何燕平，周毅，楊榮山

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

合成軌枕式無(wú)砟軌道垂向受力影響參數(shù)分析

何燕平，周毅，楊榮山

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

根據(jù)彈性地基梁板理論，運(yùn)用有限元方法，建立了合成軌枕式無(wú)砟軌道“梁—梁—板”計(jì)算模型。運(yùn)用所建立的有限元模型分析了扣件剛度、樹脂砂漿剛度等參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)垂向受力特性的影響;分析得出，扣件剛度取動(dòng)剛度50 kN/mm進(jìn)行設(shè)計(jì)是合適的;樹脂砂漿的彈性模量宜在200～300 MPa間取值。

合成軌枕 有限元法 扣件剛度 樹脂砂漿剛度

合成軌枕式無(wú)砟軌道是一種源于日本的新型無(wú)砟軌道形式，合成軌枕的主要材質(zhì)是FFU，F(xiàn)FU(Fiberreinforced Foamed Urethane)是將硬質(zhì)聚氨酯樹脂的發(fā)泡體用長(zhǎng)玻璃纖維進(jìn)行強(qiáng)化后生產(chǎn)出的輕量、耐腐蝕構(gòu)造材料。合成軌枕結(jié)合了木枕和混凝土軌枕的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于軌道結(jié)構(gòu)，拓寬了軌道用料，同時(shí)還節(jié)約木材，保護(hù)環(huán)境，有利于長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性的發(fā)展。在日本、澳大利亞以及我國(guó)的城市軌道交通相繼投入使用過(guò)合成軌枕式軌道結(jié)構(gòu)。

但是，合成軌枕式無(wú)砟軌道是否適合鋪設(shè)在我國(guó)高速、重載等線路上，因無(wú)先例，故需要大量的理論和試驗(yàn)研究才能定論。本文結(jié)合大瑞線復(fù)雜地質(zhì)條件下軌道結(jié)構(gòu)選型研究，擬通過(guò)建立“梁—梁—板”有限元計(jì)算模型來(lái)分析扣件剛度、樹脂砂漿剛度等對(duì)合成軌枕式無(wú)砟軌道的垂向受力特性的影響，為國(guó)鐵中合成軌枕式無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 合成軌枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合成軌枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件系統(tǒng)、合成軌枕、樹脂砂漿、道床板等部件組成，按其支承條件不同，有軌枕埋入式和支承式兩種無(wú)砟軌道體系。結(jié)合大瑞線復(fù)雜的地質(zhì)條件，為了滿足快速修復(fù)的需要，采用軌枕支承式無(wú)砟軌道體系，即將預(yù)制好的合成軌枕利用樹脂砂漿與道床板粘結(jié)在一起。樹脂砂漿提供一定彈性和起縱橫向限位作用。為保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在合成軌枕兩端采用兩顆螺栓與道床板固定在一起，螺栓在縱橫向也起到傳遞力和限位的作用。合成軌枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面示意

圖2 結(jié)構(gòu)橫斷面示意

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)彈性地基梁板理論，采用有限元方法，應(yīng)用ANASYS有限元軟件，建立梁—梁—板計(jì)算模型。如圖3、圖4所示。模型中，鋼軌采用彈性點(diǎn)支承梁，用beam188梁?jiǎn)卧M;扣件采用單個(gè)線性點(diǎn)支承彈簧，用combin14彈簧單元模擬;合成軌枕采用彈性地基上短梁，用beam188梁?jiǎn)卧M;道床板由于其在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸，符合彈性薄板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用shell 63殼單元模擬;合成軌枕下樹脂砂漿以及隧道仰拱的支承采用均布彈簧，用combin14彈簧單元模擬。為消除邊界效應(yīng)，模型選取24根合成軌枕計(jì)算并以中間8根軌枕作為研究對(duì)象。

圖3 計(jì)算模型

圖4 計(jì)算模型三維立體圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

1)鋼軌質(zhì)量取60 kg/m，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3，沿截面橫軸慣性矩3 217×10－8m4，截面積77.45×10－4m2，截面高0.176 m，密度7 800 kg/m3，垂向抗彎剛度6.62×106kg·m2。

