新型鋼枕軌道結構受力特性影響因素分析

張鵬飛,朱 勇,雷曉燕

(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

鐵路線路是由不同特點、性質迥異的構筑物(橋、隧、路基等)和軌道構成的。不同線路結構的剛度差異顯著，在列車通過時引起軌面的位移響應不一致，同時，不同結構物的基礎沉降也不均勻，特別是在過渡點附近極易產生變形而導致軌面發生彎折。當列車高速通過時，車輛與線路相互動力作用加劇，造成軌面嚴重不平順，加速線路狀態的惡化，增加線路的養護維修頻率和費用，嚴重時甚至威脅行車安全。因此，亟待開展過渡段基礎沉降病害整治技術研究。

國內外學者對軌道過渡段基礎沉降病害整治技術研究主要集中針對既有線路或新建線路上路基加固或剛度平穩過渡[1-5]。廖進星[6]指出了過渡段和地基沉降不均勻地段，采用不同地基加固處理措施組合、過渡等方法，可實現控制工后沉降且沉降均勻過渡的目的；劉好正[7]研究發現擠密樁復合地基對于消除黃土地基濕陷性、控制工后沉降的效果十分明顯；趙新益等[8]等對鐵路軟土不同地基處理方法的地基受力變形特性及沉降控制效果進行了系統的總結和研究；師楊楊[9]對高速鐵路路基沉降病害的成因及整治技術現狀作了較為詳細的介紹，指出了各類現有的沉降病害整治方法；姚建平[10]提出了一套適用于運營高速鐵路路基沉降整治的精細化管控技術；徐實[11]研究發現采用灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基，工后沉降量能滿足高速鐵路有砟軌道路基工后沉降要求。

王鑄、宋緒國[12]提出了斜向水泥土樁法用于列車運行條件下路基快速加固的施工工藝，并提出了保證施工安全和行車安全措施以及施工中應注意的事項；郭戰偉[13]詳細介紹了幾種路基加固及病害防治方法，并應用于既有線上，效果表現良好；仲新華等[14-15]配制出了一種改性聚氨酯注漿材料，并通過工程應用證明了該材料可滿足高速鐵路路基加固實際需求；羅強、蔡英[16]詳細闡述了鐵路線路路橋過渡段沉降的技術處理措施，提出了路橋過渡段的構造及填料壓實標準建議；謝文良等[17]介紹了高速鐵路路橋過渡段沉降差異的形成原因，分析了路基沉降變形和路基填土壓實度之間的關系，并提出了相關解決措施；陳果元等[18]結合秦沈客運專線進行現場測試及理論分析，得出了土工格柵過渡段比級配碎石過渡段更能減小地基總沉降量和工后沉降的結論；G.M. Stoyanovich等[19]研發了鋼筋混凝土板、框架和整體混凝土板的幾種設計，從而使得剛度平穩過渡，減少了殘余變形的積累。已有研究對減少過渡段沉降和降低剛度變化率具有一定效果，但缺乏自動性和實時性，且整治技術施工工藝繁瑣。因此，及時、有效的整治過渡段基礎沉降病害對保證鐵路安全、平穩、舒適運行具有重要意義與應用價值。

本文結合國內外已有對過渡段軌下基礎沉降病害整治技術的研究現狀，基于有砟軌道混凝土枕結構形式，提出一種可以替代既有軌枕并且能夠自動補償軌下基礎沉降的新型鋼枕。為研究新型鋼枕軌道結構參數對軌道結構受力特性的影響，基于有限元法，建立新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型，分析軌下膠墊剛度、鋼枕間距以及道床彈性模量3種軌道參數對鋼枕軌道結構受力特性的影響規律。

1 新型鋼枕結構概況

1.1 鋼枕結構組成

新型鋼枕是由45號優質碳素鋼為主要組成材料，內置沉降補償裝置的新型軌枕，其結構強度高、耐久性好。鋼枕整體三維外觀如圖1所示，具體結構尺寸為：長2 600 mm，軌下高度210 mm，中間高度165 mm，寬度320 mm；鋼枕承軌槽處內置沉降補償裝置，如圖2所示，其余部分結構內置空心，其頂板厚度為20 mm，側板厚度為30 mm，底板厚度為20 mm，端部厚度為50 mm。

