路基地段 CRTSⅢ型板式無砟軌道力學特性研究

王漢民

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道結構

路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實混凝土層、隔離層以及具有限位結構的鋼筋混凝土底座等部分組成。

1.1 各項計算參數

1)扣件動剛度按1.5倍靜剛度，即50kN/mm取值。2)軌道板寬度為2500mm，厚度為200mm，其混凝土強度等級為C60。3)自密實混凝土寬度為2500mm，厚度為90mm，其混凝土強度等級為C40。4)底座板寬度為3 100mm，厚度為300mm，其混凝土強度等級為C35。5)路基支承面剛度按76MPa/m取值。

1.2 三維“梁—板”有限元分析模型

在列車荷載作用下，路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道受力分析采用“梁—板”模型:鋼軌看做梁單元，扣件看做點支承彈簧單元。計算時將軌道板與自密實混凝土層看作“復合板”，采用板單元模擬。底座板按彈性地基板單元來模擬，支承剛度按相應下部基礎的支承剛度考慮。自密實混凝土層與底座之間的相互作用采用彈簧單元模擬。建立模型如圖1所示。

2 各種工況下軌道板、底座板受力規律

2.1 軌道板參數變化

2.1.1 軌道板厚度變化

軌道板厚度是CRTSⅢ型板式無砟軌道結構層的重要參數，在列車荷載作用下，軌道板和底座板的彎矩如圖2，圖3所示。

圖2 軌道板厚度變化對縱向彎矩的影響

圖3 軌道板厚度變化對橫向彎矩的影響

軌道板厚度越大，軌道板的縱、橫向彎矩越大，變化規律基本呈線性關系，軌道板厚度由0.16m增加至0.24m時，軌道板縱向正、負彎矩，橫向正、負彎矩分別增加了 117.7%，138.1%，79.5%，115.4%，軌道板厚度變化對軌道板縱、橫向彎矩影響敏感;底座板縱、橫向正彎矩隨著軌道板厚度增加而減小，變化幅度不大，底座板縱、橫向負彎矩隨著軌道板厚度增加而略有增大。

軌道板厚度增加引起軌道板彎矩增大，同時截面增大，軌道板的彎曲應力反而略有減小，軌道板厚度由0.16m增加至0.24m時，軌道板縱、橫向彎曲應力，底座板縱、橫向彎曲應力分別減小了 3.2%，20.2%，17.9%，30.7%，軌道板縱向彎曲應力降低幅度最小(見圖4)。

2.1.2 軌道板寬度變化

隨著軌道板寬度的增加(保證荷載擴散角的要求)，軌道板、底座板縱向彎矩減小，橫向彎矩增大，軌道板寬度對底座板橫向彎矩較為敏感(見圖5，圖6)。

圖4 軌道板厚度變化對彎曲應力的影響

圖5 軌道板寬度變化對縱向彎矩影響

2.2 底座板結構尺寸

2.2.1 底座板厚度

保持其他參數不變，改變底座板厚度，在列車荷載作用下，軌道板和底座板的彎矩如圖7，圖8所示。

圖6 軌道板寬度變化對橫向彎矩影響

圖7 底座板厚度變化對縱向彎矩的影響

底座板厚度越大，軌道板縱、橫向彎矩越小，基本呈線性變化，底座板厚度由0.26m增加至0.34m時，軌道板縱向正、負彎矩，橫向正、負彎矩分別減小了 22.5%，35.7%，22.9%，32.0%;底座板縱、橫向正彎矩隨著底座板厚度增加而增大，底座板縱向彎矩增幅約54.0%，底座板橫向彎矩增幅約30.0%，底座板厚度變化對底座板縱向彎矩影響敏感。

底座板厚度增加引起底座板彎矩增大，但由于截面加大，底座板的彎曲應力略有減小，底座板厚度由0.26m增加至0.34m時，軌道板縱向、橫向彎曲應力分別減小22.5%和22.9%;底座板縱向、橫向彎曲應力分別減小10.0%和24.0%(見圖9)。

圖8 底座板厚度變化對橫向彎矩的影響

圖9 底座板厚度變化對彎曲應力的影響

2.2.2 底座板寬度

底座板寬度增加，軌道板、底座板縱向彎矩減小，變化幅度較小約3%，橫向彎矩有所增大約8%，底座板彎矩變化幅度大于軌道板(見圖10，圖11)。

圖10 底座板寬度變化對縱向彎矩影響

圖11 底座板寬度變化對橫向彎矩影響

2.3 扣件剛度

扣件剛度由30kN/mm增加到70kN/mm，軌道板、底座板的縱、橫向彎矩均增大。軌道板縱向彎矩、橫向彎矩分別增大約18.8%，18.3%，底座板縱、橫向彎矩增大約 17.6%，15.1%。扣件剛度變化對軌道板彎矩影響大于對底座板影響，對縱向彎矩影響大于橫向彎矩的影響，二者增幅相差較小(見圖12，圖13)。

2.4 路基面支承剛度

路基面支承剛度由50MPa/m增加到400MPa/m時，軌道板縱、橫向彎矩，底座板縱、橫向彎矩均有所減小，軌道板縱、橫向彎矩減小 42.2%，8.7%，底座板縱、橫向彎矩減小 55.0%，14.8%，路基面支承剛度對縱向彎矩影響明顯大于對橫向彎矩影響，對底座板縱向彎矩影響最大(見圖14，圖15)。

圖12 扣件剛度變化對縱向彎矩影響

圖13 扣件剛度變化對橫向彎矩影響

圖14 路基面支承剛度變化對縱向彎矩影響

圖15 路基面支承剛度變化對橫向彎矩影響

3 結語

1)軌道板厚度增加，軌道板彎矩增大明顯，底座板彎矩略有減小;軌道板縱、橫向彎曲應力，底座板縱、橫向彎曲應力分別減小了 22.5%，22.9%，10.0%，24.0%，底座板縱向彎曲應力降低幅度最小。2)軌道板寬度增加(保證荷載擴散角的要求)，軌道板、底座板縱向彎矩減小，橫向彎矩增大，軌道板寬度對底座板橫向彎矩較為敏感。3)底座板厚度越大，軌道板縱、橫向彎矩越小，基本呈線性變化;底座板縱、橫向正彎矩隨著底座板厚度增加而增大，增幅明顯，底座板厚度變化對底座板縱向彎矩影響敏感。軌道板、底座板的彎曲應力略有減小。4)底座板寬度增加，軌道板、底座板縱向彎矩略微減小，橫向彎矩有所增大，底座板彎矩變化幅度大于軌道板。5)扣件剛度增加，軌道板、底座板的縱、橫向彎矩均增大，扣件剛度對軌道板縱向彎矩影響最大。6)路基面支承剛度增加，軌道板縱、橫向彎矩，底座板縱、橫向彎矩均有所減小，路基面支承剛度對縱向彎矩影響明顯大于對橫向彎矩影響，對底座板縱向彎矩影響最大。

［1］王成曉.CRTSⅢ型板式無砟軌道力學特性研究［D］.北京:北京交通大學，2011.

［2］張麗平.橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道動力學性能分析［D］.成都:西南交通大學，2011.

［3］趙坪銳.板式無砟軌道動力學性能分析與參數研究［D］.成都:西南交通大學，2003.