界大部分國家采用標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，但是俄羅斯、烏克蘭、芬蘭、波蘭、土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦等國采用1 520 mm的寬軌距，印度、巴基斯坦、孟加拉、斯里蘭卡、阿富汗、阿根廷、智利等國采用1 676 mm 的寬軌距。我國臺灣地區(qū)和日本、印尼、菲律賓、南非、安哥拉等國采用1 067 mm的窄軌距，我國云南部分線路和東盟的越南、柬埔寨、老撾、泰國、緬甸、馬拉西亞等國均采用1 000 mm 的窄軌距，此外我國云南、東南亞部分國家、印度、塞內(nèi)加爾有762 mm的寸軌［1-2］。

我國作為“一帶一路”主要發(fā)起國，已經(jīng)研發(fā)出多種變軌距轉(zhuǎn)向架，保證了標(biāo)準(zhǔn)軌距與寬軌距、窄軌距線路的有效轉(zhuǎn)換。中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司、西南交通大學(xué)等單位對600/1 067 mm 變軌距轉(zhuǎn)向架、1 435/1 520 mm 變軌距轉(zhuǎn)向架作了深入理論與試驗研究，并成功開發(fā)出對應(yīng)的可變軌距轉(zhuǎn)向架［3-5］。

文獻［6-8］分別對米軌、寬軌距軌道結(jié)構(gòu)對車輪受力、鋼軌受力、軌道受力與配筋等內(nèi)容開展研究，并提出指導(dǎo)建議。文獻［9］研究不同軌距下列車運行平穩(wěn)性問題。文獻［10-11］研究軌枕間距對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，得出軌枕間距對軌道結(jié)構(gòu)受力、軌道部件振動特性等均有影響。

現(xiàn)有研究集中在軌距對車輛的影響、變軌距轉(zhuǎn)向架設(shè)計等方面。為保證“一帶一路”沿途軌距變化處行車的安全性、平穩(wěn)性與結(jié)構(gòu)的耐久性，本文開展軌距變化對軌道結(jié)構(gòu)受力方面的研究。

1 力學(xué)模型

本文結(jié)合有砟軌道各部件特點作適當(dāng)簡化，建立有砟軌道有限元模型，如圖1所示。

圖1 有砟軌道有限元模型

為消除邊界影響，模型選取長度為21 枕跨，軌枕間距均為0.6 m，荷載作用于中間軌枕處，豎向荷載為200 kN。模型中鋼軌、軌枕、道床均為實體單元，扣件為彈簧單元。鋼軌統(tǒng)一采用CN60 鋼軌。軌枕分別選取寸軌（670 mm）、米軌（1 000 mm）、標(biāo)準(zhǔn)軌（1 435 mm）、俄羅斯寬軌（1 520 mm）、印度寬軌（1 670 mm）等對應(yīng)的軌枕，軌枕間距均按0.6 m 設(shè)置。道床厚度選取為0.35 m，坡度選取為1∶1.75，道床砟肩寬度均按0.5 m 設(shè)置?？奂偠葹?0 kN/mm，根據(jù)軌底與軌枕網(wǎng)格劃分情況簡化為49 根離散彈簧。有砟軌道部件參數(shù)見表1［12-14］，軌道模型平面如圖2 所示。圖2 中，W1為軌距，根據(jù)軌枕類型進行選擇；W2為鋼軌外側(cè)軌枕長度，根據(jù)我國軌枕設(shè)計與模型簡化情況選取為0.5 m；W3為砟肩寬度，按我國規(guī)范要求與建模簡化情況選取為0.5 m；W4為道床邊坡寬度，文中的邊坡與道床厚度、砟肩堆高按相同取值計算，邊坡寬度取為1.0 m。

表1 有砟軌道部件參數(shù)

