防振型板式軌道半圓形凸形擋臺的受力及影響分析

柴文博，王自勵

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)

板式軌道是一種應用比較廣泛的無砟軌道結構，最早應用于日本，我國在參考日本板式軌道的基礎上，開發了CRTSI型板式軌道，目前正應用于我國多條客運專線上。普通板式軌道的結構主要包括混凝土底座、CAM層、軌道板、填充材料和凸形擋臺，凸形擋臺的主要功能是承受并傳遞軌道板所受的縱橫向力、對軌道板進行定位以及在施工過程中作為測量定位的基準。對于橋上板式軌道結構來講，由于軌道板跨越橋梁接縫時，板下的CAM層會因橋梁端部的溫度伸縮等作用而破壞，因此，軌道板的端部必須與橋梁的接縫相重合，在橋梁端部的伸縮縫處必須設置凸形擋臺，這種情況的擋臺如圖1所示為兩半圓形，中心與橋梁的伸縮縫重合一致，并填充嵌縫材料[1]。在普通板式軌道的軌道板下和凸形擋臺周圍粘貼一層彈性橡膠墊形成防振型板式軌道，可以很好地降低列車運行時軌道的振動和噪音。

圖1 橋梁伸縮縫處半圓形凸形擋臺

1 防振型板式軌道半圓形凸形擋臺的受力計算原理

半圓形凸形擋臺所受的力主要考慮：通過鋼軌與扣件和軌道板的作用傳遞給凸形擋臺的縱向力，包括鋼軌溫度力和始動荷載通過扣件和軌道板傳遞給擋臺的力Ft和Fs；列車運動產生的橫向力Fc；由于軌道板與底座之間的溫差而產生的縱向溫度力Fr。各個力和軌道結構之間的相互作用關系如圖2所示。

圖2 防振型板式軌道結構及各部件之間力的相互作用關系

凸形擋臺所受的合力可通過下式計算：

其中，Ft為鋼軌的縱向溫度力通過扣件和軌道板傳遞給擋臺的力，可按Ft=2·l·ft進行計算，l為軌道板上作用的鋼軌長度，ft為單位長度鋼軌的溫度伸縮對軌道板的縱向力。

δs為始動荷載作用下軌道板發生的位移，當輪軌間的摩擦力作用于軌道板上時，由于軌道重量關系而使軌道板與板下膠墊之間的接觸面呈嚙合狀態，則摩擦力作用于板下膠墊上，由于板下膠墊較軟而產生位移δs，其結果是軌道板也只發生δs的位移。δs的計算如下：

式中，W0為轉向架一個車軸的重量；μ為始動時輪軌間的摩擦系數；kx為板下膠墊水平方向的彈性系數。Fs的計算模型如圖3所示。

圖3 始動荷載作用時的計算模型

Fc為軌道橫向力，Fc=L×104N，L為軌道板長度。

2 建立半圓形凸形擋臺的有限元計算模型

考慮到梁端處凸形擋臺的位移與橋梁上部結構位移的協調性以及橋梁伸縮及梁端位移[3]對嵌縫材料性能的影響，在建模的過程中未考慮橋梁伸縮和下一跨梁對梁端處半圓形擋臺的作用。以日本A型減振板的凸形擋臺尺寸為例，采用有限元軟件ANSYS建立板式軌道以及半圓形擋臺的有限元模型，如圖4所示，軌道結構各部件均采用solid45單元來模擬，軌道板、板下膠墊、CAM層、混凝土底座之間通過共同節點作用；軌道板、擋臺周圍的膠墊和CAM以及擋臺之間也通過共同節點作用[2]。模型中各部件的尺寸及材料性能如表1所示。

圖4 軌道板及半圓形凸形擋臺有限元模型

表1 有限元模型中板式軌道各部件的尺寸及材料參數

3 半圓形凸形擋臺的受力分析

在最不利荷載組合的條件下，取ft=5 kN/m,軸重W0=17t,μ=0.35，軌道板與底部的溫差取10℃[1]。對所建立的有限元模型進行計算，得到半圓形凸形擋臺的應力分布如圖5所示。

圖5 半圓形凸形擋臺的應力分布

可以看出，半圓形擋臺所受到應力沿擋臺高度從上往下逐漸增大，最大應力出現在與底座板相連的圓弧中部附近，最大值為1.57 MPa，同時在端部兩角附近也出現較大的應力。