圖1 鋼枕整體三維外觀

圖2 沉降補償裝置核心部件示意

鋼枕沉降補償裝置內，升降塊通過扣件與鋼軌連接，且與鋼板之間靠交錯排列的鋸齒嚙合；鋼板通過彈簧塊與鋼枕側壁相連，其上、下表面與鋼枕頂、底面內壁通過鋼棒緊密接觸，鋼棒放置于鋼枕頂、底面內壁的凹槽內；螺桿一端與鋼板的中心處固定，另一端穿過鋼枕側壁直達鋼枕外表面，螺桿表面除鋼枕外表面部分有螺紋，通過螺帽貼于鋼枕外壁上，其余部分全光滑。

1.2 鋼枕工作原理

新型鋼枕利用升降塊和鋼板之間的鋸齒互鎖，通過鋼軌彈性恢復力的觸發作用，自動調節高度，補償基礎沉降量，進而使線路始終保持平順狀態。當列車車輪經過時，車輪對鋼軌產生的作用力經升降塊、鋸齒、鋼板、鋼棒和鋼枕底面傳遞到道床上，此時升降塊與鋼板依靠鋸齒相互嚙合，鋸齒產生互鎖；如果基礎產生沉降，鋼軌將產生彈性彎曲變形，同時也帶動鋼枕產生變形；當列車車輪離開時，鋼軌的彈性變形恢復，隨即產生向上的彈性恢復力，升降塊將同鋼軌一起向上運動；此時，升降塊上的鋸齒擠壓鋼板上鋸齒，由于鋼棒的滾動效應，彈簧塊將發生壓縮，使得鋼板被擠壓往鋼枕兩側內壁移動，同時升降塊隨鋼軌一起向上運動；由于鋼枕的自重以及道床能夠提供足夠的縱橫向阻力，鋼枕與道砟保持緊密接觸不變，即升降塊向上運動的位移量為軌下基礎產生的沉降量，使得軌面保持初始高度不變。

2 計算模型及參數

2.1 模型建立

新型鋼枕軌道結構如圖3所示。從上往下依次為：60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新型鋼枕、道床、路基。

圖3 新型鋼枕軌道結構

為避免模型邊界效應引起的計算誤差，建立含24跨新型鋼枕的軌道-路基空間耦合有限元模型，如圖4所示。對鋼軌兩端截面全約束，同時全約束路基底面。

圖4 新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型

2.2 模型參數

鋼軌采用SOLID 45實體單元模擬，在不影響計算結果的前提下，對鋼軌截面廓形適當簡化；扣件采用COMBIN 14彈簧單元模擬；新型鋼枕采用SOLID 45實體單元模擬；道床[20]和路基均采用SOLID 45實體單元模擬。鋼枕軌道結構基本參數[21]如表1所示。

2.3 模型加載

本文計算以CRH2型列車為例，基于多體動力學軟件UM建立CRH2型列車模型，其參數取值見文獻[22]，考慮我國合武客運專線軌道譜較為適合路基有砟軌道結構高低不平順，因此，采用我國合武客運專線軌道譜作為系統的激勵，考慮列車以200 km/h的速度通過直線線路，運行距離為1 000 m。經計算，垂向輪軌力時程曲線如圖5所示。

表1 模型計算基本參數

圖5 垂向輪軌力時程曲線

考慮列車前后轉向架引發的軌道反應相互不疊加，僅模擬單一轉向架下雙輪對的垂向列車荷載。由圖5可知，CRH2型列車通過直線段的最大輪軌力為96.166 kN，即按列車固定軸距對兩根鋼軌對稱施加大小為96.166 kN的垂向力P，為減小分析規模，取新型鋼枕軌道中間12跨軌枕范圍內軌道結構進行計算分析，加載示意如圖6所示。值得注意的是，當鋼枕間距發生改變時，4號鋼枕對應的垂向力P位置仍保持不變，僅8號鋼枕對應的垂向力P位置隨之改變。

圖6 模型加載示意(單位：mm)

3 軌道參數對軌道結構受力特性的影響

針對軌下膠墊剛度、鋼枕間距和道床彈性模量3種參數，分別計算列車荷載作用下不同參數對應的軌道結構受力特性，分析這3種參數對鋼枕軌道結構受力特性的影響規律。

3.1 軌下膠墊剛度的影響

考慮軌下膠墊剛度大小對軌道結構受力特性的影響，軌下膠墊剛度分別取50，60，70，80，90 kN/mm，扣件間距取0.6 m，道床彈性模量取150 MPa，其他參數取值見表1。計算列車荷載作用下鋼枕軌道結構受力特性，分析軌下膠墊剛度對鋼枕軌道結構受力特性的影響規律。計算結果如表2所示。

