CRTS Ⅰ型軌道板撥軌更換軌溫差限值研究

孟 瑋，楊新文，許玉德，張建強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué)1. 軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；3. 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所，上海200071）

在列車長(zhǎng)期荷載、環(huán)境溫度、基礎(chǔ)沉降和雨水侵入等多種因素作用下高速鐵路軌道板會(huì)產(chǎn)生一定的損傷，且維修難度較大[1]。 其中，當(dāng)軌道板出現(xiàn)裂紋、掉塊等嚴(yán)重病害時(shí)，為及時(shí)恢復(fù)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，保證高速列車的運(yùn)營(yíng)安全，需要及時(shí)更換傷損軌道板。 傳統(tǒng)的換板施工方法是對(duì)無(wú)縫長(zhǎng)鋼軌進(jìn)行切割，換板完成后重新焊接鋼軌。 因?yàn)榇嬖阡撥壡懈?、焊接等環(huán)節(jié)，不僅對(duì)更換處所鋼軌產(chǎn)生直接破壞，而且施工工序多、工期長(zhǎng)、作業(yè)人員多，在線形未全部精調(diào)到位前需限速行車，對(duì)高速鐵路正常運(yùn)營(yíng)影響較大。而不鋸軌換板作業(yè)的關(guān)鍵控制要素是流程的合理性、現(xiàn)場(chǎng)條件的可行性以及專用施工作業(yè)裝備的研發(fā)。 考核作業(yè)成功的關(guān)鍵是換板作業(yè)的效率和換板后軌道結(jié)構(gòu)的各部分復(fù)位的精準(zhǔn)性。 而在夏季高溫和冬季低溫時(shí)節(jié)，以上海地區(qū)為例，最大軌溫差達(dá)到72.4 ℃，最大溫度力能達(dá)到近800 kN[2]。 無(wú)縫線路中鋼軌的溫度力[3]會(huì)造成松開(kāi)扣件撥軌換板后鋼軌等部件不能準(zhǔn)確復(fù)位。

關(guān)于高速鐵路軌道板傳統(tǒng)更換施工技術(shù)，有學(xué)者進(jìn)行過(guò)一定的研究。 錢軍[4]結(jié)合某聯(lián)絡(luò)線1 塊CRTSⅠ型無(wú)砟軌道板的換板施工作業(yè)，通過(guò)對(duì)施工作業(yè)技術(shù)和流程的總結(jié)，歸納出在單線橋上通過(guò)鋸軌、搭建臨時(shí)作業(yè)線路、利用軌道車與平板車拆解作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道板的更換。 王有能[5]結(jié)合某城際鐵路3 塊CRTSⅠ型無(wú)砟軌道板的運(yùn)營(yíng)條件下更換軌道板的施工作業(yè)，通過(guò)對(duì)鋸軌和不鋸軌（抬軌頂升橫移新舊軌道板）兩種方案的施工工藝流程及方法進(jìn)行對(duì)比，提出了采用不鋸軌方案進(jìn)行換板施工的方法。針對(duì)不鋸軌的換板方法，王濤等[6]結(jié)合未開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的新建線路裂損軌道板的更換作業(yè)，研究了不鋸軌條件下抬軌—頂升—橫移舊軌道板更換CRTSⅠ型軌道板的施工方法， 為我國(guó)運(yùn)營(yíng)線路天窗時(shí)間內(nèi)更換軌道板提供了施工方法支撐。潘國(guó)瑞等[7]以CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，參照現(xiàn)有的無(wú)縫線路鋼軌抬軌、軌道板抬升橫移技術(shù)，采用有限元方法建立起道力學(xué)模型，分析了不同起道量和扣件松開(kāi)數(shù)量時(shí)鋼軌的受力與變形規(guī)律，提出了合理的軌道板更換的維修參數(shù)和施工工藝。 張世堂等[8]對(duì)我國(guó)高鐵客運(yùn)專線特大橋橋梁在曲線位置的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板抬軌—橫移的換板方法進(jìn)行了總結(jié)。 任娟娟等[9]在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和資料整理的基礎(chǔ)上，基于有限元方法，分別對(duì)CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的起道維修方式進(jìn)行分析，確定了起道維修的最優(yōu)松開(kāi)扣件長(zhǎng)度，明確起道作業(yè)軌溫范圍，并簡(jiǎn)述起道、換板的施工流程。 在撥軌換板這種施工工況下，尚未有過(guò)學(xué)者對(duì)鋼軌材料變形產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行研究，來(lái)確定鋼軌在換板過(guò)程中的變形之后能否在復(fù)位過(guò)程中恢復(fù)原位。

