地鐵道岔區(qū)段新型合成軌枕的力學(xué)特性研究

楊 洋，呂文昊，陸展銘

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530025)

0 引言

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)[1]中指出：“推進(jìn)城市群都市圈交通一體化，加快城際鐵路、市域(郊)鐵路建設(shè)，構(gòu)建高速公路環(huán)線系統(tǒng)，有序推進(jìn)城市軌道交通發(fā)展。”為積極響應(yīng)、切實(shí)推進(jìn)《規(guī)劃》對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出的新目標(biāo)，城市軌道交通必須以提高人民生活水平、提升社會(huì)服務(wù)能力為宗旨，在保證現(xiàn)有裝備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，加大對(duì)新材料、新工藝、新方法的探索。軌枕作為地鐵線路的核心部件，主要承受由鋼軌傳遞的列車荷載，并起著向下部結(jié)構(gòu)傳遞荷載的作用。隨著我國(guó)地鐵線路運(yùn)營(yíng)里程和客運(yùn)量的逐年升高，傳統(tǒng)木枕和混凝土枕在線路運(yùn)營(yíng)過程中均出現(xiàn)不同程度的損傷，嚴(yán)重影響線路的平穩(wěn)運(yùn)行，為保證地鐵車輛運(yùn)營(yíng)的安全性和旅客的舒適性，我國(guó)在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種由長(zhǎng)玻璃纖維和聚氨酯材料組成的新型合成軌枕[2]，該合成軌枕具備良好的工作性和優(yōu)異的耐久性，在替代傳統(tǒng)軌枕時(shí)取得了良好的效果[3]。

道岔區(qū)間由于其結(jié)構(gòu)功能和荷載組成的復(fù)雜性，與鋼軌接頭、曲線一起被列為地鐵線路的三大薄弱環(huán)節(jié)[4]。我國(guó)西南地區(qū)某城市軌道交通地鐵線路自運(yùn)營(yíng)以來在道岔區(qū)段處出現(xiàn)傳統(tǒng)木枕的傷損現(xiàn)象，在制約運(yùn)維效率的同時(shí)也威脅到車輛的運(yùn)行安全。運(yùn)營(yíng)方擬引進(jìn)新型合成軌枕技術(shù)，試圖將新型合成軌枕敷設(shè)于道岔咽喉區(qū)段，但由于缺少該地區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)道岔區(qū)合成軌枕鋪設(shè)后的受力特性尚不明確，亟須開展該方面的研究。在此背景下，課題組針對(duì)該地鐵線路道岔區(qū)段的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，在前期軌道工程新材料、線路力學(xué)特性和安全性研究成果的基礎(chǔ)上[5-7]，通過有限元軟件建立仿真分析模型，利用合成軌枕性能指標(biāo)和線路工況等參數(shù)，分析新型合成軌枕在地鐵道岔區(qū)段的受力分布情況，以力學(xué)特性分析結(jié)果為依據(jù)提出針對(duì)性抽換建議，為西南地區(qū)新型合成軌枕的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和前期基礎(chǔ)。

1 地鐵道岔區(qū)段分析模型

我國(guó)地鐵線路軌道結(jié)構(gòu)形式主要分為有砟軌道和無砟軌道，由于本線擬替換有砟軌道的傳統(tǒng)軌枕構(gòu)件，故本文主要針對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)形式展開研究。地鐵線路有砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、軌枕、扣件、道床和下部結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。地鐵線路道岔按照“鋼軌類型+道岔號(hào)數(shù)”進(jìn)行分類，本項(xiàng)目擬將兩組50 kg·m-1鋼軌7號(hào)菱形道岔的普通木枕改造為合成軌枕，菱形道岔結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2所示。

