鋼管混凝土軌枕凹槽尺寸優(yōu)化設計研究

馮利坡，閆亞飛，李啟航,3

(1. 金華軌道交通集團有限公司，浙江金華 321000；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；3. 中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075)

鋼管混凝土軌枕采用鋼管混凝土構(gòu)件來連接混凝土軌枕塊，既具有良好的軌道幾何形位保持能力，又能減輕軌枕重量、降低結(jié)構(gòu)造價[1-3]，可應用于城市軌道交通和市域鐵路。目前，已應用于鄭許市域鐵路，后期將進一步在臺州市域、溫州市域、滁寧城際等項目推廣應用。為保證道床結(jié)構(gòu)的整體性，加強軌枕塊與道床結(jié)合能力，在軌枕側(cè)面設計凹槽結(jié)構(gòu)，施工過程中現(xiàn)澆混凝土進入凹槽。凹槽尺寸設計合理與否將影響軌枕在溫度荷載和列車荷載的作用下受力。為研究其尺寸取值存在合理范圍，使得軌枕受力最小，有必要對軌枕塊凹槽尺寸和位置進行計算分析，從而確定凹槽尺寸的最優(yōu)解。目前，國內(nèi)外相關(guān)學者已對雙塊式軌枕進行了大量研究。其中，KANG等[4-5]針對軌枕塊混凝土的組成材料進行了優(yōu)化，提高了雙塊式軌枕的承載能力。DAI 等[6]基于車輛-軌道耦合動力學，建立車輛-軌道-路基垂向耦合模型，對不同軌枕間距對軌道結(jié)構(gòu)動力響應的影響進行了分析。CHEN 等[7]以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，研究了軌道結(jié)構(gòu)尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)對無砟軌道受力性能的影響。劉玉祥等[8]借鑒高速鐵路雙塊式軌枕的技術(shù)經(jīng)驗，結(jié)合城市軌道交通工程的實際情況，提出合理的鋼筋桁架軌枕結(jié)構(gòu)形式尺寸及設計技術(shù)要求。王建輝等[9]以雙塊式軌枕施工為例，從混凝土配合比和養(yǎng)護等方面分析了軌枕擋肩裂紋出現(xiàn)的原因，并制定出針對性措施。高增增[10]針對雙塊式軌枕提出技術(shù)合理經(jīng)濟性好的優(yōu)化設計方案，并與傳統(tǒng)雙塊式無砟軌道在荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力進行計算對比分析，為優(yōu)化設計方案提供了理論指導。袁振華[11]針對雙塊式軌枕病害，對混凝土配合比進行了優(yōu)化并闡述了其熱損作用機制。褚衛(wèi)松[12]針對蘭州至烏魯木齊第二雙線，結(jié)合沿線氣候特點造成的病害，提出加高承軌臺等措施，解決了氣候?qū)﹄p塊式軌枕帶來的不利影響。楊斌[13]以蘭新二線路基雙塊式無砟軌道為工程背景，通過理論分析與現(xiàn)場試驗研究，確定了雙塊式無砟軌道的溫度適應范圍，并對其進行優(yōu)化設計。孫立[14]通過對我國現(xiàn)有的軌道結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)系統(tǒng)比較，推薦市域鐵路宜鋪設雙塊式無砟軌道。以上文獻通過開展試驗和理論計算對雙塊式軌枕進行優(yōu)化設計，并對軌枕受力性能進行研究。鋼管混凝土軌枕是近期研發(fā)的一種新型軌枕，其凹槽設計尺寸與位置設計合理與否直接影響軌枕塊的受力狀態(tài)以及與道床板的結(jié)合性能，關(guān)系到無砟軌道的服役性能和疲勞壽命?；诖耍疚耐ㄟ^建立有限元分析模型，對CFT 軌枕中凹槽的長度、寬度、深度尺寸及凹槽端部與軌枕端部、凹槽底部與軌枕底部的距離進行計算分析，確定凹槽尺寸及位置的取值范圍，從而提高軌枕與道床的黏結(jié)性能，為CFT 軌枕的結(jié)構(gòu)設計提供參考。

