彈性軌枕對(duì)重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)受力及變形特征的影響

尤瑞林 許良善 吉克 鐘源明 郭林泉

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司，太原030013；4.中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司，南寧530000

彈性軌枕是指在混凝土軌枕底部粘貼彈性墊板而形成的具有一定彈性的軌枕結(jié)構(gòu)［1-2］。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究［3-6］表明，有砟軌道結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)彈性軌枕可減輕列車荷載對(duì)軌道下部基礎(chǔ)的振動(dòng)沖擊，并將列車荷載傳遞至縱向更大范圍。另外，彈性軌枕可增大軌枕底面與道砟的接觸面積，從而減緩道砟粉化，延長(zhǎng)道床養(yǎng)護(hù)維修周期［7-8］。

建設(shè)和發(fā)展重載鐵路是我國(guó)鐵路運(yùn)輸“提質(zhì)增效”的重要方向［9-10］，但重載鐵路列車軸重大、運(yùn)量高、沖擊效應(yīng)顯著，容易導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)傷損增加，線路設(shè)備病害發(fā)生和發(fā)展速度加快［11］。在重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)彈性軌枕是一種較優(yōu)的選擇［12］。目前我國(guó)對(duì)重載鐵路應(yīng)用彈性軌枕后軌道結(jié)構(gòu)受力和變形特征的研究還有待深入。本文建立我國(guó)典型重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，以常用的C80貨車作為外荷載輸入，分析彈性軌枕對(duì)重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)受力和變形特征的影響。研究成果可為彈性軌枕技術(shù)的深化研究提供參考，為改善重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)的整體技術(shù)提供借鑒。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 模型的建立

模型中鋼軌采用彈性點(diǎn)支承梁模擬，扣件采用線性彈簧模擬，混凝土軌枕、枕下墊板、道床及下部基礎(chǔ)均采用實(shí)體單元模擬，列車荷載按照實(shí)際工況在鋼軌上施加。模型中軌道結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)約25 m，共計(jì)36根軌枕。模型中間位置加載重載列車。按重載列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)中軌道結(jié)構(gòu)配置建立有限元計(jì)算模型，見圖1。

圖1 有限元計(jì)算模型

1.2 參數(shù)的確定

采用75 kg/m鋼軌，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3。軌枕按Ⅲ型混凝土軌枕考慮，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C60，彈性模量取36 GPa，泊松比取0.2；軌枕間距600 mm，枕下墊板沿軌枕長(zhǎng)度方向通長(zhǎng)設(shè)置。扣件節(jié)點(diǎn)垂向剛度取140 kN/mm。道床厚300 mm，頂面寬3.3 m，坡度為1∶1.75，彈性模量取200 MPa，泊松比取0.27。路基厚2.5 m，寬5.0 m，彈性模量取180 MPa，泊松比取0.25。列車荷載考慮C80貨車，按照兩節(jié)車廂的相鄰轉(zhuǎn)向架之間的距離在模型中部施加集中荷載，如圖2所示。

圖2 列車荷載圖式

2 計(jì)算結(jié)果與分析

枕下墊板剛度在40～300 kN/mm取值，列車荷載按照C80貨車、軸重25 t、動(dòng)載系數(shù)1.5施加，計(jì)算分析不同枕下墊板剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)及部件的受力及變形特征的影響。

2.1 列車荷載下軌道部件的受力和變形

枕下墊板剛度為140 kN/mm時(shí)列車荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)部件受力計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 枕下墊板剛度為140 kN/mm時(shí)列車荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)部件受力計(jì)算結(jié)果

由圖3可以看出：①鋼軌受力最大位置出現(xiàn)在列車荷載作用處，最大彎矩為33.54 kN·m。②受力最大的軌枕也出現(xiàn)在列車荷載作用處，軌下截面為正彎矩（枕頂面受壓、枕底面受拉），枕中截面為負(fù)彎矩（枕頂面受拉、枕底面受壓）。經(jīng)積分計(jì)算得到，軌下截面正彎矩最大值為6.95 kN·m，枕中截面負(fù)彎矩最大值為-1.48 kN·m。③列車荷載作用下道床頂面最大垂向壓應(yīng)力為0.232 MPa，小于道床的容許壓應(yīng)力0.500 MPa。④列車荷載作用下基底最大垂向應(yīng)力最大值很小，僅為3.6 kPa。

枕下墊板剛度為140 kN/mm時(shí)列車荷載作用下軌道部件的垂向位移見圖4。

圖4 枕下墊板剛度為140 kN/mm時(shí)列車荷載作用下軌道部件的垂向位移（單位：mm）

由圖4可以看出：①C80貨車相鄰車廂4軸加載情況下軌道結(jié)構(gòu)垂向位移在各軸之間產(chǎn)生一定的疊加效應(yīng)；②鋼軌、軌枕最大垂向位移分別為1.30、0.77 mm；③列車荷載作用下鋼軌下方軌枕底部道床分擔(dān)的荷載大于軌枕中部，故道床最大垂向位移出現(xiàn)在鋼軌下方軌枕底部，其值為0.33 mm；④由于道床的緩沖作用，列車荷載作用下基底垂向位移較小，最大值僅0.004 mm。

