短單元雙塊式無砟軌道結構的性能分析

梁 敏 上海鐵路局建設處

雙塊式無砟軌道是目前國內外較成熟的一種無砟軌道結構形式，其軌道結構從上到下依次為鋼軌、道床板、支撐層（底座板），由于該軌道結構相比其他軌道結構在經濟性等方面有較好表現，現特提出一種短單元雙塊式無砟軌道結構，并對該結構進行力學性能分析，為軌道結構的優化提供參考。

隨著我國高速鐵路的高速發展，多種類型的無砟軌道結構形式也被廣泛地應用于高速鐵路建設工程中。雙塊式無砟軌道正是除了CRTS I 型板式和CRTS II 型板式無砟軌道之外的重要結構形式之一，也是最為經典的結構形式。雙塊式無砟軌道結構配有成套施工設備，也可以采用人工配合小型機具自上而下的施工方法，和板式無砟軌道結構形式相比，雙塊式無砟軌道結構形式具有適用范圍廣、單位造價低、施工工藝簡單、軌道精度容易保證等顯著優點。

雙塊式無砟軌道在預制廠內預制的是雙塊式軌枕，其特點是：軌枕通過鋼筋桁架將混凝土塊連接在一起。現場利用軌排或螺桿調節器等作為輔助工具將雙塊式軌枕調整到符合要求的平面位置，最后澆筑混凝土將軌枕連成整體即完成雙塊式軌枕的施工。

通過這種工藝完成無砟軌道結構的施工過程后，將使整個施工區間內的線路結構形成一整段完整的無砟軌道，少則幾公里，多則數十公里。因此我們也不難發現這種形式存在以下的缺點，一是現澆軌道板太長，裂縫控制難度大；二是工具軌的精度及鋼軌與扣件組裝精度對軌道最終精度影響較大；三是后期維修較為困難。因此，在這里我們引進短單元雙塊式無砟軌道結構的概念。

1 短單元雙塊式無砟軌道結構

所謂短單元雙塊式無砟軌道結構，顧名思義，就是將一個區間內通長的雙塊式無砟軌道軌道板在施工過程中人為地分成若干或數十米，或上百米的短單元結構，中間采用類似于CRT I 型板式無砟軌道的凸臺貫穿連接，軌道板中間部分沒有凸臺，軌道板與支撐層間鋪設土工布，其接觸方式為摩擦接觸。該類型軌道結構，層間沿線路方向作用力由摩擦力和凸臺共同承擔，層間橫向相互作用力主要由凸臺承擔。以下簡稱“摩擦式短板軌道”。

其力學平面模型如圖1 所示。

圖1 摩擦式短板軌道力學模型

2 力學模型

結合短軌道板力學模型，建立有限元模型，并對不同的荷載工況對軌道結構受力和變形進行分析。有限元模型如圖2 所示。

圖2 軌道結構整體圖示

3 不同荷載下的應力應變分析

3.1 垂向荷載

取機車軸重為17 t，考慮2.5 的動載系數，軌道結構受到的等效荷載為425 000 N，加載位置在軌道板中間軌枕處。垂向荷載作用下兩種形式軌道結構應力應變情況如圖3、圖4所示。

圖3 垂向荷載下應力分布圖

圖4 垂向荷載下變形圖

板上荷載位置周圍小范圍內表現為壓應力，其值不超過1.4 MPa，其他部位應力較小，幾乎趨于0，從受力情況看，軌道板受力范圍較小，且應力擴散較均勻。對于軌道板底層，應力擴散效果較差，與支撐臺端部相接處表現為較集中的壓應力，最大值可達到4.45 MPa，荷載作用正下方出現最大拉應力，其值為1.05 MPa。由圖4 可知，摩擦工況下軌道結構垂向最大位移為0.36 mm。進一步從圖4 中可以看到，摩擦工況二者相對位移為0.003 mm。整體來看在列車垂向荷載作用下軌道結構均滿足應力應變要求。

3.2 縱向荷載

機車軸重取為17 t。考慮0.1 的制動或啟動力系數，軌道結構受到的等效荷載為17 000 N，加載位置在試驗軌道板右端中部。沿線路方向縱向荷載作用下兩種形式軌道結構應力應變情況如圖5、圖6 所示。

圖5 縱向荷載下應力分布圖

圖6 縱向荷載下變形圖

軌道板受縱向荷載時，板上表面中間部分表現為拉應力，其他部位均表現為壓應力，且拉壓應力值均小于0.1 MPa。由于摩擦作用支撐臺上側表現為拉應力，同樣與施壓一側支撐臺根部相接的軌道板部位也表現為拉應力，其值約為0.028 MPa，而板中間由于受到支撐臺的阻擋作用表現為壓應力，其壓力峰值出現在與施壓相反一側支撐臺根部相接的軌道板處，其值約為0.054 MPa。從圖6 可以看到，軌道板和支撐層相對位移為0.0048 mm。從應力應變情況看，該軌道結構均正常工作。

3.3 左端橫向荷載

列車作用于軌道結構的橫向等效荷載取為595 000 N，加載位置在軌道板左端，左端橫向荷載作用下兩種形式軌道結構應力應變情況如圖7、圖8 所示。

圖7 左端橫向荷載下應力分布圖

圖8 左端橫向荷載下變形圖

橫向荷載作用時，荷載作用處出現0.63 MPa 壓應力，除軌道板自身作用釋放掉一部分荷載外，還有一部分要通過摩擦作用到支撐臺上，同時，使得荷載作用邊側出現較大的拉應力，其值可達0.175 MPa。由圖8 可以看出，軌道板和支撐層之間有明顯的相對位移，其值為0.0032 mm。可見，這種軌道結構能正常工作。

4 結論

(1)短單元雙塊式無砟軌道由于道床板和支撐層之間鋪設了一層土工布，兩者可以做相對滑動，故在不同荷載作用下，軌道應力分布較為均勻，且應力值均較小。

(2)在不同荷載作用下，單元軌道板應變均較小，在應變條件許可的條件下，軌道長度可適當增長。

(3)整體來看，短單元雙塊式軌道結構在不同荷載作用下能夠正常工作，各項指標均能滿足正常運行條件。