圖1 有砟軌道主要結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖2 菱形道岔示意圖

1.1 有限元模型

有限元分析是一種利用數(shù)學(xué)近似的方法模擬設(shè)計(jì)荷載條件，通過單元之間相互作用，簡(jiǎn)化復(fù)雜的實(shí)際問題，求得問題的近似解[8]。本文主要采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，由于擬替換軌枕位于地面線路，所以建模時(shí)只考慮路基上軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用實(shí)體單元solid建立基礎(chǔ)、道床和合成軌枕構(gòu)件，采用梁?jiǎn)卧猙eam建立7號(hào)菱形道岔(鋼軌)和扣件，墊板材料屬性為Q235-A，軌枕間距為550 mm，以一個(gè)完整50 kg·m-1鋼軌7號(hào)菱形道岔為研究對(duì)象。其中，軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，合成軌枕構(gòu)件各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)如表2所示。該測(cè)試結(jié)果符合《聚氨酯泡沫合成軌枕》(CJ/T399-2012)。有限元模型如圖3所示。

表1 有砟軌道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)表

表2 合成軌枕性能指標(biāo)表

圖3 有限元分析模型圖

1.2 地鐵道岔區(qū)段軌枕工況

軌枕服役期間產(chǎn)生的病害主要受荷載、溫度、氣候和環(huán)境等因素影響，其中外部荷載是影響軌枕構(gòu)件服役壽命的主要原因。當(dāng)?shù)罔F車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)，道岔區(qū)段軌枕主要承受列車荷載、溫度荷載和軸向荷載等作用。由于新型合成軌枕在該地區(qū)鋪設(shè)尚無基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，故本文只針對(duì)列車荷載作用和溫度荷載作用這兩種工況，開展道岔區(qū)段軌枕的力學(xué)特性研究。

1.2.1 列車輪群荷載作用下的軌枕工況

基于被普遍認(rèn)同的軌道力學(xué)分析理論[9]，采用準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法開展列車動(dòng)荷載數(shù)值的計(jì)算。列車動(dòng)荷載即為軌道結(jié)構(gòu)中鋼軌承受的豎向荷載，利用式(1)計(jì)算。式(1)按照不同速度給出計(jì)算方法，其中Pd為動(dòng)荷載，P0為靜荷載，速度系數(shù)α表征由于行車速度所致的動(dòng)荷載和靜荷載的比值，偏載系數(shù)β表征通過曲線時(shí)由于超高產(chǎn)生偏載時(shí)引起的動(dòng)荷載與靜荷載的比值。由于7號(hào)道岔直向允許速度為60 km/h，側(cè)向允許速度為25 km/h，故采用速度V≤120 km/h時(shí)的分段函數(shù)。

(1)

根據(jù)車型參數(shù)，轉(zhuǎn)向架固定軸距為2 300 mm，轉(zhuǎn)向架中心距為1 260 mm，單根鋼軌輪重與軸距如圖4所示。在輪群荷載下進(jìn)行枕上壓力計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)向架間距>5 m，則對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響可忽略，所以只計(jì)算第一轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)車輪即可。軌枕靜壓力計(jì)算公式如式(2)所示。其中，R0為枕上靜壓力，y0為鋼軌靜位移，按照式(2)計(jì)算出靜壓力，代入式(1)中，速度系數(shù)a取0.45 kN/100=0.27，計(jì)算得到Ⅰ輪位疊加靜荷載約為67.31 kN，Ⅱ輪位疊加靜荷載約為67.32 kN，取第Ⅱ輪位荷載為最不利靜荷載，計(jì)算枕上靜壓力為28.1 kN，枕上動(dòng)壓力為35.69 kN。

(2)

