鋼管混凝土軌枕凹槽尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

馮利坡，閆亞飛，李啟航,3

(1. 金華軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江金華 321000；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；3. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)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(jià)[1-3]，可應(yīng)用于城市軌道交通和市域鐵路。目前，已應(yīng)用于鄭許市域鐵路，后期將進(jìn)一步在臺(tái)州市域、溫州市域、滁寧城際等項(xiàng)目推廣應(yīng)用。為保證道床結(jié)構(gòu)的整體性，加強(qiáng)軌枕塊與道床結(jié)合能力，在軌枕側(cè)面設(shè)計(jì)凹槽結(jié)構(gòu)，施工過程中現(xiàn)澆混凝土進(jìn)入凹槽。凹槽尺寸設(shè)計(jì)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(duì)軌枕塊凹槽尺寸和位置進(jìn)行計(jì)算分析，從而確定凹槽尺寸的最優(yōu)解。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對(duì)雙塊式軌枕進(jìn)行了大量研究。其中，KANG等[4-5]針對(duì)軌枕塊混凝土的組成材料進(jìn)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(dòng)力學(xué)，建立車輛-軌道-路基垂向耦合模型，對(duì)不同軌枕間距對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)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(duì)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(yàn)，結(jié)合城市軌道交通工程的實(shí)際情況，提出合理的鋼筋桁架軌枕結(jié)構(gòu)形式尺寸及設(shè)計(jì)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(hù)等方面分析了軌枕擋肩裂紋出現(xiàn)的原因，并制定出針對(duì)性措施。高增增[10]針對(duì)雙塊式軌枕提出技術(shù)合理經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供了理論指導(dǎo)。袁振華[11]針對(duì)雙塊式軌枕病害，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化并闡述了其熱損作用機(jī)制。褚衛(wèi)松[12]針對(duì)蘭州至烏魯木齊第二雙線，結(jié)合沿線氣候特點(diǎn)造成的病害，提出加高承軌臺(tái)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(chǎng)試驗(yàn)研究，確定了雙塊式無砟軌道的溫度適應(yīng)范圍，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。孫立[14]通過對(duì)我國(guó)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(shè)雙塊式無砟軌道。以上文獻(xiàn)通過開展試驗(yàn)和理論計(jì)算對(duì)雙塊式軌枕進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)軌枕受力性能進(jìn)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(shè)計(jì)尺寸與位置設(shè)計(jì)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?，本文通過建立有限元分析模型，對(duì)CFT 軌枕中凹槽的長(zhǎng)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(jìn)行計(jì)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(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)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(zhǎng)寬高分別為653，314和190 mm，鋼管混凝土構(gòu)件長(zhǎng)1 750 mm，外徑42 mm，壁厚3 mm，內(nèi)徑36 mm，管內(nèi)灌注自密實(shí)混凝土材料。為研軌枕凹槽的長(zhǎng)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(shè)置不同工況(見表1)進(jìn)行計(jì)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(shè)計(jì)。

表1 計(jì)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(jì)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(shí)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(qiáng)度達(dá)到60 MPa 的自密實(shí)砂漿材料，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 模型主要計(jì)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(shí)體單元模擬。道床板尺寸借鑒CRTS 雙塊式無砟軌道，板長(zhǎng)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(zhǔn)確分析受力情況，同時(shí)保證較高的計(jì)算效率，選擇3塊道床板長(zhǎng)度進(jìn)行建模，模型總長(zhǎng)度為14.88 m，取中間道床板和軌枕為研究對(duì)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(shè)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(shè)計(jì)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(fù)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(fù)溫度梯度取為45 ℃/m。

2 計(jì)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(shí)作用下，凹槽尺寸和位置工況對(duì)CFT軌枕和道床板的受力性能的影響。

2.1 凹槽尺寸計(jì)算分析

針對(duì)凹槽尺寸工況，主要從凹槽長(zhǎng)度、寬度和深度3個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1.1 凹槽長(zhǎng)度

為消除邊界效應(yīng)，在對(duì)凹槽和道床板進(jìn)行受力分析時(shí)，選取模型中間位置處的軌枕凹槽及對(duì)應(yīng)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(dāng)凹槽長(zhǎng)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(shí)，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(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 凹槽位置軌枕塊和道床板應(yīng)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(shí)作用下，凹槽位置的軌枕塊和道床板最大應(yīng)力均位于中間位置，見圖3，且正溫度梯度作用下的應(yīng)力大于負(fù)溫度梯度作用。

針對(duì)凹槽長(zhǎng)度，設(shè)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(zhǎng)度對(duì)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(fù)溫度梯度作用下，凹槽位置的軌枕塊和道床板應(yīng)力值隨長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)均相同，且軌枕塊的應(yīng)力最大值和平均值均大于道床板。當(dāng)凹槽長(zhǎng)度值在300～340 mm 范圍時(shí)，軌枕塊和道床板的應(yīng)力值均較小。

圖5 凹槽長(zhǎng)度對(duì)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(duì)凹槽寬度，設(shè)置10，35，45，50，55，60，65，80，100 和150 mm 的工況。此時(shí)，凹槽長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)凹槽位置受力的影響如圖6所示。

由圖6可知，正、負(fù)溫度梯度作用下，與長(zhǎng)度工況相同，軌枕塊應(yīng)力的平均值和最大值均大于道床板，當(dāng)凹槽寬度在55～65 mm 范圍時(shí)，軌枕塊和道床板應(yīng)力均較小。

圖6 凹槽寬度對(duì)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(duì)凹槽深度，設(shè)置10，15，20，25，30，40 和60 mm 的工況。此時(shí)，凹槽長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)凹槽位置受力的影響如圖7所示。

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

圖7 凹槽深度對(duì)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(jì)算分析

2.2.1 凹槽端部與軌枕端部距離

針對(duì)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(zhǎng)度的增加而減小?；诎疾坶L(zhǎng)度的工況，端部距離設(shè)置63，113，123，133，143，153，163，213 和263 mm的工況。此時(shí)，凹槽長(zhǎng)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(shí)，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(duì)凹槽位置受力的影響如圖8所示。

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

圖8 凹槽端部與軌枕端部距離對(duì)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(duì)凹槽底面與軌枕底面距離，設(shè)置10，20，30，40，50，60 和80 mm 的工況。此時(shí)，凹槽長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(fù)溫度梯度作用下，軌枕塊應(yīng)力的平均值和最大值均大于道床板，當(dāng)凹槽底面與軌枕底面距離值在40～50 mm 范圍時(shí)，軌枕塊和道床板應(yīng)力均較小。

3 結(jié)論

1) CFT 軌枕凹槽的長(zhǎng)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(huì)對(duì)軌枕塊和道床板受力性能產(chǎn)生影響。

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

3) 對(duì)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(shí)，軌枕塊和道床板受力較小。