重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

王 會(huì) 永

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貨物運(yùn)輸需求不斷提升，中國(guó)重載鐵路的發(fā)展正進(jìn)入一個(gè)以提高車輛軸重為特征的新階段[1]。國(guó)內(nèi)外重載鐵路大多采用有砟軌道結(jié)構(gòu)[2]。有砟軌道維修工作頻繁，天窗兌現(xiàn)率低，特別是在長(zhǎng)大隧道內(nèi)，作業(yè)空間小，軌道維修更加困難。而無砟軌道結(jié)構(gòu)則具有維修工作量小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、連續(xù)性和平順性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)工程建設(shè)實(shí)際，本文對(duì)重載鐵路隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道和長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道進(jìn)行靜力學(xué)分析，為重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)選型提供一定理論依據(jù)。

1 無砟軌道實(shí)體有限元模型

基于有限元理論，利用ABAQUS軟件建立彈性支承塊式和長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，如圖1所示。兩種軌道結(jié)構(gòu)模型均為實(shí)體單元建模，其中鋼軌為75 kg/m重型鋼軌，采用彈簧單元模擬WJ-8A型扣件，橫、垂向彈簧為線性單元，縱向彈簧為非線性單元；道床采用C40混凝土，寬2 800 mm，厚300 mm。彈性支承塊式結(jié)構(gòu)采用SK-2型軌枕，尺寸為長(zhǎng)844 mm，寬273 mm，高170 mm。側(cè)面橡膠厚度為7 mm，底面為12 mm，彈性模量取3 MPa。長(zhǎng)枕套靴式結(jié)構(gòu)軌枕采用C60混凝土，長(zhǎng)2 800 mm，寬297 mm，高175 mm；側(cè)邊橡膠套靴厚7 mm，塊下橡膠厚12 mm，兩側(cè)軌枕下部套靴的支承寬度為780 mm，彈性模量取3 MPa。

2 軌道結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

本文對(duì)車輛垂、橫向荷載、隧道洞口溫度梯度荷載作用下的彈性支承塊式和長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)對(duì)比分析。

2.1 靜力荷載取值

2.1.1車輛荷載取值

車輛荷載采用單軸雙輪加載模式。對(duì)于重載無砟軌道，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載取值如下：

豎向設(shè)計(jì)荷載Pd為:

Pd=α·Pj

(1)

其中，Pj為靜輪載；α為動(dòng)載系數(shù)，25 t軸重時(shí)取2.5，其他取3.0。

橫向設(shè)計(jì)荷載Q為:

Q=0.8Pj

(2)

2.1.2隧道洞口溫度梯度

根據(jù)觀測(cè)，冬季隧道內(nèi)的軌溫比隧道外高約17 ℃，夏季比隧道外低約20 ℃。本文選取隧道內(nèi)外最大溫差20 ℃，線性分布于隧道洞口附近40 m范圍內(nèi)，如圖2所示。

2.2 車輛荷載作用下的力學(xué)特性

2.2.1垂向車輛荷載作用

對(duì)兩種軌道結(jié)構(gòu)施加不同軸重的垂向荷載計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，各計(jì)算指標(biāo)隨著軸重的增加均明顯增大。35 t軸重下彈性支承塊式和長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道的軌枕塊最大拉應(yīng)力分別為0.93 MPa，1.56 MPa，小于C60混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度極限值3.50 MPa。道床最大拉應(yīng)力分別為1.37 MPa,1.53 MPa，小于C40素混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度極限值2.70 MPa。

對(duì)比兩種軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形，可知在相同軸重的垂向荷載作用下，彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)的軌枕塊、道床應(yīng)力小于長(zhǎng)枕套靴式，鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力差別不大。彈性支承塊式軌道的鋼軌、軌枕塊位移均大于長(zhǎng)枕套靴式，說明長(zhǎng)枕套靴式結(jié)構(gòu)的限位能力較好。兩種軌道結(jié)構(gòu)的道床板垂向位移均較小。

表1 垂向荷載作用下靜力計(jì)算結(jié)果

2.2.2橫向車輛荷載作用

對(duì)兩種軌道結(jié)構(gòu)施加不同軸重的橫向荷載計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，各計(jì)算指標(biāo)均隨著軸重的增加明顯增大。35 t軸重下彈性支承塊式和長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道的軌枕塊的縱橫向拉應(yīng)力比較大，最大拉應(yīng)力分別為3.67 MPa，4.90 MPa，已經(jīng)超過C60素混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度極限值3.5 MPa，考慮到實(shí)際工程中軌枕塊采用的是配有鋼筋的C60預(yù)應(yīng)力混凝土，且允許軌枕塊帶裂縫工作，故此種狀況在實(shí)際中是允許的。道床最大拉應(yīng)力分別為0.82 MPa,0.92 MPa，小于C40素混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度極限值2.70 MPa。

對(duì)比兩種軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形，可知在相同軸重的垂向荷載作用下，彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)的軌枕塊、道床應(yīng)力小于長(zhǎng)枕套靴式。彈性支承塊式軌道的鋼軌位移大于長(zhǎng)枕套靴式，說明長(zhǎng)枕套靴式結(jié)構(gòu)對(duì)鋼軌的限位能力較好。長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道軌枕塊橫向位移較大，達(dá)到0.81 mm。

表2 橫向荷載作用下靜力計(jì)算結(jié)果

2.3 隧道口溫度梯度作用下的力學(xué)特性

隧道洞口溫度梯度荷載作用下，彈性支承塊式、長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，在溫度梯度荷載作用下，彈性支承塊式和長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移均較小，其中長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道縱向限位能力稍差，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力也稍大。

表3 受隧道口溫度梯度作用下計(jì)算結(jié)果

綜合以上分析，彈性支承塊式無砟軌道與長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道的受力變形規(guī)律類似，并且在軌枕塊、道床拉應(yīng)力等指標(biāo)上，彈性支承塊式無砟軌道都優(yōu)于長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用較少，彈性支承塊式無砟軌道已在蘭新二線烏鞘嶺隧道、西康線秦嶺隧道等客貨混運(yùn)線路成功應(yīng)用。根據(jù)調(diào)研情況，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)在隧道基地穩(wěn)固地段應(yīng)用情況良好，是一種較為成熟的結(jié)構(gòu)形式。因此，在重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)宜優(yōu)先鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道。

3 結(jié)語

本文對(duì)彈性支承塊式無砟軌道與長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道施加車輛垂向荷載、橫向荷載、隧道洞口溫度梯度荷載，分析了兩種無砟軌道的靜力學(xué)特性，結(jié)論如下：

1)各靜力學(xué)計(jì)算指標(biāo)隨車輛軸重增加而明顯增大。垂向車輛荷載作用下，兩種軌道結(jié)構(gòu)均滿足要求；橫向車輛荷載作用下，考慮實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力混凝土帶裂縫工作，兩種軌道結(jié)構(gòu)均可滿足要求，不會(huì)發(fā)生破壞。在軌枕塊、道床拉應(yīng)力等指標(biāo)上，彈性支承塊式無砟軌道都優(yōu)于長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

2)隧道洞口溫度梯度荷載作用下，兩種無砟軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移均較小，長(zhǎng)枕套靴式無砟軌道縱向限位能力稍差，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力也稍大，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)性能略有優(yōu)勢(shì)。

3)結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)于重載鐵路長(zhǎng)大隧道，彈性支承塊式無砟軌道應(yīng)用較多，是一種較為成熟的結(jié)構(gòu)。因此，在重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)宜優(yōu)先鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道。