2)扣件:扣件間距為0.625 m，垂向剛度為50× 106N/m，其中扣件的剛度可取30～70 kN/mm。

3)合成軌枕:彈性模量810 MPa，泊松比0.3，長(zhǎng)度2.6 m，寬度0.2 m，高度0.145 m，密度740 kg/m3。

4)樹脂砂漿層:彈性模量300 MPa，樹脂砂漿彈性模量取10～8 000 MPa范圍進(jìn)行分別計(jì)算，厚度0.02 m。

5)道床板:彈性模量35 GPa，泊松比0.2，厚度0.2 m，寬度3 m，密度2 500 kg/m3。

6)基礎(chǔ):基礎(chǔ)支承面剛度1 200×106N/m3。

3 參數(shù)影響分析

扣件剛度、樹脂砂漿剛度等參數(shù)對(duì)合成軌枕式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)位移和受力有顯著的影響，由于國(guó)內(nèi)對(duì)其研究較少，因此研究清楚結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，為合成軌枕式無(wú)砟軌道在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用提供理論依據(jù)是必要的。

3.1 扣件剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

保持模型的其他參數(shù)不變，改變扣件剛度，分別取為30 kN/mm，40 kN/mm，50 kN/mm，60 kN/mm，70 kN/mm，計(jì)算在列車豎向設(shè)計(jì)荷載作用下(考慮到軌道結(jié)構(gòu)自身的初始不平順，還會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)力附加值，本模型在計(jì)算時(shí)，豎向設(shè)計(jì)輪載采用300 kN。)的軌道各部件的位移、彎矩和應(yīng)力等，分析扣件剛度對(duì)整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 扣件剛度對(duì)結(jié)構(gòu)垂向位移的影響

圖6 扣件剛度對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩的影響

圖7 扣件剛度對(duì)合成軌枕表面拉應(yīng)力的影響

圖8 扣件剛度對(duì)道床板彎矩的影響

從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著扣件剛度的增加，鋼軌的最大垂向位移隨其增大而減小，合成軌枕和道床板的最大垂向位移均隨之增大;合成軌枕的彎矩和應(yīng)力均隨之增大;道床板的彎矩亦隨之增大?？奂偠葟?0 kN/mm變化到70 kN/mm時(shí)，鋼軌的垂向位移從4.017 mm減小到2.339 mm，減小幅度為41.8%;合成軌枕的垂向位移從0.349 mm增加到0.411 mm，增加幅度為17.8%;道床板的垂向位移從0.197 mm增加到0.223 mm，增加幅度為13.2%;合成軌枕負(fù)彎矩從2.561 kN·m/m增加到3.128 kN·m/m，增加幅度為22.1%;正彎矩從0.588 kN·m/m增加到0.633 kN·m/m，增加幅度為7.7%，道床板縱向負(fù)彎矩由21.526 kN·m/m增加到22.720 kN·m/m，增加幅度為5.5%;縱向正彎矩由2.690 kN·m/m增加到2.851 kN·m/m，增加幅度為6.0%;道床板橫向負(fù)彎矩由22.329 kN·m/m增加到23.166 kN·m/m，增加幅度為3.7%;橫向正彎矩由7.487 kN·m/m增加到7.684 kN·m/m，增加幅度為2.6%。顯然鋼軌的位移起主要的控制作用。

為保證鋼軌不出現(xiàn)較大的垂向位移，扣件剛度不宜太小;為控制合成軌枕和道床板彎矩，扣件的剛度又不宜太大，因此，扣件的剛度應(yīng)取一個(gè)適宜的值，扣件的動(dòng)剛度建議取50 kN/mm。

3.2 樹脂砂漿彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

采用原有梁—梁—板計(jì)算模型，保持其它參數(shù)不變，改變樹脂砂漿的彈性模量從10～8 000 MPa，計(jì)算在列車豎向設(shè)計(jì)荷載作用下的軌道各部件的位移、彎矩和應(yīng)力等，分析樹脂砂漿彈性模量對(duì)整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的影響，選擇合理的樹脂砂漿彈性模量。計(jì)算結(jié)果如圖9—圖12所示。