本文根據(jù)高速鐵路板式無(wú)砟軌道撥軌換板施工參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，用有限元方法分析了高速鐵路板式無(wú)砟軌道撥軌換板施工過(guò)程中， 施工軌溫與鎖定軌溫溫差對(duì)無(wú)縫線路鋼軌的變形和應(yīng)力的影響規(guī)律，為高速鐵路換板施工提供一定的參考。

1 滬寧城際換板撥軌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)撥軌試驗(yàn)

不鋸軌撥軌換板方案更換流程分準(zhǔn)備、換板施工、精調(diào)復(fù)位3 個(gè)階段。 具體流程為：首先鋼軌松開(kāi)一定數(shù)量扣件，其次用千斤頂抬起軌道后墊高鋼軌（為避免撥軌時(shí)鋼軌與軌道板和承軌臺(tái)有接觸摩擦），然后在待更換軌道板兩側(cè)的相鄰軌道板中部位置附近同時(shí)用千斤頂施加力撥道，使鋼軌產(chǎn)生橫向位移直到有足夠的空間將傷損軌道板吊出，最后進(jìn)行新軌道板吊入、復(fù)位、精調(diào)，固定扣件等操作。 第二階段的換板施工的合理性會(huì)直接影響第三階段精調(diào)復(fù)位的精確性，故針對(duì)換板施工階段的施工參數(shù)進(jìn)行研究。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)及實(shí)測(cè)結(jié)果

滬寧城際軌道結(jié)構(gòu)為CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道，換板時(shí)先松開(kāi)一定長(zhǎng)度扣件鋼軌，設(shè)置4 組墊軌工裝，用千斤頂在最內(nèi)側(cè)墊軌工裝處撥軌。 施工工裝布置如圖1 所示。

圖1 換板施工工裝布置圖Fig.1 Layout of construction tooling for plate replacement

圖1 中，撥軌試驗(yàn)作業(yè)以更換的傷損軌道板為中心兩側(cè)對(duì)稱，a，b，c，d，e 為各工裝縱向以傷損軌道板為中心從內(nèi)向外的水平距離，為結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和施工設(shè)備實(shí)際狀況并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)暫定的試驗(yàn)階段取值，該取值可使得各墊軌工裝受力大小相近。

選取滬寧城際鐵路換板撥軌試驗(yàn)中4 個(gè)有代表性的天窗期更換一塊傷損軌道板的撥軌試驗(yàn)施工參數(shù)，如表1 所示。

表1 滬寧城際撥軌試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameters of Shanghai -Nanjing Intercity Rail Transit

表1 中施工軌溫為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)鋼軌溫度，鎖定軌溫?cái)?shù)值由上海鐵路局提供。

2 高速鐵路板式軌道鋼軌—扣件系統(tǒng)有限元模型及模型驗(yàn)證

2.1 力學(xué)模型及計(jì)算參數(shù)

以我國(guó)高速鐵路CRTS Ⅰ型板式軌道采用的CHN60 鋼軌和WJ-7 型扣件為研究對(duì)象進(jìn)行有限元模型建立。

2.1.1 力學(xué)模型

采用大范圍抬撥軌方式換板時(shí)，軌道板、底座和凸型擋臺(tái)及其它軌下結(jié)構(gòu)對(duì)撥道作業(yè)中的鋼軌受力影響較小，故忽略了軌道板、底座和凸型擋臺(tái)。在抬軌-撥軌力學(xué)分析模型中只考慮鋼軌和扣件的耦合作用，將作用在鋼軌上的豎向抬軌位移和橫向撥軌位移用多個(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位移模擬，撥軌力特指千斤頂將鋼軌橫向撥動(dòng)到最大位移時(shí)對(duì)鋼軌施加的力。CRTSⅠ型軌道板的長(zhǎng)度約為5 m，根據(jù)換板施工效率和天窗時(shí)長(zhǎng)，單個(gè)天窗最多可換3 塊相鄰傷損軌道板。 力學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 力學(xué)模型圖Fig.2 Diagram of mechanical model

