重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構力學分析

王 會 永

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，貨物運輸需求不斷提升，中國重載鐵路的發(fā)展正進入一個以提高車輛軸重為特征的新階段[1]。國內(nèi)外重載鐵路大多采用有砟軌道結(jié)構[2]。有砟軌道維修工作頻繁，天窗兌現(xiàn)率低，特別是在長大隧道內(nèi)，作業(yè)空間小，軌道維修更加困難。而無砟軌道結(jié)構則具有維修工作量小、結(jié)構穩(wěn)定性、連續(xù)性和平順性好等優(yōu)點[3]。結(jié)合目前國內(nèi)工程建設實際，本文對重載鐵路隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道和長枕套靴式無砟軌道進行靜力學分析，為重載鐵路隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構選型提供一定理論依據(jù)。

1 無砟軌道實體有限元模型

基于有限元理論，利用ABAQUS軟件建立彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道結(jié)構實體模型，如圖1所示。兩種軌道結(jié)構模型均為實體單元建模，其中鋼軌為75 kg/m重型鋼軌，采用彈簧單元模擬WJ-8A型扣件，橫、垂向彈簧為線性單元，縱向彈簧為非線性單元；道床采用C40混凝土，寬2 800 mm，厚300 mm。彈性支承塊式結(jié)構采用SK-2型軌枕，尺寸為長844 mm，寬273 mm，高170 mm。側(cè)面橡膠厚度為7 mm，底面為12 mm，彈性模量取3 MPa。長枕套靴式結(jié)構軌枕采用C60混凝土，長2 800 mm，寬297 mm，高175 mm；側(cè)邊橡膠套靴厚7 mm，塊下橡膠厚12 mm，兩側(cè)軌枕下部套靴的支承寬度為780 mm，彈性模量取3 MPa。

2 軌道結(jié)構靜力學分析

本文對車輛垂、橫向荷載、隧道洞口溫度梯度荷載作用下的彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道結(jié)構進行靜力學對比分析。

2.1 靜力荷載取值

2.1.1車輛荷載取值

車輛荷載采用單軸雙輪加載模式。對于重載無砟軌道，結(jié)構設計荷載取值如下：

豎向設計荷載Pd為:

Pd=α·Pj

(1)

其中，Pj為靜輪載；α為動載系數(shù)，25 t軸重時取2.5，其他取3.0。

橫向設計荷載Q為:

Q=0.8Pj

(2)

2.1.2隧道洞口溫度梯度

根據(jù)觀測，冬季隧道內(nèi)的軌溫比隧道外高約17 ℃，夏季比隧道外低約20 ℃。本文選取隧道內(nèi)外最大溫差20 ℃，線性分布于隧道洞口附近40 m范圍內(nèi)，如圖2所示。

2.2 車輛荷載作用下的力學特性

2.2.1垂向車輛荷載作用

對兩種軌道結(jié)構施加不同軸重的垂向荷載計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，各計算指標隨著軸重的增加均明顯增大。35 t軸重下彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道的軌枕塊最大拉應力分別為0.93 MPa，1.56 MPa，小于C60混凝土的軸心抗拉強度極限值3.50 MPa。道床最大拉應力分別為1.37 MPa,1.53 MPa，小于C40素混凝土的軸心抗拉強度極限值2.70 MPa。

對比兩種軌道結(jié)構的受力與變形，可知在相同軸重的垂向荷載作用下，彈性支承塊式軌道結(jié)構的軌枕塊、道床應力小于長枕套靴式，鋼軌動彎應力差別不大。彈性支承塊式軌道的鋼軌、軌枕塊位移均大于長枕套靴式，說明長枕套靴式結(jié)構的限位能力較好。兩種軌道結(jié)構的道床板垂向位移均較小。

表1 垂向荷載作用下靜力計算結(jié)果

2.2.2橫向車輛荷載作用

對兩種軌道結(jié)構施加不同軸重的橫向荷載計算結(jié)果如表2所示。由表2可知，各計算指標均隨著軸重的增加明顯增大。35 t軸重下彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道的軌枕塊的縱橫向拉應力比較大，最大拉應力分別為3.67 MPa，4.90 MPa，已經(jīng)超過C60素混凝土的軸心抗拉強度極限值3.5 MPa，考慮到實際工程中軌枕塊采用的是配有鋼筋的C60預應力混凝土，且允許軌枕塊帶裂縫工作，故此種狀況在實際中是允許的。道床最大拉應力分別為0.82 MPa,0.92 MPa，小于C40素混凝土的軸心抗拉強度極限值2.70 MPa。

對比兩種軌道結(jié)構的受力與變形，可知在相同軸重的垂向荷載作用下，彈性支承塊式軌道結(jié)構的軌枕塊、道床應力小于長枕套靴式。彈性支承塊式軌道的鋼軌位移大于長枕套靴式，說明長枕套靴式結(jié)構對鋼軌的限位能力較好。長枕套靴式無砟軌道軌枕塊橫向位移較大，達到0.81 mm。

表2 橫向荷載作用下靜力計算結(jié)果

2.3 隧道口溫度梯度作用下的力學特性

隧道洞口溫度梯度荷載作用下，彈性支承塊式、長枕套靴式無砟軌道結(jié)構應力與變形計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，在溫度梯度荷載作用下，彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道結(jié)構的應力與位移均較小，其中長枕套靴式無砟軌道縱向限位能力稍差，所產(chǎn)生的拉應力也稍大。

表3 受隧道口溫度梯度作用下計算結(jié)果

綜合以上分析，彈性支承塊式無砟軌道與長枕套靴式無砟軌道的受力變形規(guī)律類似，并且在軌枕塊、道床拉應力等指標上，彈性支承塊式無砟軌道都優(yōu)于長枕套靴式無砟軌道結(jié)構。在實際工程應用中，長枕套靴式無砟軌道結(jié)構在我國應用較少，彈性支承塊式無砟軌道已在蘭新二線烏鞘嶺隧道、西康線秦嶺隧道等客貨混運線路成功應用。根據(jù)調(diào)研情況，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構在隧道基地穩(wěn)固地段應用情況良好，是一種較為成熟的結(jié)構形式。因此，在重載鐵路長大隧道內(nèi)宜優(yōu)先鋪設彈性支承塊式無砟軌道。

3 結(jié)語

本文對彈性支承塊式無砟軌道與長枕套靴式無砟軌道施加車輛垂向荷載、橫向荷載、隧道洞口溫度梯度荷載，分析了兩種無砟軌道的靜力學特性，結(jié)論如下：

1)各靜力學計算指標隨車輛軸重增加而明顯增大。垂向車輛荷載作用下，兩種軌道結(jié)構均滿足要求；橫向車輛荷載作用下，考慮實際工程中預應力混凝土帶裂縫工作，兩種軌道結(jié)構均可滿足要求，不會發(fā)生破壞。在軌枕塊、道床拉應力等指標上，彈性支承塊式無砟軌道都優(yōu)于長枕套靴式無砟軌道結(jié)構。

2)隧道洞口溫度梯度荷載作用下，兩種無砟軌道結(jié)構的應力與位移均較小，長枕套靴式無砟軌道縱向限位能力稍差，所產(chǎn)生的拉應力也稍大，彈性支承塊式無砟軌道結(jié)構性能略有優(yōu)勢。

3)結(jié)合實際工程應用，對于重載鐵路長大隧道，彈性支承塊式無砟軌道應用較多，是一種較為成熟的結(jié)構。因此，在重載鐵路長大隧道內(nèi)宜優(yōu)先鋪設彈性支承塊式無砟軌道。