圖9 樹脂砂漿對(duì)結(jié)構(gòu)垂向位移的影響

由以上分析可知:

圖10 樹脂砂漿對(duì)合成軌枕彎矩的影響

圖11 樹脂砂漿彈性模量對(duì)合成軌枕拉應(yīng)力的影響

圖12 樹脂砂漿彈性模量對(duì)道床板彎矩的影響

1)隨著樹脂砂漿彈性模量的增加，鋼軌和合成軌枕的垂向位移隨之減小，樹脂彈性模量由10 MPa增加到300 MPa時(shí)，垂向位移變化很快，鋼軌的位移由4.031 mm減小到2.880 mm，減小了1.151 mm;合成軌枕垂向位移由1.834 mm減小到0.386 mm，減小了1.448 mm。而樹脂砂漿彈性模量由300 MPa增加到8 000 MPa時(shí)，位移變化緩慢，鋼軌的垂向位移減小0.112 mm，合成軌枕垂向位移減小了0.004 mm。道床板的垂向位移隨之增大，增大的比例越來(lái)越緩，且數(shù)值也不大。為了控制鋼軌和合成軌枕產(chǎn)生過(guò)大的垂向位移，樹脂砂漿的彈性模量不宜太小，如果鋼軌的垂向位移不超過(guò)3 mm，合成軌枕的垂向位移不超過(guò)0.5 mm，則樹脂砂漿的彈性模量應(yīng)不小于200 MPa。

2)隨著樹脂砂漿彈性模量的增加，合成軌枕的彎矩和應(yīng)力均隨之減小，但減小的幅度越來(lái)越緩。當(dāng)樹脂砂漿的彈性模量為10 MPa時(shí)，合成軌枕的最大彎矩為8.316 kN·m/m，最大拉應(yīng)力為12.7 MPa，仍在設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)，故合成軌枕的彎矩和應(yīng)力對(duì)樹脂砂漿的彈性模量取值不起控制作用。

3)隨著樹脂砂漿彈性模量的增加，道床板的彎矩隨之增大，但增加的幅度越來(lái)越緩。正彎矩在樹脂砂漿彈性模量超過(guò)300 MPa以后就基本保持不變。為了減小道床板所承受的負(fù)彎矩，樹脂砂漿的彈性模量不宜太大，建議不超過(guò)300 MPa。

4 結(jié)論

根據(jù)彈性地基梁板理論，采用有限單元法，通過(guò)建立梁—梁—板計(jì)算模型，對(duì)合成軌枕式無(wú)砟軌道的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)垂向位移和受力特性進(jìn)行了計(jì)算分析，得出如下結(jié)論:

1)為保證鋼軌不出現(xiàn)較大的垂向位移，扣件剛度不宜太小;為控制道床板彎矩，扣件的剛度又不宜太大，因此，扣件的剛度應(yīng)取一個(gè)適宜的值，選取剛度為50 kN/mm是合適的。

2)為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，樹脂砂漿的彈性模量不宜過(guò)小，為了保證道床板強(qiáng)度滿足要求，樹脂砂漿的彈性模量不宜過(guò)大，綜合分析，建議樹脂砂漿的彈性模量在200～300 MPa間取值。

3)合成軌枕的尺寸對(duì)鋼軌、合成軌枕以及道床板的位移、道床板的彎矩影響均較小，合成軌枕的彎矩和應(yīng)力又在設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)。因此，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，合成軌枕尺寸只要滿足構(gòu)造要求即可。

4)為有效利用樹脂砂漿的特性和發(fā)揮合成軌枕的特性，今后應(yīng)對(duì)合成軌枕的力學(xué)性能、支承情況進(jìn)行研究。還應(yīng)對(duì)合成軌枕連接螺栓進(jìn)行細(xì)化，以及對(duì)螺栓與合成軌枕的匹配問(wèn)題進(jìn)行研究。

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U213.2+4

A

1003-1995(2011)02-0094-04

2010-07-20;

2010-11-20

何燕平(1986—)，男，四川南充人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王紅)