2.1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)京滬高速鐵路技術(shù)條件[10]，高速客運(yùn)鐵路采用的鋼軌為CHN60 鋼軌材料U71MnG 的基本力學(xué)參數(shù)為：彈性模量為210 GPa；泊松比為0.3；密度為7 800 kg/m3；熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5℃-1。

WJ-7 型扣件簡(jiǎn)化的三向彈簧剛度取值為[9]：

x 方向（縱向）剛度1.5×107N/m；

y 方向（橫向）剛度1.5×107N/m；

z 方向（垂向）剛度3.0×107N/m。

2.1.3 評(píng)價(jià)參量

鋼軌鋼材屈服極限σs=510 MPa（應(yīng)力小于該值時(shí)鋼軌不會(huì)產(chǎn)生塑性變形[11]），鋼軌局部應(yīng)力超過(guò)σs后會(huì)發(fā)生塑性變形，從而影響換板后鋼軌精調(diào)回位。 取安全系數(shù)K=1.35，在換板過(guò)程中要求鋼軌不發(fā)生塑性變形，故以屈服極限σs為安全限值除以安全系數(shù)，得鋼軌允許應(yīng)力[σ]=σs/K=377.78 MPa。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)[11]，變形最大時(shí)材料的應(yīng)力最大，材料更易受損。 在換板施工過(guò)程中，使用墊軌工裝墊高鋼軌之后，千斤頂撥軌將鋼軌撥軌橫向變形頂?shù)阶畲笾禃r(shí)鋼軌變形最大，同時(shí)鋼軌應(yīng)力最大。 故選用撥軌量最大時(shí)鋼軌應(yīng)力最大值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)確定溫差限值。

2.2 有限元模型建立

利用有限元方法建立了鋼軌—扣件系統(tǒng)力學(xué)分析模型，將鋼軌視為solid45 實(shí)體單元模型[12]，考慮重力作用，同時(shí)也考慮撥軌時(shí)墊高的鋼軌與墊軌工裝之間的摩擦力。 扣件彈簧單元選用combine14 彈簧單元，沿著底部中線建立相應(yīng)的三向剛度的彈簧來(lái)模擬扣件橫、縱、垂3 個(gè)方向上對(duì)鋼軌的約束，并且約束彈簧下端全部的6 個(gè)自由度，扣件間距取0.625 m。

根據(jù)前期建立的200 m 長(zhǎng)度鋼軌的有限元模型計(jì)算結(jié)果，撥軌狀態(tài)下未松開(kāi)扣件段的鋼軌在距離未松開(kāi)的第一個(gè)扣件位置沿鋼軌方向超過(guò)1 m 后應(yīng)力趨近于0。 為了提高模型計(jì)算效率，取鋼軌長(zhǎng)度為110 m，并將鋼軌兩端截面自由度全部約束。根據(jù)施工流程，考慮重力作用，先施加9.8 m/s2的豎直方向重力加速度，在松開(kāi)扣件處不添加combine14 彈簧單元。 接著在松開(kāi)扣件鋼軌底部對(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上施加垂向抬軌位移荷載模擬鋼軌抬升相應(yīng)的高度，隨后施加溫差荷載和在鋼軌側(cè)面對(duì)應(yīng)工況的撥軌橫向位移荷載，有限元建模過(guò)程如圖3 所示。

圖3 有限元模型圖Fig.3 Finite element model diagram

計(jì)算完成后，在施加豎向抬軌位移荷載的節(jié)點(diǎn)提取節(jié)點(diǎn)反力作為抬升鋼軌的支撐力Fz，將此支撐力Fz乘墊軌工裝與鋼軌的摩擦系數(shù)μ 作為摩擦力f，在施加橫向撥軌位移荷載的節(jié)點(diǎn)提取節(jié)點(diǎn)反力Fx，并將此節(jié)點(diǎn)反力與摩擦力代數(shù)值之和得出撥軌力Fb，即

2.3 模型驗(yàn)證

在ANSYS 有限元模型中根據(jù)表1 的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的仿真計(jì)算， 對(duì)施加抬軌和撥軌位移處提取節(jié)點(diǎn)反力，經(jīng)式（2）計(jì)算得出滬寧城際換板施工的撥道量最大時(shí)的千斤頂仿真撥軌力并與實(shí)測(cè)比對(duì)結(jié)果如表2 所示（曲線段撥軌力取內(nèi)外軌均值）。

