重載鐵路18號(hào)道岔聚氨酯固化道床力學(xué)特性

郄錄朝 王潤(rùn)豐 王啟好 徐旸 蔡小培

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.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044

碎石道床可為軌道提供彈性，承受來(lái)自軌枕的壓力并將其均勻傳遞到路基上，減緩和吸收輪軌的沖擊和振動(dòng)，保持軌道穩(wěn)定。隨著重載鐵路持續(xù)朝高密度、大軸重、高運(yùn)量的方向發(fā)展，軌道服役強(qiáng)度逐漸增加，更易發(fā)生病害。道岔區(qū)特殊的軌道結(jié)構(gòu)使得道床在不平衡的受力下容易出現(xiàn)剛度不均勻現(xiàn)象，又反過(guò)來(lái)影響線路彈性，使得軌道難以保持軌面平順，出現(xiàn)軌下道床位移不均勻等問(wèn)題，影響行車(chē)安全，縮短養(yǎng)護(hù)維修周期，限制運(yùn)輸速度，降低運(yùn)輸效率［1］。因此，保持軌道服役性能，特別是控制道床應(yīng)力及位移，對(duì)道岔區(qū)重載鐵路的服役狀態(tài)尤為重要。

聚氨酯固化道床是改善碎石道床服役性能的有效方式。該道床是在穩(wěn)定碎石道床內(nèi)澆注聚氨酯材料，材料反應(yīng)后填充道砟間空隙并黏結(jié)道砟形成的彈性整體道床［2］。聚氨酯固化道床不僅具有良好的彈性和抗壓能力，本身累積變形較?。?］，能夠適應(yīng)不同運(yùn)輸環(huán)境的要求，維護(hù)和修補(bǔ)作業(yè)少［4］，具備整體壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

我國(guó)在重載鐵路上已對(duì)聚氨酯固化道床進(jìn)行了一些應(yīng)用，研究人員也對(duì)該結(jié)構(gòu)開(kāi)展了研究。仿真方面，肖宏等［5］提出了一種多元介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)建模方法，研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯發(fā)泡道床道砟間接觸力的分散性較小，受力比較均勻。令行等［6］建立了離散元分析模型，探究列車(chē)荷載下膠黏道床受力特性。孫曉博等［7］建立重載鐵路動(dòng)力學(xué)模型，分析了重載車(chē)輛經(jīng)過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。郄錄朝等［8］建立聚氨酯固化道床膨脹數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程對(duì)聚氨酯固化道床澆注工藝進(jìn)行了優(yōu)化。徐旸等［9］提出了一種基于黏結(jié)力鏈單元的聚氨酯固化道床數(shù)值仿真分析方法，對(duì)聚氨酯固化道床與普通散體碎石道床在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)方面，Woodward等［10］研究了聚氨酯固化道床在高速鐵路道岔區(qū)的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)有利于有砟道床的穩(wěn)定。余思昕等［11］研究了自由邊界下聚氨酯固化道砟體的壓縮性能及變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)聚氨酯固化道床在應(yīng)用前需進(jìn)行預(yù)壓。徐旸等［12］在國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心建立世界首條預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床試驗(yàn)段，對(duì)預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床、現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、普通無(wú)砟道床3種軌道結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。

目前對(duì)于聚氨酯固化道床的研究多采用試驗(yàn)或者靜態(tài)仿真，動(dòng)力仿真研究多考慮由輪對(duì)帶來(lái)的循環(huán)荷載作用，關(guān)于行車(chē)動(dòng)力荷載的研究較少。Cai、王啟好等［13-14］考慮了列車(chē)動(dòng)力荷載下聚氨酯固化道床在地鐵和高速鐵路的應(yīng)用。高組數(shù)、大軸重的重載列車(chē)與軌道之間的耦合作用是重載鐵路上碎石道床荷載的來(lái)源，該作用與靜態(tài)、循環(huán)荷載具有較大差異。而且，道岔作為軌道的特殊結(jié)構(gòu)，在功能定位需求、內(nèi)在受力特點(diǎn)等方面與普通線路明顯不同。

本文基于多體動(dòng)力學(xué)和有限元方法，建立列車(chē)-軌道-路基模型，分析列車(chē)直向和側(cè)向過(guò)岔時(shí)道岔區(qū)關(guān)鍵斷面的力學(xué)特性，探討聚氨酯固化斷面的合理分布范圍，為重載鐵路聚氨酯固化道床設(shè)計(jì)提供參考。