圖2 有砟軌道模型平面示意

2 計算結(jié)果分析

軌道結(jié)構(gòu)的幾何形位變化與軌道部件受力是分析軌道結(jié)構(gòu)的2 個重要指標(biāo)，部件位移差異影響行車平順性，部件受力影響耐久性，因此需要重點分析軌距對軌道部件位移和拉壓應(yīng)力的影響。

2.1 軌距對軌道部件位移的影響

軌距變化使得單根軌枕上的軌道部件位移發(fā)生變化。計算結(jié)果表明，軌道各部件沿z方向（線路方向）、沿x方向（軌枕長度方向）最大與最小位移變化相同，列車荷載主要影響軌枕部件y方向（豎向位移）。

軌距變化對軌道部件位移的影響對比見圖3。可見，鋼軌、軌枕、道床3 個方向的位移均受到軌距變化的影響，其中鋼軌位移受軌距影響最小，其次為軌枕、道床。

圖3 軌距對軌道部件位移的影響

由圖3（a）可見，當(dāng)軌距為標(biāo)準(zhǔn)軌距時，鋼軌3個方向位移最小，其中x方向所受影響最大，寸軌的位移比標(biāo)準(zhǔn)軌距的增加了333%；各軌距y，z方向差別不大。

由圖3（b）可見，軌枕x方向位移受軌距變化影響最大，其次為y方向，z方向影響最小。當(dāng)軌距為標(biāo)準(zhǔn)軌距時，軌枕x，y方向位移最小，是由于其受鋼軌受力影響較大且與鋼軌位移變化相同導(dǎo)致的；而z方向位移隨著軌距的增加而逐漸減小，是由于軌距增加后作用于2 根鋼軌的荷載之間的相互疊加效應(yīng)減小導(dǎo)致的。標(biāo)準(zhǔn)軌距x，y，z方向的位移分別比寸軌的降低了300%，32%，11%。

由圖3（c）可見，米軌x方向道床的位移最小，而其他軌道軌距增大道床位移亦增大，標(biāo)準(zhǔn)軌距x方向道床的位移比米軌的增加了37%，但比印度寬軌的降低了28%。標(biāo)準(zhǔn)軌距y，z方向的位移最小，寸軌、印度寬軌y方向道床的位移比標(biāo)準(zhǔn)軌的分別增加了35%，9%，寸軌、印度寬軌z方向的道床位移比標(biāo)準(zhǔn)軌距的分別增加了38%，14%。

2.2 軌距對軌道部件拉應(yīng)力的影響

在列車荷載的作用下，軌道部件局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，而軌枕、道床承受拉應(yīng)力能力較弱，因此需要分析軌距對軌道部件拉應(yīng)力的影響（圖4）。

由圖4（a）可見，軌距對鋼軌3 個方向的拉應(yīng)力無影響，表明鋼軌受力主要與列車荷載有關(guān)，軌下基礎(chǔ)變化對鋼軌受力影響較小。

圖4 軌距對軌道部件拉應(yīng)力的影響

由圖4（b）可見，軌枕x方向所受拉應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)軌時最大，但與其他軌距差異較小，寸軌的拉應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的降低了3.5%，比印度寬軌僅降低了0.2%。軌枕y方向所受拉應(yīng)力隨軌距的增加而減小，且趨于平緩，寸軌y方向所受拉應(yīng)力比印度寬軌、標(biāo)準(zhǔn)軌的分別增加了59%，48%。軌枕z方向所受拉應(yīng)力隨軌距增加而逐漸增大，印度寬軌比寸軌的增加了7%，比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加了4%。

由圖4（c）可見，印度寬軌的拉應(yīng)力比寸軌的增加214%，標(biāo)準(zhǔn)軌道床x方向所受拉應(yīng)力比寸軌的增加54%。道床y方向的拉應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)軌距時最低，寸軌的拉應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加163%。標(biāo)準(zhǔn)軌z方向的拉應(yīng)力最小，寸軌與印度寬軌的道床拉應(yīng)力相同，均比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加了35%。由以上分析可知，軌道部件自上而下拉應(yīng)力受軌距變化影響逐漸增大，鋼軌拉應(yīng)力幾乎不受軌距變化影響，軌枕與道床拉應(yīng)力受軌距變化影響較大。道床受軌距變化影響超過35%。為降低線路養(yǎng)護維修工作量、延長設(shè)備使用壽命，須合理設(shè)置軌距變化處道床剛度。