表2 仿真與實(shí)測(cè)撥軌力Tab.2 Simulated and measured rail-lining forces

從表2 可以看出，在相同的撥道量下，仿真計(jì)算的撥軌力與實(shí)測(cè)的撥軌力相差較小，平均計(jì)算誤差為8.93%，在合理的誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明建立的鋼軌-扣件系統(tǒng)有限元模型較為準(zhǔn)確，可以使用此模型計(jì)算分析施工軌溫與鎖定軌溫溫差對(duì)撥軌量最大時(shí)的鋼軌最大應(yīng)力的影響。

3 施工軌溫與鎖定軌溫溫差對(duì)鋼軌應(yīng)力的影響分析

為分析施工軌溫與鎖定軌溫溫差對(duì)換板抬撥軌時(shí)的鋼軌最大應(yīng)力的影響規(guī)律， 利用建立的鋼軌-扣件系統(tǒng)有限元模型，計(jì)算分析了有代表性的2018 年12 月11 日直線段和2018 年12 月12 日曲線段鋼軌在表1 試驗(yàn)幾何參數(shù)下溫差在±40 ℃之間變化的應(yīng)力變化規(guī)律。

這兩次試驗(yàn)工裝布置位置相似，松開(kāi)扣件鋼軌長(zhǎng)度和工裝布置位置一致。 曲線段因內(nèi)外軌受力和變形情況有差異，故單獨(dú)對(duì)內(nèi)外軌進(jìn)行分析計(jì)算。

在有限元分析計(jì)算完成后，直線段溫差0 ℃工況下，鋼軌整體變形和細(xì)部應(yīng)力如圖4 所示。

圖4 鋼軌應(yīng)力圖Fig.4 Schematic diagram of subgrade

從圖4 可以看出， 在直線段溫差0 ℃情況下， 換板過(guò)程中鋼軌的整體變形狀況， 其中最大變形量778.329 mm 位于鋼軌中部；應(yīng)力最大值209 MPa 位于未松開(kāi)第一組扣件附近鋼軌軌頂處，即此處最易發(fā)生塑性變形破壞。

在后處理過(guò)程中列表提取各有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，將其最大值進(jìn)行提取并作如下分析。

直線段以2018 年12 月11 日凌晨滬寧城際撥軌試驗(yàn)線路為對(duì)象進(jìn)行建模， 以施工軌溫與鎖定軌溫溫差為唯一變量，負(fù)溫差表明施工軌溫低于鎖定軌溫，正溫差相反。 表3 給出了直線段溫差間隔為5 ℃時(shí)鋼軌撥軌量最大時(shí)應(yīng)力的最大值并對(duì)絕對(duì)值小于5 ℃溫差進(jìn)行間隔1 ℃的針對(duì)性計(jì)算。

表3 直線段鋼軌最大應(yīng)力Tab.3 Maximum stress of rails in straight segments

將表3 繪制成折線圖得出施工軌溫與鎖定軌溫溫差對(duì)換板撥軌最大應(yīng)力的影響，如圖5 所示。

曲線段以2018 年12 月12 日滬寧城際7 000 m 半徑曲線撥軌試驗(yàn)線路為對(duì)象進(jìn)行為建模，以溫差為唯一變量。同直線段采用相同分析方法， 得出曲線段內(nèi)外軌施工軌溫與鎖定軌溫溫差對(duì)換板撥軌最大應(yīng)力的影響折線圖，如圖6 所示。

圖5 直線段最大應(yīng)力Fig.5 Maximum stress of straight segments

圖6 曲線段內(nèi)外軌最大應(yīng)力Fig.6 Maximum stress of inner and outer rails in curved segments

從圖5，圖6 可知，相同工況下板式軌道換板施工作業(yè)中，各溫差下直線段鋼軌最大應(yīng)力低于曲線段鋼軌。 同一曲線段在施工軌溫高于鎖定軌溫時(shí)外軌最大應(yīng)力比內(nèi)軌要略大，而在施工軌溫低于鎖定軌溫時(shí)軌應(yīng)力略大于外軌。