1 列車(chē)-道岔-路基模型

建立包括車(chē)輛、軌道、路基在內(nèi)的仿真模型，通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算得到列車(chē)過(guò)岔時(shí)軌道力學(xué)效應(yīng)，并將其輸入有限元模型。

重載列車(chē)軸重30 t，由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、懸掛系統(tǒng)組成，忽略各部件的彈性變形，將其視為一個(gè)多剛體振動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)18 號(hào)道岔設(shè)計(jì)圖建立軌道模型。鋼軌采用梁?jiǎn)卧Ｐ?，軌枕和道床采用?shí)體單元模型，對(duì)聚氨酯材料采用Mooney-Rivlin 本構(gòu)模型，設(shè)定一定的超彈性參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚氨酯固化道床的準(zhǔn)確模擬。結(jié)合北京交通大學(xué)相關(guān)研究，取材料系數(shù)C10=2.0 MPa、C01= 0.1 MPa，壓縮系數(shù)D1= 0.001 5［9］。扣件簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼單元。路基模型中包括路基表層、路基底層和路基本體。建立的列車(chē)-道岔-路基模型見(jiàn)圖1。模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 列車(chē)-道岔-路基模型

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 不同聚氨酯固化斷面的力學(xué)特性對(duì)比

道床垂向應(yīng)力過(guò)大是導(dǎo)致道砟粉化破碎等病害發(fā)生的根本原因，而鋼軌垂向位移是列車(chē)行駛安全性的最直觀表征參數(shù)。因此，選取枕下道床垂向應(yīng)力、軌下道床垂向位移作為表征指標(biāo)，對(duì)比分析不同聚氨酯固化斷面的力學(xué)特性。下文中應(yīng)力及位移均為垂向。

現(xiàn)有碎石道床聚氨酯固化方式多為將軌枕下方道砟全部固化的全斷面固化，固化寬度隨軌枕長(zhǎng)度變化而變化，見(jiàn)圖2（a）。該固化方式操作簡(jiǎn)便，但較為簡(jiǎn)單粗放，無(wú)法根據(jù)道岔區(qū)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性固化。王紅等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛軸重30 t條件下，在鋼軌下方設(shè)置頂寬為0.85 m 的聚氨酯固化斷面的軌道彈性較好，可作為一種新的聚氨酯固化方式，稱(chēng)軌下梯形斷面固化，見(jiàn)圖2（b）。然而道岔區(qū)為特殊軌道結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性隨道岔位置變化而變化。因此，在軌下梯形固化斷面及全固化斷面基礎(chǔ)上，根據(jù)道岔區(qū)道床各位置的受力分布，進(jìn)行多級(jí)化針對(duì)性設(shè)計(jì)。在力學(xué)效應(yīng)較大的區(qū)域應(yīng)用彈性模量較低的聚氨酯固化材料，并在轍叉區(qū)心軌應(yīng)力集中位置采用更柔軟、彈性模量更低的聚氨酯材料，見(jiàn)圖2（c）。

圖2 道岔區(qū)聚氨酯道床固化方式

選取力學(xué)效應(yīng)最復(fù)雜的轍叉區(qū)軌枕正下方橫截面，對(duì)比三種固化道床及碎石道床的力學(xué)特性。列車(chē)直向、側(cè)向通過(guò)轍叉區(qū)時(shí)，不同道床的道床應(yīng)力及位移見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 不同道床轍叉區(qū)道床應(yīng)力對(duì)比

圖4 不同道床轍叉區(qū)道床位移對(duì)比

由圖3可知，對(duì)于轍叉區(qū)軌枕下方橫截面，全斷面固化道床和碎石道床的道床應(yīng)力曲線呈V 形，最大值出現(xiàn)在輪軌作用力最大的心軌處；軌下梯形斷面和全斷面多級(jí)固化道床的道床應(yīng)力分布較為均勻，整體曲線呈馬鞍形；相較于其他三種固化模式，全斷面多級(jí)固化道床應(yīng)力分布范圍更大，應(yīng)力峰值也較低，這是由于相較于單一彈性模量的聚氨酯材料，不同彈性模量的聚氨酯材料優(yōu)化了道砟間的黏結(jié)作用，能更均勻地分擔(dān)來(lái)自軌枕的荷載。