2.2 枕下墊板剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)部件受力和變形的影響

枕下墊板剛度在40～300 kN/mm變化時(shí)，列車荷載作用下軌道部件受力和變形情況見圖5?？芍孩黉撥壌瓜蛭灰齐S枕下墊板剛度增大而逐漸減小。對(duì)于C80貨車，枕下墊板剛度在40～300 kN/mm變化時(shí)鋼軌的最大垂向位移在1.0～2.2 mm。②枕下墊板剛度小于140 kN/mm時(shí)，鋼軌支點(diǎn)反力、道床和基底的壓應(yīng)力以及道床垂向位移均隨枕下墊板剛度增大而逐漸增大，墊板剛度進(jìn)一步增大時(shí)這些指標(biāo)增大不顯著。③枕下墊板剛度小于140 kN/mm時(shí)，枕中截面負(fù)彎矩隨墊板剛度增大而不斷減小，但枕下墊板剛度進(jìn)一步增大時(shí)軌枕彎矩的變化不大。④針對(duì)重載鐵路，枕下墊板剛度在70～100 kN/mm取值既可控制鋼軌垂向位移不超過1.8 mm，又可降低軌道部件受力，從而達(dá)到減少養(yǎng)護(hù)維修工作量的目的。

圖5 枕下墊板剛度在40～300 kN/mm變化時(shí)軌道結(jié)構(gòu)部件受力和變形情況

2.3 道床厚度對(duì)彈性軌枕與普通軌枕軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形的影響

為進(jìn)一步分析枕下墊板對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)受力及變形的影響，設(shè)定不同的道床厚度，對(duì)比分析彈性軌枕與普通軌枕軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形特點(diǎn)。軌道及列車荷載參數(shù)同上，其中彈性軌枕枕下墊板剛度取80 kN/mm。

道床厚度在240～400 mm變化時(shí)兩種軌道結(jié)構(gòu)部件的受力和變形情況見圖6。

圖6 道床厚度在240～400 mm變化時(shí)兩種軌道結(jié)構(gòu)部件的受力和變形情況

由圖6可以看出：①在相同道床厚度條件下鋪設(shè)彈性軌枕地段鋼軌垂向位移明顯大于鋪設(shè)普通軌枕地段，但鋼軌支點(diǎn)反力有所降低。枕底道床厚度為300 mm時(shí)，鋪設(shè)普通軌枕地段鋼軌最大垂向位移為0.88 mm，鋼軌支點(diǎn)反力為74.3 kN，而鋪設(shè)彈性軌枕地段鋼軌最大垂向位移為1.57 mm，鋼軌支點(diǎn)反力為67.9 kN。鋼軌最大垂向位移增大了78.4%，鋼軌支點(diǎn)反力減小了8.6%。②鋪設(shè)彈性軌枕地段道床垂向位移大于鋪設(shè)普通軌枕地段，但道床壓應(yīng)力有所降低。枕底道床厚度為300 mm時(shí)，鋪設(shè)普通軌枕地段道床最大垂向位移為0.27 mm、最大壓應(yīng)力為0.22 MPa，而鋪設(shè)彈性軌枕地段道床最大垂向位移為0.31 mm、最大壓應(yīng)力為0.21 MPa。道床最大垂向位移增加了14.8%，最大壓應(yīng)力減小了4.5%。③設(shè)置枕下墊板后，軌枕彎矩小于普通軌枕，尤其對(duì)枕中截面負(fù)彎矩的降低效果明顯。枕底道床厚度為300 mm時(shí)，普通軌枕軌下截面正彎矩最大值為7.31 kN·m、枕中截面負(fù)彎矩最大值為-4.33 kN·m，而彈性軌枕軌下截面正彎矩最大值為6.75 kN·m、枕中截面負(fù)彎矩最大值為-2.54 kN·m。前者降低了7.7%，后者降低了41.3%。

3 結(jié)論

1）枕下墊板剛度對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)受力和變形影響較大。枕下墊板剛度在40～300 kN/mm變化時(shí)鋼軌的垂向位移隨枕下墊板剛度增大而逐漸減??；枕下墊板剛度小于140 kN/mm時(shí)，鋼軌支點(diǎn)反力、道床與基底的壓應(yīng)力以及道床垂向位移均隨枕下墊板剛度增大而逐漸增大，墊板剛度進(jìn)一步增大時(shí)這些指標(biāo)增大不顯著。

2）對(duì)于重載鐵路，枕下墊板剛度在70～100 kN/mm取值既可控制鋼軌垂向位移不超過1.8 mm，又可降低軌道部件的受力，從而達(dá)到減少養(yǎng)護(hù)維修工作量的目的。

3）相同道床厚度條件下鋪設(shè)彈性軌枕地段鋼軌、道床垂向位移大于鋪設(shè)普通軌枕地段，而鋼軌支點(diǎn)反力、道床壓應(yīng)力和軌枕彎矩有所降低。其中鋼軌支點(diǎn)反力降低了8.6%、道床最大壓應(yīng)力降低了4.5%、枕中截面負(fù)彎矩降低了41.3%。

總體來看，對(duì)于重載鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)，在混凝土軌枕底部設(shè)置彈性墊板的本質(zhì)就是通過增加軌道部件的變形來減輕軌道部件的受力。因此，對(duì)于重載鐵路，只要有砟軌道彈性軌枕結(jié)構(gòu)彈性墊板剛度設(shè)置合理，控制軌道結(jié)構(gòu)變形在合理范圍內(nèi)，即可減輕軌道部件受力，延長(zhǎng)道床養(yǎng)護(hù)維修周期。