4 半圓形凸形擋臺受力的影響分析

4.1 改變擋臺及其周圍膠墊的尺寸

同時改變凸形擋臺和周圍彈性膠墊的尺寸，將擋臺半徑由200 mm增加到250 mm，周圍彈性膠墊的厚度由20 mm增加到25 mm，建立新的有限元模型進行計算得到應力圖如圖6所示。

圖6 增加半徑及膠墊厚度后的半圓形擋臺應力分布

可以看出，增加擋臺半徑及其周圍彈性膠墊厚度后凸形擋臺的應力分布與未增加前大致相同，但最大應力減小到了0.78 MPa，約為前者的1/2。我國的CRSTI型板式軌道的凸形擋臺半徑即為500 mm，這有利于提高凸形擋臺工作的安全性。

4.2 擋臺周圍材料參數的變化對擋臺受力的影響

擋臺周圍CAM的彈性模量保持不變(300 MPa)，彈性膠墊的彈性模量變化時，凸形擋臺的最大應力以及軌道板最大位移的變化如表2所示；擋臺周圍彈性膠墊的彈性模量不變(6 MPa)，CAM的彈性模量變化時，凸形擋臺的最大應力和軌道板最大位移的變化如表3所示。

表2 擋臺周圍膠墊彈性模量的改變對擋臺應力和軌道板位移的影響

表3 擋臺周圍CAM彈性模量變化對擋臺應力和軌道板位移的影響

由表2和表3可以看出，擋臺周圍彈性膠墊的彈性模量的變化對凸形擋臺所受附加應力的影響比較顯著，半圓形凸形擋臺所受到的最大應力隨著膠墊彈性模量的增大逐漸增大，大致呈線性關系；單獨改變擋臺周圍CAM彈性模量的情況下，當CAM的彈性模量較小(小于300 MPa)時，凸形擋臺所受的最大應力隨著CAM彈性模量的增大而增大，而當CAM的彈性模量較大(大于300 MPa)時，CAM彈性模量的變化不再對凸臺的受力產生影響。無論是改變膠墊的彈性模量還是CAM的彈性模量，都不會對軌道板的最大位移產生較大影響，這是因為由前面的計算原理可知，對軌道板的位移影響較大的因素是軌道板下彈性膠墊的縱向彈性系數。

5 凸形擋臺的周圍全部采用樹脂填充

半圓形凸形擋臺的半徑不變，R=200 mm，周圍全部采用樹脂材料填充，填充厚度為50 mm，建立有限元模型進行計算，得到的應力分布同前，不同彈性模量的樹脂填充時凸臺最大應力和軌道板最大位移如表4所示。

表4 樹脂填充時的計算結果

由表4可以看出，當樹脂采用常用的彈性模量25 MPa時，擋臺的最大應力為2.14 MPa，接近最大容許應力2.43 MPa[4]。而軌道板的最大位移則會隨著樹脂填料的彈性模量的增大而減，但也不是很明顯。所以，減振型軌道板凸形擋臺周圍全部用樹脂填充時，樹脂材料的彈性模量不宜太大。

6 結論

通過對橋梁端部半圓形凸形擋臺的受力和影響分析可以得到以下結論：

(1)防振型板式軌道梁端處的半圓形凸形擋臺由于其特殊的結構和位置，所受到的力與其它擋臺有所不同，凸形擋臺在最不利荷載組合下所受到的附加應力沿擋臺高度從上而下逐漸增大。

(2)半圓形凸形擋臺在最不利荷載作用下所受到的最大應力隨著其直徑的增大及其周圍彈性膠墊厚度和周圍填充材料的彈性系數的減小而減小。凸形擋臺周圍填充材料彈性系數的變化對軌道板最大位移的影響不是很大。

[1] 王其昌，韓啟孟.板式軌道設計與施工[M].西南交通大學出版社,2002

[2] 趙偉.單元板式無砟軌道傷損及縱向受力分析[D].西南交通大學,2008

[3] 劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設計理論與方法[M].西南交通大學出版社,2010

[4] 李朝鋒.客運專線減振型CRSTI型板式無砟軌道凸形擋臺設計計算研究[J].鐵道建筑技術，2009(8)