1 計算分析模型

1.1 軌枕方案

如圖1所示，鋼管混凝土軌枕塊長寬高分別為653，314和190 mm，鋼管混凝土構(gòu)件長1 750 mm，外徑42 mm，壁厚3 mm，內(nèi)徑36 mm，管內(nèi)灌注自密實混凝土材料。為研軌枕凹槽的長度、寬度、深度的尺寸及凹槽端部與軌枕端部距離、凹槽底面與軌枕底面距離的合理值，分別設置不同工況(見表1)進行計算分析，從而得到凹槽的合理尺寸及位置，優(yōu)化軌枕塊的受力與設計。

表1 計算工況Table 1 Working condition of calculation

圖1 CFT軌枕尺寸Fig.1 CFT sleeper size drawing

1.2 有限元計算模型

有限元模型中，主要建立部件有：鋼軌、鋼管混凝土軌枕、道床板和支承層，均采用實體模型。其中，鋼管采用Q235 鋼材，軌枕塊采用C60混凝土，道床板和底座均采用C40混凝土材料，鋼管灌注抗壓強度達到60 MPa 的自密實砂漿材料，計算參數(shù)如表2所示。

表2 模型主要計算參數(shù)Table 2 Model mainly calculates parameters

建立的有限元模型如圖2 所示。其中，鋼軌、CFT 軌枕和道床板均采用C3D8R 實體單元模擬。道床板尺寸借鑒CRTS 雙塊式無砟軌道，板長為4.88 m，寬為2.8 m，厚度為0.34 m，扣件間距為0.625 m。為準確分析受力情況，同時保證較高的計算效率，選擇3塊道床板長度進行建模，模型總長度為14.88 m，取中間道床板和軌枕為研究對象。

圖2 CFT軌枕無砟軌道有限元模型Fig.2 Finite element model of CFT sleeper ballastless track

鋼管混凝土軌枕混凝土塊部分與道床板接觸部分設置摩擦，鋼管混凝土部分直接嵌入至道床板中。

根據(jù)《市域鐵路設計規(guī)范》[15]，列車荷載主要考慮豎、橫向列車荷載，溫度荷載主要考慮正負溫度梯度。其中，靜輪載取為170 kN，豎向荷載取為3 倍靜輪載，橫向荷載取為0.8 倍靜輪載；正溫度梯度取為90 ℃/m，負溫度梯度取為45 ℃/m。

2 計算分析

本節(jié)基于所建立的有限元模型，分析了在列車荷載和溫度荷載同時作用下，凹槽尺寸和位置工況對CFT軌枕和道床板的受力性能的影響。

2.1 凹槽尺寸計算分析

針對凹槽尺寸工況，主要從凹槽長度、寬度和深度3個方面進行分析。

2.1.1 凹槽長度

為消除邊界效應，在對凹槽和道床板進行受力分析時，選取模型中間位置處的軌枕凹槽及對應的道床板，如圖3所示。

圖3 凹槽位置軌枕和道床板分析區(qū)域Fig.3 Groove position sleeper and track bed board analysis area

當凹槽長度、寬度、深度、端部距離和底部距離分別為360，55，25，133 和50 mm 時，在列車荷載和溫度梯度作用下，凹槽位置的軌枕塊和道床板最大主應力分布情況如圖4所示。

圖4 凹槽位置軌枕塊和道床板應力分布Fig.4 Stress distribution diagram of sleeper block and bed slab in groove position

由圖4可知，在列車荷載和溫度梯度荷載同時作用下，凹槽位置的軌枕塊和道床板最大應力均位于中間位置，見圖3，且正溫度梯度作用下的應力大于負溫度梯度作用。

針對凹槽長度，設置100，200，300，320，340，360，380，400 和500 mm 的工況。在列車荷載和溫度梯度荷載作用下，凹槽長度對凹槽位置軌枕塊和道床板受力的影響如圖5所示。

由圖5可知，正、負溫度梯度作用下，凹槽位置的軌枕塊和道床板應力值隨長度變化的趨勢均相同，且軌枕塊的應力最大值和平均值均大于道床板。當凹槽長度值在300～340 mm 范圍時，軌枕塊和道床板的應力值均較小。

