有軌電車橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

莫宏愿，陳攀

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031；2.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023）

1 研究背景

有軌電車系統(tǒng)具有減震降噪性能好、造價(jià)低、施工難度小、速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，有軌電車系統(tǒng)在我國(guó)軌道交通工程建設(shè)應(yīng)用中呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，已成為軌道交通系統(tǒng)中的重要一員。為了滿足有軌電車應(yīng)用環(huán)境需求，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了多種滿足有軌電車系統(tǒng)服役環(huán)境要求的軌道結(jié)構(gòu)，其中，橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)是有軌電車軌道結(jié)構(gòu)的一員。橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)是一種單元結(jié)構(gòu)，該軌道結(jié)構(gòu)從上至下由59R2槽型鋼軌、聚氨酯（PUR）填充材料、承軌槽、限位凸臺(tái)、隔離層和現(xiàn)澆層等部件組成[1]，其中，承軌槽為預(yù)制件。該結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)填充聚氨酯材料對(duì)鋼軌進(jìn)行縱、橫向約束，取消了傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)的扣件系統(tǒng)。軌道結(jié)構(gòu)的主要功能是提供良好的軌道幾何形位，引導(dǎo)車輛安全平穩(wěn)行駛。在溫度荷載或者列車荷載作用下，鋼軌及軌道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形，若軌道結(jié)構(gòu)各部件力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，嚴(yán)重情況下會(huì)造成軌道結(jié)構(gòu)幾何形位超限，影響行車的安全性。

迄今，研究軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律較為缺乏。PUR填充材料的主要功能是給鋼軌提供連續(xù)彈性支撐和約束鋼軌的縱橫向位移，若PUR填充材料的剛度取值不合理，可能會(huì)影響到鋼軌幾何形位的保持，從而影響行車安全。道床板主要是承受上部傳遞的荷載并傳遞至下部基礎(chǔ)，道床板長(zhǎng)度參數(shù)影響著其結(jié)構(gòu)受力特性。因此，本文針對(duì)某簡(jiǎn)支連續(xù)梁縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立橋梁-軌道一體化力學(xué)計(jì)算模型，分析軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)包括PUR填充材料彈模和結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度在溫度荷載、列車荷載作用下對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律，為該軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。

2 計(jì)算模型介紹

2.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

本文旨在研究橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，基于橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立如圖1所示的力學(xué)分析模型，該模型分別對(duì)鋼軌、PUR填充材料、承軌槽、隔離層、現(xiàn)澆層等軌道部件及橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。其中，59R2鋼軌、承軌槽和現(xiàn)澆層等部件的計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)表1，PUR填充材料垂向剛度50 kN/（mm·m）、縱向剛度25 kN/（mm·m）、橫向剛度50 kN/（mm·m）。

圖1 橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型

表1 各軌道結(jié)構(gòu)組成部分材料參數(shù)

2.2 荷載選取

根據(jù)橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)服務(wù)對(duì)象與服役環(huán)境，該軌道結(jié)構(gòu)主要承受溫度荷載與列車荷載，其中，溫度荷載包括軌道結(jié)構(gòu)整體溫度荷載和溫度梯度荷載兩方面，列車荷載包括豎向荷載和橫向荷載。所有荷載的選取依據(jù)：根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)服役環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軌道結(jié)構(gòu)整體溫度荷載變化確定為±25℃[2,3]；軌道結(jié)構(gòu)的溫度梯度荷載確定為50℃/m，并根據(jù)板厚修正溫度梯度荷載的設(shè)計(jì)值；動(dòng)力系數(shù)法用于計(jì)算列車豎向設(shè)計(jì)荷載[4]，計(jì)算結(jié)果取107.5 kN；參考相關(guān)的研究，橫向荷載經(jīng)驗(yàn)取值為0.6倍的靜輪重（62.5 kN），故橫向荷載確定為37.5 kN。

2.3 邊界條件設(shè)定

有軌電車縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆層通過(guò)梁體的預(yù)埋鋼筋與梁體形成可靠的連接，約束軌道結(jié)構(gòu)縱、橫向位移，保證軌道結(jié)構(gòu)具有良好的幾何形位。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將模型中的現(xiàn)澆層與橋梁梁面進(jìn)行位移耦合約束；按照圣維南原理，為了減少邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文最終確定以3塊軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度為計(jì)算模型，并以位于中間的軌道結(jié)構(gòu)作為分析軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性的研究對(duì)象。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 聚氨酯材料剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

為了更好地分析PUR材料彈模對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，PUR彈性模量的取值從1 MPa變化至30 MPa。