R0=aμy0

圖4 單根鋼軌輪重與軸距示意圖

1.2.2 溫度梯度荷載作用下的軌枕工況

由于本道岔區(qū)段位于地面線路處，在運(yùn)營(yíng)過程中長(zhǎng)期受到日照、氣溫等溫度荷載作用，加之我國(guó)西南地區(qū)比其他地區(qū)溫度普遍偏高，合成軌枕長(zhǎng)期裸露于地面線處，更易受到白天溫度升高、夜晚溫度降低的環(huán)境溫度影響，所以研究溫度荷載下軌枕工況尤為重要。通過查閱資料[10]，溫度荷載是沿著軌枕的高度方向逐漸變化的，本工況取極端條件下的溫度開展軌枕的力學(xué)特性研究，其中夏天白天日照充足時(shí)溫度梯度為60 ℃/m，冬季夜晚溫度降低時(shí)溫度梯度為-60 ℃/m。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為探究列車荷載、溫度梯度荷載下新型合成軌枕的力學(xué)性能，將兩種工況施加于有限元模型中，計(jì)算時(shí)為減少邊角應(yīng)力集中的影響，取模型中心相距550 mm軌枕間距的連續(xù)3塊新型軌枕中的中間1根為研究對(duì)象，在有限元結(jié)果中顯示材料拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和位移等指標(biāo)，試圖找出應(yīng)力狀態(tài)的分布規(guī)律，并對(duì)照線路設(shè)計(jì)中容許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值、拉應(yīng)力容許值得到新型合成軌枕在各工況下的力學(xué)分布，并指導(dǎo)新舊軌枕抽換施工。

2.1 列車輪群荷載作用下的應(yīng)力分布

在列車輪群荷載作用下的軌道結(jié)構(gòu)，其荷載由鋼軌經(jīng)過扣件傳遞至新型軌枕，以枕上動(dòng)壓力35.69 kN通過面荷載的形式作用于新型軌枕，軌枕受力分布情況如圖5所示。由于疊加荷載作用，以中間位置的軌枕力學(xué)情況開展研究。由圖5可知，新型軌枕在列車荷載下的應(yīng)力及位移呈軸對(duì)稱分布；拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在軌枕下表面與鋼軌接觸位置對(duì)側(cè)，最大拉應(yīng)力為0.92 MPa，壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在軌枕上表面墊板接觸位置，最大壓應(yīng)力為1.1 MPa；新型軌枕在軌道垂向的最大偏移量為14.4 mm。各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布情況均低于新型軌枕材料容許應(yīng)力，在列車輪群動(dòng)荷載作用下的新型軌枕力學(xué)特性滿足運(yùn)營(yíng)線路要求。

2.2 溫度梯度荷載作用下的應(yīng)力分布

由于自然環(huán)境溫度變化，軌枕表面溫度和內(nèi)部溫度在軌枕高度方向呈現(xiàn)逐漸降低或升高的特點(diǎn)。新型軌枕在施加溫度梯度60 ℃/m和-60 ℃/m后，軌枕正負(fù)溫度梯度分布如圖6所示。由圖6可以看出，兩種溫度梯度荷載由于導(dǎo)熱系數(shù)恒定，都以均勻分布的形式呈現(xiàn)；正溫度梯度中，上表面相對(duì)下表面高出9.6 ℃，負(fù)溫度梯度中，上表面相對(duì)下表面高出-9.6 ℃。

通過面荷載的形式將熱力分布情況導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，軌枕受力分布情況如下頁(yè)圖7、圖8所示。由圖7可知：新型軌枕在60 ℃/m溫度梯度荷載下的應(yīng)力云圖以軌道中心線呈對(duì)稱分布；沿軌道橫向的最大拉應(yīng)力為0.62 MPa、最大壓應(yīng)力為0.68 MPa；新型軌枕受正溫度梯度力時(shí)垂向最大偏移量為0.04 mm。由圖8可知：新型軌枕在-60 ℃/m溫度梯度荷載下的應(yīng)力云圖以軌道

中心線呈對(duì)稱分布；沿軌道橫向的最大拉應(yīng)力為0.62 MPa、最大壓應(yīng)力為0.70 MPa；新型軌枕受正溫度梯度力時(shí)垂向最大偏移量為0.04 mm。將兩種溫度梯度下的力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，正負(fù)溫度梯度荷載下應(yīng)力極值數(shù)值相近、位置對(duì)稱，位移數(shù)值相近、方向相反，說明模型計(jì)算互相驗(yàn)證正確，且數(shù)值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，在正負(fù)溫度梯度荷載作用下軌枕的受力情況均滿足運(yùn)營(yíng)線路要求。

