無砟軌道整體剛度影響因素研究

郭杰 趙坪銳

（西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031）

隨著車輛運行速度的提高，輪軌相互作用加劇，加大了車輛和軌道結構振動強度，對線路質量狀態提出更高的要求。合理的軌道整體剛度對于滿足列車平穩安全運行、保證軌道結構服役壽命、持久保持軌道幾何形位和提高旅客舒適度具有重要意義。

整體剛度是軌道結構設計、施工和維修的重要參數[1-2]，國內外對無砟軌道整體剛度問題高度重視。德國研發了可以降低無砟軌道整體剛度的彈性基板并投入使用，日本采用較小剛度的線下膠墊來提高乘坐舒適性[3]。文獻[4-5]基于靜力學和動力學開展了無砟軌道整體剛度優化的研究。文獻[6-7]研究了激振頻率對雙塊式無砟軌道整體剛度的影響，結果表明低頻激勵下無砟軌道整體剛度變化較小，高頻激勵時無砟軌道整體剛度顯著增大。

無砟軌道整體剛度除了受自身結構與材料特性影響外，還與所處的工作狀態有關。關于整體剛度的影響因素目前尚沒有全面、系統的研究。本文通過建立有限元模型，計算不同類型、不同線下基礎的無砟軌道在不同工作狀態下的整體剛度，分析無砟軌道所處工作狀態對整體剛度的影響。

1 有限元模型

以3種類型板式無砟軌道（CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型）和雙塊式無砟軌道為研究對象，其線下基礎包括路基、橋梁、隧道。利用ANSYS軟件建立有限元模型。模型中鋼軌采用梁單元模擬，扣件和基礎采用線性彈簧單元模擬，中間各結構層采用實體單元模擬。模型長度取3塊軌道板或相當長度，取中間軌道板作為研究對象。列車荷載施加在模型中間扣件正上方。

以路基區段CRTSⅢ型板式無砟軌道為例，建立的有限元模型如圖1所示。軌道板、自密實混凝土、底座板尺寸（長×寬×高）分別為5.60m×2.50m×0.21m，5.60 m×2.50 m×0.10 m，5.60 m×3.10 m×0.28 m。扣件間距為630 mm，垂向剛度取50 kN/mm，路基面支承剛度取76 MPa/m，主要計算參數見表1。其他無砟軌道的主要計算參數見文獻[8]。

圖1 路基區段CRTSⅢ型板式無砟軌道有限元模型

表1 路基區段CRTSⅢ型板式無砟軌道主要計算參數

2 整體剛度的影響因素

無砟軌道整體剛度K定義為鋼軌承受的荷載P與鋼軌最大位移ymax之比，即

2.1 列車荷載對整體剛度的影響

列車荷載包括靜輪載和動輪載。靜輪載的大小與軸重有關，本文軸重取15 t。動輪載的大小與列車運行速度、線路質量狀態等有關。在脈沖型激擾如鋼軌接頭焊縫凸臺激擾下，列車荷載可能達到靜輪載的10倍左右[9]。列車荷載為75～ 1 000 kN時，不同線下基礎條件下，4種無砟軌道的整體剛度隨列車荷載的變化曲線見圖2。

圖2 無砟軌道整體剛度隨列車荷載的變化曲線

由圖2可知：①對于同一種線下基礎，不同類型無砟軌道的整體剛度變化趨勢一致，均隨列車荷載的增大而增大。②隨著列車荷載的增大，不同線下基礎的無砟軌道整體剛度的增幅不同。列車荷載從75 kN增至1 000 kN時，路基區段增幅為18.1%～20.4%，橋梁區段增幅為2.4%～2.7%，隧道區段增幅為1.8%～2.6%。可見，列車荷載的增大對路基區段無砟軌道整體剛度的影響明顯大于橋隧區段。

顯然，無砟軌道整體剛度并非一定值，與線下基礎、列車荷載均有關。因此，在描述無砟軌道整體剛度時須說明其線下基礎類型和列車荷載。

2.2 脫空對整體剛度的影響

無砟軌道承受的荷載比較復雜，且往往是暴露在戶外環境中，加之受施工不當等因素的影響，常常發生脫空病害。本文列車荷載施加在模型中間扣件上，僅研究板中軌道板、底座板/支承層脫空對無砟軌道整體剛度的影響。

為避免繁復的計算，對脫空進行簡化處理。以路基區段CRTSⅠ型板式無砟軌道為例，假設沿軌道板、支承層橫向完全脫空，軌道板脫空時假設脫空沿CA砂漿厚度完全傷損，支承層脫空時刪除對應位置的路基彈簧以模擬脫空，如圖3所示。其中l為脫空長度，取0.5～1.5 m。

圖3 路基區段CRTSⅠ型板式無砟軌道脫空簡化示意

不同類型、不同線下基礎的無砟軌道整體剛度隨軌道板、底座板/支承層脫空長度的變化曲線見圖4、圖5。列車荷載取軸重的1.5倍，即115 kN。

圖4 無砟軌道整體剛度隨軌道板脫空長度的變化曲線

由圖4可知：①對于同一種線下基礎，不同類型無砟軌道的整體剛度變化趨勢一致，均隨軌道板脫空長度的增大而減小。這主要是由軌道板脫空時鋼軌最大位移的增大造成的。②隨著軌道板脫空長度的增大，不同線下基礎的無砟軌道整體剛度的減幅不同。軌道板脫空長度增至1.5 m時，路基區段CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟軌道的整體剛度分別減小 12.7%，2.3%，3.2%；橋梁區段分別減小24.1%%，4.6%，5.3%；隧道區段分別減小24.3%，4.9%，5.2%。可見，軌道板脫空對橋隧區段無砟軌道整體剛度的影響較路基區段大。