圖5 凹槽長度對軌枕塊和道床板受力的影響Fig.5 Effect of groove length on the forces acting on sleeper block and slab

2.1.2 凹槽寬度

針對凹槽寬度，設置10，35，45，50，55，60，65，80，100 和150 mm 的工況。此時，凹槽長度、深度、端部距離和底部距離保持不變，分別取為340，25，133 和50 mm。在列車荷載和溫度梯度荷載作用下，軌枕塊凹槽長度對凹槽位置受力的影響如圖6所示。

由圖6可知，正、負溫度梯度作用下，與長度工況相同，軌枕塊應力的平均值和最大值均大于道床板，當凹槽寬度在55～65 mm 范圍時，軌枕塊和道床板應力均較小。

圖6 凹槽寬度對軌枕塊和道床板受力的影響Fig.6 Effect of groove width on the forces acting on sleeper block and slab

2.1.3 凹槽深度

針對凹槽深度，設置10，15，20，25，30，40 和60 mm 的工況。此時，凹槽長度、寬度、端部距離和底部距離保持不變，分別取為340，55，133 和50 mm。在列車荷載和溫度梯度荷載作用下，軌枕塊凹槽長度對凹槽位置受力的影響如圖7所示。

由圖7可知，正、負溫度梯度作用下，軌枕塊應力的平均值和最大值均大于道床板，當凹槽深度在20～25 mm 范圍時，軌枕塊和道床板應力均較小。

圖7 凹槽深度對軌枕和道床板受力的影響Fig.7 Effect of groove depth on the forces acting on sleeper block and slab

2.2 凹槽位置計算分析

2.2.1 凹槽端部與軌枕端部距離

針對凹槽端部與軌枕端部距離，由于凹槽一直位于軌枕中心，因此隨著凹槽長度的增加而減小。基于凹槽長度的工況，端部距離設置63，113，123，133，143，153，163，213 和263 mm的工況。此時，凹槽長度、寬度、深度、端部距離和底部距離保持不變，分別取為360，55，25，133 和50 mm 時，在列車荷載和溫度梯度荷載作用下，軌枕塊凹槽端部與軌枕端部距離對凹槽位置受力的影響如圖8所示。

由圖8可知，正、負溫度梯度作用下，軌枕塊應力的平均值和最大值均大于道床板，當凹槽端部與軌枕端部距離值在143～163 mm 范圍時，軌枕塊和道床板應力均較小。

圖8 凹槽端部與軌枕端部距離對凹槽和道床板受力的影響Fig.8 Effect of the distance between groove end and sleeper end on the forces acting on groove and slab

2.2.2 凹槽底面與軌枕底面距離

針對凹槽底面與軌枕底面距離，設置10，20，30，40，50，60 和80 mm 的工況。此時，凹槽長度、寬度、深度和端部距離保持不變，分別取為340，55，25 和133 mm。在列車荷載和溫度梯度荷載作用下，軌枕塊凹槽底面與軌枕底面距離對凹槽位置受力的影響如圖9所示。

圖9 凹槽底面與軌枕底面距離對軌枕和道床板受力的影響Fig.9 Effect of the distance between groove bottom and sleeper bottom on the forces acting on groove and slab

由圖9可知，正、負溫度梯度作用下，軌枕塊應力的平均值和最大值均大于道床板，當凹槽底面與軌枕底面距離值在40～50 mm 范圍時，軌枕塊和道床板應力均較小。

3 結(jié)論

1) CFT 軌枕凹槽的長度、寬度、深度和凹槽端部與軌枕端部距離、凹槽底面與軌枕底面距離的不同，會對軌枕塊和道床板受力性能產(chǎn)生影響。

2)對于凹槽尺寸，長度范圍取300～340 mm，寬度范圍取55～65 mm，深度范圍取20～25 mm時，軌枕塊和道床板受力較小。

3) 對于凹槽位置，端部與軌枕端部距離范圍取為143～163 mm，底面與軌枕底面距離范圍取為40～50 mm時，軌枕塊和道床板受力較小。