鋼軌應(yīng)力最大值隨溫差絕對(duì)值增大而增大，基本呈線型變化規(guī)律，當(dāng)施工軌溫低于鎖定軌溫時(shí)應(yīng)力增幅更大。 直線段施工軌溫與鎖定軌溫溫差為-3 ℃時(shí)換板施工過(guò)程中鋼軌最大應(yīng)力極小值為202 MPa；曲線段內(nèi)軌施工軌溫與鎖定軌溫溫差為1 ℃時(shí)換板施工過(guò)程中鋼軌最大應(yīng)力極小值為199 MPa； 曲線段外軌施工軌溫與鎖定軌溫溫差為-4 ℃時(shí)換板施工過(guò)程中鋼軌最大應(yīng)力極小值為209 MPa。

以鋼軌允許應(yīng)力限值377.78 MPa 為依據(jù)，從圖5，圖6 中可推出施工時(shí)直線段鋼軌軌溫與鎖定軌溫溫差應(yīng)在-33.46～43.95 ℃范圍內(nèi)；曲線段內(nèi)軌軌溫與鎖定軌溫溫差應(yīng)在-23.35～42.78 ℃范圍內(nèi)；曲線段外軌軌溫與鎖定軌溫溫差應(yīng)在-25.69～39.08 ℃范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

建立了高速鐵路鋼軌—扣件結(jié)構(gòu)有限元分析模型，將仿真計(jì)算鋼軌的撥軌力和滬寧城際客運(yùn)專線的實(shí)測(cè)撥軌力數(shù)據(jù)做了對(duì)比進(jìn)行了模型驗(yàn)證，系統(tǒng)性地研究了施工軌溫與鎖定軌溫溫差作用下高速鐵路無(wú)砟軌道撥軌換板過(guò)程中鋼軌的力學(xué)特性。 主要結(jié)論如下：

1） 相同工況下板式軌道換板施工作業(yè)中，在各溫差下直線段鋼軌最大應(yīng)力低于曲線段鋼軌。 同一曲線段在施工軌溫高于鎖定軌溫時(shí)外軌最大應(yīng)力比內(nèi)軌要略大，而在施工軌溫低于鎖定軌溫時(shí)軌應(yīng)力略大于外軌。

2） 鋼軌應(yīng)力最大值隨溫差絕對(duì)值增大而增大，基本呈線型變化規(guī)律，當(dāng)施工軌溫低于鎖定軌溫時(shí)應(yīng)力增幅更大。 直線段施工軌溫與鎖定軌溫溫差為-3 ℃時(shí)換板施工過(guò)程中鋼軌最大應(yīng)力極小值為202 MPa；曲線段內(nèi)軌施工軌溫與鎖定軌溫溫差為1 ℃時(shí)換板施工過(guò)程中鋼軌最大應(yīng)力極小值為199 MPa； 曲線段外軌施工軌溫與鎖定軌溫溫差為-4 ℃時(shí)換板施工過(guò)程中鋼軌最大應(yīng)力極小值為209 MPa。

3） 由鋼軌允許應(yīng)力限值377.78 MPa 為依據(jù)，根據(jù)模型分析得出的溫差-應(yīng)力變化規(guī)律，推得施工時(shí)鋼軌軌溫與鎖定軌溫溫差的允許范圍，直線段應(yīng)在-33.46～43.95 ℃范圍內(nèi)，曲線段內(nèi)軌應(yīng)在-23.35～42.78 ℃范圍內(nèi)，曲線段外軌應(yīng)在-25.69～39.08 ℃范圍內(nèi)。

4） 采用的撥軌換板施工方法旨在高效安全更換軌道板并避免傳統(tǒng)鋸軌換板造成的鋼軌焊接處的殘余應(yīng)力。 而溫度力對(duì)鋼軌變形及應(yīng)力影響很大，對(duì)軌溫差進(jìn)行分析可以確保在寒暑季節(jié)鋼軌起道撥道過(guò)程中的力學(xué)性能安全，以保證換板后線型的準(zhǔn)確恢復(fù)。 分析了直線段和半徑7 000 m 曲線段的鋼軌，對(duì)于高速鐵路上各種線型的換板施工還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)狀況，采用合適的施工參數(shù)和方法，從而實(shí)現(xiàn)板式軌道大修不鋸軌換板施工方法的安全高效。