由圖4可知，對(duì)于轍叉區(qū)軌枕下方橫截面，道床位移隨道床剛度降低而增加。直向過(guò)岔時(shí)，道床位移呈U形分布，各種固化方式對(duì)道床位移無(wú)明顯優(yōu)化效果。側(cè)向過(guò)岔時(shí)，碎石道床、軌下梯形斷面固化道床及全斷面固化道床的道床位移呈V 形分布，兩側(cè)軌下道床位移差較大；全斷面多級(jí)固化道床位移呈U 形分布，在兩側(cè)鋼軌間形成平臺(tái)，對(duì)側(cè)向過(guò)岔的位移差優(yōu)化效果顯著?？梢?jiàn)，基于轍叉區(qū)力學(xué)效應(yīng)的特殊性進(jìn)行針對(duì)設(shè)計(jì)的全斷面多級(jí)固化道床，具有良好的應(yīng)力及位移控制效果，能保證列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行。在聚氨酯固化道床實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力、位移分布特點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)聚氨酯固化斷面，以提高道床力學(xué)性能，減少維修工作量。

2.2 聚氨酯道床固化斷面設(shè)計(jì)

重載列車(chē)在道岔區(qū)運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)鋼軌常因復(fù)雜且不平衡的枕下受力而出現(xiàn)位移差，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行安全和速度。針對(duì)道岔區(qū)不同位置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行聚氨酯固化道床斷面設(shè)計(jì)，是聚氨酯固化道床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)18號(hào)道岔標(biāo)準(zhǔn)布置圖，選取道岔關(guān)鍵位置進(jìn)行固化斷面設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)轍部分取4 號(hào)岔枕尖軌起點(diǎn)位置，連接部分取74 號(hào)岔枕位置，轍叉部分取92 號(hào)枕心軌對(duì)應(yīng)位置。根據(jù)各區(qū)域枕下道床受力特性，在轉(zhuǎn)轍部分采用軌下梯形斷面固化方式；連接部分采用全斷面固化方式；轍叉部分道床荷載分布較復(fù)雜，采用全斷面多級(jí)固化設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5。

3 應(yīng)用效果

設(shè)4種工況，通過(guò)與碎石道床進(jìn)行對(duì)比，研究所設(shè)計(jì)的聚氨酯固化道床在轉(zhuǎn)轍部分、連接部分及轍叉部分對(duì)道床力學(xué)特性的改善效果。工況1—工況4 依次為聚氨酯固化道床 + 直向過(guò)岔、碎石道床 + 直向過(guò)岔、聚氨酯固化道床 + 側(cè)向過(guò)岔、碎石道床 + 側(cè)向過(guò)岔。

3.1 轉(zhuǎn)轍部分

取尖軌起點(diǎn)位置進(jìn)行分析。4 種工況下的道床應(yīng)力及位移見(jiàn)圖6。可知：①直向過(guò)岔?xiàng)l件下，采用聚氨酯固化道床后，列車(chē)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)轍區(qū)時(shí)道床應(yīng)力偏載變化不大，應(yīng)力峰值由0.139 MPa 降為0.135 MPa，減少了2.88%；道床位移偏載變化不大，左右側(cè)軌下位移差由0.080 mm 降為0.079 mm，減少了1.25%。②側(cè)向過(guò)岔?xiàng)l件下，采用聚氨酯固化道床后，列車(chē)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)轍區(qū)時(shí)道床應(yīng)力偏載有一定變化，應(yīng)力峰值由0.158 MPa降為0.152 MPa，減少了3.80%；道床位移偏載有一定改善，左右側(cè)軌下位移差由0.222 mm 降為0.205 mm，減少了7.65%，這是由于側(cè)向過(guò)岔時(shí)軌下聚氨酯固化道床吸收了過(guò)尖軌時(shí)單側(cè)鋼軌碰撞受力的能量。在轉(zhuǎn)轍區(qū)應(yīng)用聚氨酯固化道床對(duì)側(cè)向過(guò)岔產(chǎn)生的應(yīng)力、位移偏載起到一定改善作用。

