400km／h高速鐵路路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道靜力分析

蘇乾坤 何 寧 龐 玲 王育恒 盧 野

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

無砟軌道以其整體性強、耐久性好、平順性好、維修量少及整潔美觀等優勢，成為當前高速鐵路的主要軌道結構型式，其中我國擁有自主知識產權的CRTSⅢ型板式無砟軌道近年來被廣泛應用，成為現有高速鐵路無砟軌道的主流型式［1-2］。

目前，我國開通的線路最高設計速度為350 km／h，已成功投入運營多年，取得了良好的社會評價。但隨著生活水平的不斷提高和經濟的快速發展，提升列車運行速度、縮短旅行地間列車運營時間是高速鐵路發展的必由之路，國務院印發的《交通強國建設綱要》也強調要統籌安排400 km／h 級高速輪軌客運列車系統的技術儲備研發。然而，400 km／h 級高速鐵路運行速度更高，對CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的穩定性、耐久性及平順性提出了更高的要求［3］。基于此，本文將從靜力學角度對軌道結構設計提出優化建議。

1 計算模型及參數

CRTSⅢ型板式無砟軌道由鋼軌、WJ-8 型扣件、軌道板、自密實混凝土、隔離層、底座構成；基于通用圖的軌道結構尺寸［4］，采用有限元軟件ANSYS 建立路基地段的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道模型（梁體和梁板）［5-7］。梁體模型中鋼軌采用梁單元，扣件和地基基礎采用彈簧單元，其余軌道部件采用實體單元。梁板模型中鋼軌采用梁單元，扣件、地基基礎、自密實混凝土層采用彈簧單元，其余軌道部件采用殼單元。建立3 塊軌道板及相對應長度的底座板，選取中間的軌道板作為研究對象，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖

在列車沖擊荷載、整體溫度荷載、溫度梯度和基礎變形的作用下，分析路基地段軌道結構變形和內力。模型中相關參數及荷載取值參照客運專線無砟軌道設計理論與方法研究［8］和相關規范［9-10］取得，CRTSⅢ型板式無砟軌道板縫70 mm，單元板設有9 組扣件，扣件間距0．63 m。列車荷載軸重17 t，采用單軸雙輪方式加載。對于400 km／h 級高速鐵路，本文將動載系數視為變量，依次取3．0、3．25、3．5、3．75、4．0，對比工況的常用動載系數取2。現澆自密實混凝土收縮徐變按等效降溫10 ℃考慮，軌道結構最大整體升降溫均取為±30 ℃，最大正溫度梯度取90 ℃／m，最大負溫度梯度取為45 ℃／m，常用整體升降溫和常用溫度梯度取最大值的一半。路基地段基礎不均勻沉降取15 mm／20 m，扣件支點剛度取為30 kN／mm，路基基礎面剛度取76 MPa／m。模型計算工況如表1所示。

表1 工況設置表

2 列車荷載的影響

2．1 變形影響分析

400 km／h 級高速鐵路列車荷載沖擊作用下，對比分析列車荷載作用在板縫處和作用在板中處對軌道結構的影響，鋼軌和軌道板的位移計算結果如表2所示。

由表2可知，同一動載系數條件下（以TL-BZ-1 工況和TL-BF-1 為例），受板縫和下部凸臺約束的影響，列車荷載作用在板縫處上比作用在板中處引起的鋼軌和軌道板垂向位移略大，分別大0．20 mm、0．16 mm；隨著動載系數增加，鋼軌和軌道板的位移增加，以TL-BZ系列工況為例，動載系數每增加0．25，引起鋼軌和軌道板表面的垂向位移增加分別約為0．3 mm、0．07 mm，即鋼軌與軌道板的垂向位移與動載系數影響比率分別為0．3 mm／0．25，0．07 mm／0．25。同一動載系數條件下，荷載作用在板中與作用在板縫處，對扣件壓縮量的影響變化不大。隨著動載系數從3．0 增加至4．0，荷載作用在板中時，扣件的壓縮量由3．19 mm增加至4．25 mm，增加幅值為1．06 mm；動載系數對扣件結構的影響較大，建議將扣件結構視為一個獨立的結構進行細部分析。

表2 列車荷載作用下軌道部件垂向位移表（mm）

2．2 內力影響分析

列車荷載作用在板中位置鋼軌時，軌道板的彎矩隨動力系數的變化如圖2所示。

圖2 動載系數對軌道板彎矩影響趨勢圖

由圖2可知，軌道板的最大縱向彎矩的絕對值大于最大橫向彎矩的絕對值；隨著動載系數的增加，軌道板最大彎矩的絕對值也隨著增加，動載系數每增加0．25，軌道板最大縱向正、負彎矩值分別增加約0．66 kN·m／m、0．19 kN·m／m，軌道板最大橫向正、負彎矩值分別增加約0．41 kN·m／m、0．14 kN·m／m，縱、橫向彎矩變化率較小。

單元薄板受溫度梯度影響，易產生翹曲力，故分析在列車荷載和溫度梯度共同作用下的軌道板內力。在工況ZH-BZ-3 條件下，軌道板最大縱、橫向正彎矩16．20 kN·m／m，12．52 kN·m／m，縱橫向均無負彎矩出現。在工況ZH-BZ-4 條件下，軌道板最大縱、橫向負彎矩-6．95 kN·m／m，-5．50 kN·m／m，縱向出現最大正彎矩0．32 kN·m／m，無橫向正彎矩出現。