表2 不同軌下膠墊剛度下軌道結構受力變形最大值

從表2可以看出，軌下膠墊剛度對軌道結構受力特性影響比較顯著，特別是對鋼軌的受力特性影響較大。隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌位移遞減顯著，但鋼枕、道床和路基位移均隨之遞增；同時，鋼軌軌頭應力呈略微減小趨勢，鋼枕、道床和路基應力均隨之遞增。

當軌下膠墊剛度從50 kN/mm增大到90 kN/mm時，在軌道位移方面，鋼軌位移減小了32.8%，鋼枕位移增大了16.7%，道床位移增大了16.5%，路基位移增大了15.0%；在軌道應力方面，鋼枕應力增大了17.1%，道床和路基應力分別增大了18.3%和16.5%。

綜合上述，軌下膠墊剛度對鋼軌受力特性的影響最為顯著，隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌的受力與變形均隨之減小，這對鋼軌的使用狀態是有利的，但與此同時增大了鋼枕、道床和路基的受力與變形。因此，需要對軌下膠墊剛度進行合理的選取。

3.2 鋼枕間距的影響

考慮鋼枕間距大小對軌道結構受力特性的影響，鋼枕間距分別取1 600，1 667，1 760，1 840根/km，軌下膠墊剛度取60 kN/mm，道床彈性模量取150 MPa，其他參數取值見表1。計算列車荷載作用下鋼枕軌道結構受力特性，分析鋼枕間距對鋼枕軌道結構受力特性的影響規律。計算結果如表3所示。

表3 不同鋼枕間距下軌道結構受力變形最大值

從表3可以看出，鋼枕間距對軌道結構受力特性影響比較明顯；總體上看，減小鋼枕間距能夠減小軌道結構受力與變形；當鋼枕間距從1600根/km減小到1840根/km時，在軌道位移方面，鋼軌位移減小了11.5%，鋼枕位移減小了8.9%，道床位移減小了7.9%，路基位移減小了2.2%；在軌道應力方面，鋼軌軌頭應力呈略微減小趨勢，鋼枕應力減小了10.0%，道床應力和路基應力分別減小了12.6%和5.5%。

綜合上述，減小鋼枕間距有利于減小軌道結構受力，但鋼枕間距太小會加大對道砟搗固的作業難度，增加養護維修工作量和維修成本。因此，鋼枕間距需在合理范圍內選取。

3.3 道床彈性模量的影響

考慮道床彈性模量大小對軌道結構受力特性的影響，道床彈性模量分別取70，90，110，130，150 MPa，扣件間距取0.6 m，軌下膠墊剛度取60 kN/mm，其他參數取值見表1。計算列車荷載作用下鋼枕軌道結構受力特性，分析道床彈性模量對鋼枕軌道結構受力特性的影響規律。計算結果如表4所示。

從表4可以看出，道床彈性模量對鋼軌和路基的受力特性影響較小，對鋼枕和道床的受力特性影響較顯著；隨著道床彈性模量的增大，軌道各部件位移均隨之減小，與此同時，鋼軌軌頭應力變化較小，鋼枕和道床應力均隨之增大，路基應力隨之略微減小。

當道床彈性模量從70 MPa增大到150 MPa時，在軌道位移方面，鋼軌位移減小了1.2%，鋼枕位移減小了15.6%，道床位移減小了23.5%，路基位移減小了10.1%；在軌道應力方面，鋼枕應力增大了15.6%，道床應力增大了17.4%，路基應力減小了7.3%。

表4 不同道床彈性模量下軌道結構受力變形最大值

綜合上述，增大道床彈性模量可以減小鋼枕軌道結構變形，但同時會增大鋼枕和道床的受力。因此，道床彈性模量應在合理范圍內取值。

4 結論

提出一種能夠自動補償基礎沉降的新型鋼枕，建立了新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型，分析了軌下膠墊剛度、鋼枕間距以及道床彈性模量等參數對鋼枕軌道結構受力特性的影響規律，主要結論如下。

(1)軌下膠墊剛度對鋼軌受力特性的影響最為顯著，隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌的受力與變形均隨之減小，這對鋼軌的使用狀態是有利的，但與此同時增大了鋼枕、道床和路基的受力與變形。

(2)減小鋼枕間距能夠減小軌道結構受力與變形，但鋼枕間距太小會加大對道砟搗固的作業難度，增加養護維修工作量和維修成本。因此，鋼枕間距需在合理范圍內選取。

(3)增大道床彈性模量可以減小軌道結構變形，但同時增大了鋼枕和道床的受力。

綜上以上分析，建議對軌下膠墊剛度、鋼枕間距和道床彈性模量等參數綜合考慮后合理選取。