圖5 無砟軌道整體剛度隨底座板/支承層脫空長度的變化曲線

由圖5可知：①對于同一種線下基礎，不同類型無砟軌道的整體剛度變化趨勢一致，均隨底座板/支承層脫空長度的增大而減小。②隨著底座板/支承層脫空長度的增大，不同線下基礎的無砟軌道整體剛度的減幅不同。底座板/支承層脫空長度增至1.5 m時，路基區段CRTSⅠ型板式無砟軌道的整體剛度減小17.3%，橋梁和隧道區段分別減小10.7%和10.0%；其他3種類型的無砟軌道，路基、橋梁和隧道區段分別減小13.0%～13.9%，5.9%～8.4%，5.4%～9.3%。可見，底座板/支承層脫空對路基區段無砟軌道整體剛度的影響較橋隧區段大。

綜上，軌道板、底座板/支承層脫空均會導致無砟軌道整體剛度減小，且對于不同的脫空類型、無砟軌道類型和線下基礎類型，脫空對無砟軌道整體剛度的影響程度不同。其中，橋隧區段的CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板脫空對整體剛度影響最大，致使在列車荷載作用下無砟軌道位移大幅增加，影響列車運行平穩性和旅客乘坐舒適性。建議加強對脫空尤其是橋隧區段軌道板脫空的日常巡檢，并結合具體脫空程度確定維修等級。

2.3 扣件剛度突變對整體剛度的影響

扣件彈條、膠墊失效及施工不當等會導致扣件剛度發生突變，嚴重時可能達到正常剛度的10倍以上。扣件剛度突變對車輛和軌道動力特性均會帶來不利影響，其計算工況如圖6所示。扣件剛度列車荷載作用點處的扣件剛度突變值取100 ～1 000 kN/mm[10]，其余扣件剛度不變，均為50 kN/mm，列車荷載取115 kN。

圖6 扣件剛度突變計算工況示意

圖7 無砟軌道整體剛度隨扣件剛度突變的變化曲線

不同類型、不同線下基礎的無砟軌道整體剛度隨扣件剛度突變的變化曲線見圖7。可知：①對于同一種線下基礎，不同類型無砟軌道的整體剛度變化趨勢一致，均隨扣件剛度突變的增大而顯著增大，但增大速度逐漸減小。②隨著扣件剛度突變的增大，不同線下基礎的無砟軌道整體剛度的增幅不同。扣件剛度突變至1 000 kN/mm時，路基區段CRTSⅠ型板式無砟軌道的整體剛度增大104.6%，橋梁和隧道區段分別增大254.0%和261.7%；其他3種類型的無砟軌道，路基、橋梁和隧道區段分別增大142.4%～153.9%，394.6%～423.6%，401.4%～431.4%。可見，扣件剛度突變對橋隧區段無砟軌道整體剛度的影響較路基區段顯著。

整體剛度的增大將加劇輪軌相互作用，從而增大無砟軌道應力水平，降低無砟軌道使用壽命，故現場扣件施工時須嚴格按照扣件各部件安裝順序，詳細檢查扣件安裝是否合適，并建議加強對扣件剛度的日常巡檢，發現有剛度突變的扣件應立即進行維修。

3 結論及建議

1）無砟軌道整體剛度隨列車荷載增大而增大。列車荷載的增大對路基區段無砟軌道整體剛度的影響明顯大于橋隧區段。

2）軌道板、底座板/支承層脫空均會導致無砟軌道整體剛度減小，整體剛度隨脫空長度的增大而減小。對于不同的無砟軌道類型和線下基礎類型，脫空對無砟軌道整體剛度的影響程度不同，軌道板脫空對橋隧區段的CRTSⅠ型板式無砟軌道整體剛度影響最大，且對橋隧區段無砟軌道整體剛度的影響較路基區段大；而底座板/支承層脫空均對路基區段無砟軌道整體剛度的影響較橋隧區段大。

3）無砟軌道整體剛度隨扣件剛度突變的增大而顯著增大，但增大速度逐漸減小。對于不同的無砟軌道類型和線下基礎類型，扣件剛度突變對無砟軌道整體剛度的影響程度不同，對CRTSⅠ型板式無砟軌道整體剛度的影響最小。扣件剛度突變對橋隧區段無砟軌道整體剛度的影響較路基區段顯著。

4）建議加強對脫空和扣件剛度的日常巡檢，結合具體脫空程度確定維修等級，對剛度突變的扣件立即進行維修。

目前，中國鐵道科學研究院集團有限公司研制的移動式線路動態加載車已能夠成功檢測軌道整體剛度并識別軌道質量不良地段[11]。本文研究成果對基于軌道整體剛度檢測結果識別軌道質量不良地段的研究與應用具有積極的意義，可為無砟軌道病害識別與維護、線路質量狀態檢測與評價提供一定的指導。