2.3 新舊軌枕抽換方案分析

根據(jù)軌枕力學(xué)狀態(tài)分析結(jié)果可知，當(dāng)新型合成軌枕應(yīng)用于道岔區(qū)段時(shí)，在力學(xué)分布、應(yīng)力極值和位移等指標(biāo)上表現(xiàn)極佳，完全能夠滿足該地段列車運(yùn)行頻次和主要工況。雖然計(jì)算結(jié)果可為新型軌枕的抽換施工提供理論支撐，但由于現(xiàn)場(chǎng)施工過程存在諸多不確定因素，新型軌枕應(yīng)用于道岔區(qū)段時(shí)的受力特性也會(huì)被施工規(guī)范、施工方案和線路恢復(fù)等的質(zhì)量所影響，故為更好實(shí)施運(yùn)營(yíng)線路新舊軌枕抽換施工，現(xiàn)針對(duì)抽換施工方案提出如下建議：(1)應(yīng)將主要工作聚焦于木枕拆除與搬運(yùn)、埋線處理、新型軌枕安裝和線路恢復(fù)等工序，建議在確立線路作業(yè)部門為核心實(shí)施部門的同時(shí)，調(diào)集通信信號(hào)、線路車輛、運(yùn)營(yíng)調(diào)度等部門配合；(2)在抽換施工期間，對(duì)新舊枕拆除、安裝等與涉及影響外專業(yè)設(shè)備時(shí)的工序進(jìn)行旁站監(jiān)督；(3)在抽換前應(yīng)提前做好計(jì)劃，尤其是接頭位置左右兩根軌枕需當(dāng)日更換完畢，安裝后地腳螺栓應(yīng)當(dāng)與接頭螺栓適應(yīng)，安裝過程中軌枕安裝位置、孔距和鉆孔工藝等應(yīng)與設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求相一致；(4)換枕設(shè)備恢復(fù)時(shí)，道岔區(qū)段設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足相關(guān)要求，更換后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行≥3 d的保養(yǎng)，保養(yǎng)后應(yīng)滿足作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；(5)抽換完畢恢復(fù)線路后，應(yīng)對(duì)該地段整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性、線路通過能力、新型軌枕位移做長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)調(diào)整線路參數(shù)，為其他線路的推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)道岔區(qū)段實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，通過有限元軟件建立仿真分析模型，分別施加列車輪群荷載和溫度梯度荷載，分析新型合成軌枕在地鐵道岔區(qū)段的受力分布，得到如下結(jié)論：

(1)新型軌枕在列車荷載下的應(yīng)力及位移呈軸對(duì)稱分布，最大拉應(yīng)力為0.92 MPa、最大壓應(yīng)力為1.1 MPa、最大偏移量為14.4 mm，滿足運(yùn)營(yíng)線路要求。

(2)新型軌枕在正負(fù)溫度梯度荷載下的應(yīng)力均以軌道中心線呈對(duì)稱分布；正應(yīng)力下最大拉應(yīng)力為0.62 MPa、最大壓應(yīng)力為0.68 MP、最大偏移量為0.04 mm；負(fù)應(yīng)力下最大拉應(yīng)力為0.62 MPa、最大壓應(yīng)力為0.70 MPa、最大偏移量為0.04 mm；兩種溫度梯度荷載下力學(xué)數(shù)值相近、方向相反，均滿足運(yùn)營(yíng)線路要求。

(3)新型軌枕在力學(xué)分布、應(yīng)力極值和位移等指標(biāo)上表現(xiàn)極佳，完全能夠滿足該地段列車運(yùn)行頻次和主要工況，抽換施工時(shí)應(yīng)將主要工作聚焦于木枕拆除與搬運(yùn)、埋線處理、新型軌枕安裝和線路恢復(fù)等工序。