為分析列車作用下軌道結構的薄弱點，提取TL-BZ-1工況中自密實混凝土的第一主應力和凸臺四周橡膠墊層的Mises 等效應力，如圖3所示。

圖3 TL-BZ-1 工況下軌道部件內力云圖

由圖3可知，TL-BZ-1 工況中自密實混凝土最大 主應力位于列車荷載作用正下方，拉應力最大值超出C40 混凝土的抗拉強度，勢必引起實混凝土下表面局部破壞；橡膠墊層的最大Mises 應力為0．03 MPa，不會引起破壞。動載系數每增加0．25，自密實混凝土最大主應力增加約0．17 MPa，凸臺四周橡膠墊層的Mises應力幾乎無變化。

3 綜合荷載的影響

3．1 變形影響分析

高速鐵路在列車荷載、溫度荷載、基礎變形的綜合作用下，鋼軌和軌道板位移如表3所示。

表3 綜合作用下軌道部件垂向位移表（mm）

由表3可知，相比于工況ZH-BZ-1（整體升溫30 ℃），工況ZH-BZ-2（整體降溫30 ℃）引起的鋼軌和軌道板最大垂向位移分別大0．45 mm 和0．44 mm，說明高速鐵路在冬季的運營中更需加強軌道部件養護和監測；相比于ZH-BZ-3（常用正溫度梯度45 ℃／m），工況ZH-BZ-4（常用負溫度梯度-22．5 ℃／m）引起的鋼軌和軌道板最大垂向位移分別大0．25 mm 和0．14 mm，由此可知負溫度梯度（軌道板上冷下熱）更不利于軌道部件的垂向變形，對于夏季白晝氣溫較高、夜晚急劇降溫時，或者冬季陽光直射軌道板時所形成的負溫度梯度等情況，應加強高速鐵路軌道部件的養護和監測。

按最不利條件假設底座板與路基基床表層緊密結合，當基床表層撓曲沉降時，底座板與之發生隨動變形，中間的單元軌道板位于波谷處。對于ZH-BZ-5 工況，模型中3 塊軌道板所對應的底座板長度為17．01 m，根據15 mm／20 m 的路基沉降限值，沉降曲線按半波正弦曲線模擬［5］，模型中所加載的路基沉降限值為11．51 mm／17．01 m，求解后的軌道垂向變形如圖4所示。

由圖4可知，較大的基礎沉降會引起自密實混凝土層與底座板出現脫空現象，列車荷載沖擊作用將使自密實混凝土層不斷的拍打底座板，導致結構破壞。高速鐵路運營中應嚴格控制不均勻沉降的幅值，建議針對沉降曲線的曲率變化提出相應的控制標準。

圖4 軌道結構垂向位移云圖（放大50 倍）

3．2 內力影響分析

綜合荷載作用下的鋼軌和軌道板內力如表4所示。

表4 綜合荷載作用下軌道部件內力表（MPa）

由表4可知，在常用動載系數及整體升、降溫30 ℃荷載作用下，自密實混凝土層最大拉應力超限；整體降溫荷載所引起的拉應力大于升溫荷載，但凸臺四周橡膠墊最大Mises 應力較小；整體升溫荷載下，混凝土結構受熱膨脹擠壓內側橡膠墊層，最大拉應力出現在凸臺與自密實混凝土的折角處；整體降溫荷載下，混凝土結構收縮形成的最大拉應力出現在自密實混凝土層下表面的中部，如圖5所示。

圖5 自密實混凝土層第一主應力云圖

在常用動載系數和常用溫度梯度作用下，混凝土層應力和橡膠墊應力均相對較小，不起控制作用。在常用動載系數和基礎沉降的共同作用下（工況ZH-BZ-5），自密實混凝土層下表面大面積應力超限，最大拉應力5．64 MPa，自密實混凝土層有斷裂的風險。

4 結論及建議

本文針對路基地段400 km／h 級高速鐵路的運營條件，從靜力學角度分析了在列車荷載（不同動力系數）、溫度荷載及基礎變形的作用下CRTSⅢ型板式無砟軌道的變形及內力，得出的主要結論有：

（1）在列車荷載作用下，隨著動載系數增加，鋼軌和軌道板的位移隨之增加，動載系數每增加0．25，引起鋼軌和軌道板表面的垂向位移增加分別約為0．3 mm、0．07 mm。動載系數的變化對軌道板彎矩的影響較小，自密實混凝土下表面存在局部破壞的風險。CRTSⅢ型板式無砟軌道可適應400 km／h 級高速鐵路列車荷載作用下動載系數的變化。

（2）在綜合荷載作用下，負溫度梯度（軌道板上冷下熱）更不利于軌道部件的垂向變形。整體升、降溫30 ℃荷載和列車荷載作用下，自密實混凝土層最大拉應力超限。整體降溫荷載所引起的拉應力大于升溫荷載，但凸臺四周橡膠墊最大Mises 應力較小。整體升溫荷載下，最大拉應力出現在凸臺與自密實混凝土的折角處；整體降溫荷載下，最大拉應力出現在自密實混凝土層下表面的中部。對于夏季白晝氣溫較高、夜晚急劇降溫時，或者冬季陽光直射軌道板時所形成的負溫度梯度等情況，應加強高速鐵路軌道部件的養護和監測。

（3）最不利條件下的基礎沉降將引起自密實混凝土層與底座板出現脫空現象，列車荷載沖擊作用將使自密實混凝土層不斷的拍打底座板，導致應力超限，自密實混凝土層存在斷裂的風險。建議下一步結合實際基礎變形的復雜條件，開展基礎變形對軌道結構的影響研究。