3.1.1 溫度荷載作用下PUR材料彈性模量的影響

在溫度荷載作用下，隨著PUR填充材料彈模的增大，鋼軌最大垂向位移呈現(xiàn)先緩慢增加后保持不變的規(guī)律，而承軌槽最大垂向相對(duì)位移的變化規(guī)律與之相反，呈現(xiàn)先減小后保持不變的趨勢(shì)。當(dāng)PUR材料彈性模量較小且在1～4 MPa范圍時(shí)，溫度荷載作用下鋼軌垂向位移、承軌槽垂向位移關(guān)于PUR填充材料彈性模量變化率較大，隨著PUR材料彈性模量的增大，尤其超過(guò)10 MPa，溫度荷載作用下鋼軌垂向位移、承軌槽垂向位移關(guān)于PUR填充材料彈性模量變化率趨向于零。

3.1.2 列車制動(dòng)荷載作用下PUR材料彈性模量的影響

當(dāng)有軌電車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度較低時(shí)，對(duì)鋼軌豎向變形限值的要求較為寬松，為了防止列車行駛過(guò)程中出現(xiàn)的易脫軌現(xiàn)象，相比于豎向變形，實(shí)際工程中對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的軌距變形值要求更高一些。

在列車荷載作用下，PUR材料彈性模量在1～10 MPa時(shí)，鋼軌橫向位移關(guān)于PUR彈性模量的變化率遠(yuǎn)大于承軌槽橫向位移的變化率；PUR材料彈性模量在10 MPa以上時(shí)，鋼軌橫向最大位移與承軌槽橫向最大位移關(guān)于PUR彈性模量的變化率趨向于零。PUR彈性模量＞5 MPa時(shí)，鋼軌橫向位移＜1 mm，參照TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》軌距變化要求及有軌電車系統(tǒng)特點(diǎn)，可以得出，較為合理的PUR材料彈模應(yīng)在5～10 MPa，對(duì)應(yīng)的縱向剛度值在15～30 kN/（mm·m）。

3.2 軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

國(guó)內(nèi)橋上軌道結(jié)構(gòu)一般均采用單元結(jié)構(gòu)，借鑒國(guó)內(nèi)其他橋上軌道系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何尺寸，本文在分析橋上縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度參數(shù)分別取4.6 m、5.6 m、6.6 m。

3.2.1 溫度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度的影響

在整體溫度荷載作用下，鋼軌最大垂向位移和承軌槽最大垂向相對(duì)位移均隨單元長(zhǎng)度的增加緩慢增加。在本研究設(shè)定的單元長(zhǎng)度范圍，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形增加幅度不超過(guò)21%，說(shuō)明整體溫度荷載下，單元長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)豎向變形的影響較小。與之不同的是，在溫度梯度荷載作用下，隨著單元長(zhǎng)度的增加，鋼軌最大垂向位移和承軌槽最大垂向相對(duì)位移均顯著減小。具體來(lái)講，當(dāng)單元長(zhǎng)度從4.6 m增加到6.6 m（增量為43.4%）時(shí)，鋼軌豎向變形減小了65%，承軌槽豎向變形減小了61%。

由此可知，在溫度梯度荷載作用下，單元長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)豎向力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響。單元長(zhǎng)度的增加一方面有利于減小軌道結(jié)構(gòu)豎向變形；另一方面，軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度越長(zhǎng)，軌道結(jié)構(gòu)承受的溫度荷載越大，軌道結(jié)構(gòu)需要配的鋼筋量越多，同時(shí)因承軌槽構(gòu)件為預(yù)制件，軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加運(yùn)輸難度。因此，綜合考慮，較為合理的軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度建議取值為5.6 m。

3.2.2 列車荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度的影響

當(dāng)列車荷載作用于軌道結(jié)構(gòu)不同部位時(shí)，鋼軌和承軌槽的最大橫向位移隨單元長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，且改變單元長(zhǎng)度在4.6～6.6 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的橫向變形變化較小，這說(shuō)明在列車荷載作用下單元長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)橫向變形影響較小。一方面，單元長(zhǎng)度過(guò)小會(huì)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；另一方面，單元長(zhǎng)度過(guò)大需要額外對(duì)軌道結(jié)構(gòu)采取限位措施，增加造價(jià)成本。因此，較為合理的軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度取值可在約5.6 m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)縱向分體式軌道結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立橋梁-軌道一體化力學(xué)計(jì)算模型，研究了在溫度荷載和列車荷載作用下，PUR填充材料剛度和軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，并基于研究結(jié)果提出了優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)值。主要結(jié)論如下：

1）在外荷載作用下，當(dāng)PUR填充材料彈性模量在1～4 MPa時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)變形顯著，當(dāng)PUR填充材料彈性模量在10 MPa以上時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)變形趨向于保持不變。較為合理的PUR填充材料彈性模量取值應(yīng)在5～10 MPa，對(duì)應(yīng)的縱向剛度值在15～30 kN/（mm·m）。

2）在溫度梯度荷載作用下，隨著單元長(zhǎng)度的增加，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形顯著減小。在列車荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)橫向變形隨單元長(zhǎng)度的增加變化較小；綜合考慮造價(jià)、運(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊懸粋€(gè)較為合理的軌道結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度取值可在約5.6 m。