3.2 連接部分

4 種工況下連接部分的道床應(yīng)力及位移見(jiàn)圖7?？芍孩僦毕蜻^(guò)岔?xiàng)l件下，采用聚氨酯固化道床后，列車(chē)經(jīng)過(guò)連接部分時(shí)道床應(yīng)力偏載有一定變化，應(yīng)力峰值由0.118 MPa 降為0.109 MPa，減少了7.63%；道床位移偏載變化不大，左右側(cè)軌下位移差由0.087 mm降為0.083 mm，減少了4.60%。②側(cè)向過(guò)岔?xiàng)l件下，采用聚氨酯固化道床后，列車(chē)經(jīng)過(guò)連接部分時(shí)道床應(yīng)力偏載有一定變化，應(yīng)力峰值由0.128 MPa 降為0.116 MPa，減少了9.38%；道床位移偏載變化不大，左右側(cè)軌下位移差由0.087 mm 降為0.086 mm，減少了1.15%。因此，聚氨酯固化道床的應(yīng)用對(duì)連接部分的應(yīng)力、位移偏載有較好的改善效果。

圖7 4種工況下連接部分道床力學(xué)特性

3.3 轍叉部分

4 種工況下轍叉部分的道床應(yīng)力及位移見(jiàn)圖8。可知：①直向過(guò)岔?xiàng)l件下，采用聚氨酯固化道床后，列車(chē)經(jīng)過(guò)轍叉部分時(shí)道床應(yīng)力偏載變化很大，應(yīng)力峰值由0.253 MPa降為0.149 MPa，減少了41.11%；位移偏載略有變化，左右側(cè)軌下位移差由0.211 mm 降為0.151 mm，減少了28.43%。②側(cè)向過(guò)岔?xiàng)l件下，采用聚氨酯固化道床后，列車(chē)經(jīng)過(guò)轍叉部分時(shí)道床應(yīng)力、位移偏載變化均較大，道床應(yīng)力峰值由0.235 MPa 降為0.142 MPa，減少了39.57%；左右側(cè)軌下位移差由0.669 mm 降為0.062 mm，減少了90.73%。在轍叉部分應(yīng)用聚氨酯固化道床的效果較為顯著。

圖8 4種工況下轍叉部分道床力學(xué)特性

綜上，應(yīng)用聚氨酯固化道床后，整個(gè)道岔區(qū)的道床應(yīng)力均有明顯降低，峰值更小，分布更均勻，其中轍叉區(qū)道床應(yīng)力降低比率最高；軌下道床位移較為均勻。聚氨酯固化道床對(duì)道床應(yīng)力及位移有著較好的控制效果，相較于普通碎石道床有著很大優(yōu)勢(shì)。因此，在道岔、路橋過(guò)渡段等受力復(fù)雜，易產(chǎn)生道砟粉化破碎病害的地段，可澆注聚氨酯以提高道床力學(xué)性能，減少維修量。

4 結(jié)論

道岔區(qū)道床受力及位移較大，且側(cè)向過(guò)岔時(shí)對(duì)軌道更不利，因此本文提出了一種重載鐵路18號(hào)道岔聚氨酯固化形式。在軌下梯形固化斷面及全固化斷面基礎(chǔ)上，根據(jù)道岔區(qū)道床各位置的受力分布，進(jìn)行多級(jí)化針對(duì)性設(shè)計(jì)。討論了該方法相較于既有方法的優(yōu)越性，分區(qū)段對(duì)比了與碎石道床的力學(xué)性能差異，對(duì)聚氨酯固化道床內(nèi)部應(yīng)力及荷載傳遞特性進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)各區(qū)域枕下道床受力特性，在轉(zhuǎn)轍部分采用軌下梯形斷面固化方式，連接部分采用全斷面固化方式，轍叉部分采用全斷面多級(jí)固化設(shè)計(jì)，在轍叉區(qū)心軌應(yīng)力集中位置采用更柔軟、彈性模量更低的聚氨酯材料。

2）設(shè)計(jì)的聚氨酯固化道床可以較好地控制道岔區(qū)道床應(yīng)力及位移。對(duì)轍叉區(qū)改善最顯著，直向與側(cè)向過(guò)岔時(shí)道床應(yīng)力分別降低41.11%、39.57%，軌下道床位移差變化率分布為28.43%、90.73%。

3）在道岔、路橋過(guò)渡段等受力復(fù)雜，易產(chǎn)生道砟粉化破碎病害的地段，可澆注聚氨酯以提高道床力學(xué)性能，減少維修量。