2.3 軌距對壓應(yīng)力的影響

軌道部件主要承受列車壓應(yīng)力，壓應(yīng)力的變化對于軌道結(jié)構(gòu)耐久性、線路幾何形位等具有影響，因此需要分析軌距對軌道部件壓應(yīng)力的影響。計算結(jié)果表明，壓應(yīng)力主要影響沿鋼軌方向的5根軌枕，且影響面狹長；壓應(yīng)力主要影響應(yīng)力最大的5 根軌枕下方的道床，影響面積大且近似以荷載作用處為圓心擴散。

軌距對軌道部件壓應(yīng)力的影響對圖5?？梢?，鋼軌壓應(yīng)力幾乎不受軌距變化影響，軌枕壓應(yīng)力在一定程度上受軌距變化影響，道床壓應(yīng)力受軌距變化影響較大。

圖5 軌距對軌道部件壓應(yīng)力的影響

由圖5（a）可見，鋼軌3 個方向壓應(yīng)力在不同軌距時均相同，這表明鋼軌壓應(yīng)力不受軌距變化影響。

由圖5（b）可見，軌枕x方向所受壓應(yīng)力隨軌距的增加而逐漸減小，其中寸軌的軌枕壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加了37%，比印度寬軌的增加了55%。軌枕y方向所受壓應(yīng)力隨軌距的增加而略有增加，且趨于平緩，寸軌的軌枕壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的降低了1.4%。軌枕z方向所受壓應(yīng)力隨軌距增加而逐漸增大，且有增大趨勢，寸軌的軌枕壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的降低了3%，而印度寬軌的軌枕壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加了30%。

由圖5（c）可見，道床x方向壓應(yīng)力隨軌距增加而增大，印度寬軌的壓應(yīng)力比寸軌的增加了312%，寸軌的壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的降低了67%，而印度寬軌的壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加了36%。米軌道床y方向的壓應(yīng)力最低，比標(biāo)準(zhǔn)軌的降低了15%；印度寬軌y方向的壓應(yīng)力最高，比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加了27%。標(biāo)準(zhǔn)軌z方向的壓應(yīng)力最小，寸軌、印度寬軌壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌的分別增加了20%，26%。由以上分析可知，軌道部件自上而下壓應(yīng)力受軌距變化影響逐漸增大，這與軌距變化和下部基礎(chǔ)受軌枕與道床寬度增加有一定關(guān)系。軌道部件壓應(yīng)力的增加對于結(jié)構(gòu)使用壽命影響極大，為降低線路養(yǎng)護維修工作量、延長設(shè)備使用壽命，需合理設(shè)置軌距變化處軌道部件剛度的過渡問題。

3 結(jié)論

1）軌距對軌枕x方向位移影響最大，寸軌的位移比標(biāo)準(zhǔn)軌的增加300%。軌距變化對道床3 個方向的位移均有影響，寸軌的道床位移較標(biāo)準(zhǔn)軌增加值均超過30%。

2）軌距對軌枕與道床y方向拉應(yīng)力影響較大，寸軌的軌枕拉應(yīng)力、道床拉應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)軌分別增加了48%，163%。

3）軌距對軌枕壓應(yīng)力影響較小，對道床壓應(yīng)力影響較大。軌枕與道床x方向的壓應(yīng)力均受軌距變化的影響最大。寸軌的軌枕壓應(yīng)力較標(biāo)準(zhǔn)軌的降低了67%。印度寬軌的道床壓應(yīng)力比寸軌的增加312%。