無砟軌道防風沙設計對結構性能的影響分析

楊斌，亓偉，陳江

(1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京100844;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

無砟軌道防風沙設計對結構性能的影響分析

楊斌1，2，亓偉2，陳江2

(1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京100844;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

蘭新二線防水沙設計通過加高軌枕承軌臺、增大鋼軌下過沙空間避免風區(qū)沙石堆積，同時降低支承層厚度以保證結構整體高度不變。通過建立軌道結構力學模型，分析加高承軌臺、降低支承層厚度對軌道結構力學性能的影響。分析結果表明:承軌臺厚度的增加將引起軌枕擋肩混凝土拉應力增大;支承層厚度的減小將增加軌道各結構層最大拉應力幅值，增大軌道結構在列車荷載作用下的豎向位移。這一防風沙設計方案基本滿足無砟軌道設計規(guī)范的要求。此外，有必要對軌枕增設補強鋼筋，避免軌枕開裂破壞。

鐵道工程 雙塊式無砟軌道 防風沙 軌枕 支承層

蘭新第二雙線(以下簡稱蘭新二線)地處我國西北地區(qū)，該地區(qū)風沙較大，既有鐵路線路常年遭受沙石侵襲，沙石在軌道上堆積(如圖1所示)嚴重影響列車正常運行［1］。為防止風沙侵蝕鐵路線路，國內外采取了多種預防措施，目前主要是在線路外側設置防風沙設施。如:建立防風林帶［2］，設立土工合成材料沙障［3］、擋風墻［4-7］或者防風明洞等［8-14］。這些措施可以單獨使用，也可以幾種措施綜合使用。蘭新二線為解決線路風沙問題，除了采取傳統(tǒng)的防風沙措施外，還對線上軌道結構進行了防風沙優(yōu)化設計。

圖1 沙石掩埋軌道

蘭新二線軌道結構防風沙設計主要是將軌枕承軌臺加高35 mm以增大鋼軌軌下的過沙空間，利用自然風與列車風將軌道上的沙石清除。為保證軌道結構整體高度不變，減小支承層厚度35 mm，軌道結構優(yōu)化如圖2所示。由于軌枕承軌臺厚度增加，在相同的列車橫向載荷作用下，軌枕擋肩應力發(fā)生變化。支承層起到支承并分散道床板豎向荷載的作用，同時約束道床板的縱向和橫向位移。支承層厚度變化會改變道床板下部支承剛度，影響鋼軌豎向位移、道床板應力與支承層應力等。

圖2 軌道結構防風沙設計

為了分析蘭新二線防風沙設計對軌道結構受力的影響，本文建立了雙塊式無砟軌道力學模型，分析承軌臺、支承層厚度改變對軌道結構力學性能的影響。

1 力學模型

路基上雙塊式無砟軌道從上至下依次為鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、支承層等。鋼軌為60 kg/m鋼軌，扣件采用福斯羅300-B型，豎向剛度取值30 kN/mm。道床板縱向采用單元式，長19 500 mm，寬2 800 mm，厚260 mm，材料為C40混凝土。支承層縱向連續(xù)鋪設，寬3 400 mm，厚度為200～300 mm，材料為C15混凝土?；脖韺涌v向連續(xù)鋪設，寬度取為4 200 mm，厚取400 mm。計算分析中建立雙塊式無砟軌道實體模型，采用歐拉梁模擬鋼軌，忽略剪力作用;采用豎向彈簧模擬扣件，忽略扣件阻尼;道床板、支承層和基床表層均采用實體模擬。道床板與支承層之間摩擦滑動，層間摩擦系數取0.65，支承層與基床表層層間粘結。

除軌道主體結構外，本文還將對軌枕展開細化模擬，為此針對雙塊式軌枕單獨建立力學模型。軌枕選用C60混凝土，承軌臺加高厚度為0～100 mm，模型中各結構部件計算參數如表1所示。

表1 力學模型相關材料參數

參照我國《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009J 971—2009)，豎向設計荷載在設計時速250 km的線路上取靜荷載的2.5倍，列車靜軸重取170 kN，計算中列車豎向荷載取212.5 kN。針對軌枕局部展開受力分析時，還須考慮列車橫向荷載的作用。參照高鐵規(guī)范，橫向荷載取靜輪重的0.8倍，本文計算分析時取68 kN，靜輪重取85 kN。

2 承軌臺厚度改變對軌道結構性能的影響

列車縱橫向荷載作用下，軌枕擋肩處將承受一定的拉應力，改變承軌臺厚度對擋肩承受的拉應力幅值的影響如圖3所示。

圖3 軌枕擋肩拉應力曲線

增加軌枕承軌臺厚度將引起軌枕擋肩局部拉應力幅值增加，隨著承軌臺厚度的不斷增加，擋肩局部拉應力增幅變緩。軌枕混凝土設計抗拉強度為2.14 MPa，承軌臺厚度超過100 mm時軌枕擋肩局部拉應力接近該指標。為避免承軌臺加高造成軌枕擋肩破壞，有必要對軌枕增設補強鋼筋，如圖4所示。

圖4 軌枕補強鋼筋設置示意

3 支承層厚度改變對軌道結構性能的影響

列車荷載作用下，軌道各結構層主要承受豎向彎矩，支承層厚度的改變將引起各結構層豎向彎矩的改變。彎矩的改變直接表現為軌道各結構層彎曲應力的改變，不同支承層厚度對應的道床板、支承層最大拉應力如圖5所示。

圖5 最大拉應力曲線

道床板、支承層最大拉應力幅值均隨著支承層厚度的增加而降低，在支承層厚度減小的情況下，道床板與支承層最大拉應力幅值有小幅增加。支承層厚度降低至200 mm時，道床板、支承層最大拉應力幅值均小于各結構層混凝土材料的設計抗拉強度。

支承層厚度的降低，將使得軌道結構整體豎向抗彎剛度有所減小。列車荷載作用下，軌道結構豎向變形將有所改變，支承層厚度改變對列車荷載作用下鋼軌最大豎向位移的影響如圖6所示。

圖6 鋼軌最大豎向位移變化曲線

鋼軌最大豎向位移隨著支承層厚度的增加呈線性降低，支承層厚度由300 mm降低至200 mm時，鋼軌最大豎向位移變化幅值遠小于設計規(guī)范中規(guī)定的鋼軌最大豎向位移1 mm，對列車運營基本無影響。降低支承層厚度35 mm后，結構力學性能依舊滿足設計要求。

4 結論

為解決線路積沙問題，蘭新二線對軌道結構進行了防風沙優(yōu)化:加高軌枕承軌臺35 mm，減小支承層厚度35 mm。本文分別對承軌臺厚度、支承層厚度改變對結構受力的影響展開了分析，得出如下結論:

1)軌枕承軌臺厚度的增加將引起軌枕擋肩局部拉應力增加，承軌臺厚度若超過100 mm，擋肩部位可能出現局部破壞。

2)支承層厚度的增加會引起道床板、支承層最大拉應力幅值的降低，支承層厚度的降低將引起鋼軌豎向位移的增加。

參照無砟軌道設計規(guī)范，無砟軌道采用的防風沙設計方案滿足設計要求。為保障軌枕安全穩(wěn)定，建議對軌枕增設補強鋼筋。

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Analysis on influence of blown-sand-preventing design for ballastless track on track structure performance

YANG Bin1，2，QI Wei2，CHEN Jiang2
(1.Engineering Management Center，China Railway Corporation，Beijing 100844，China; (2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T hrough heightening the sleeper support rail bed，sand-proof design of Lanxin no.2 line increased the space of filtering sand to avoid sand accumulation in fetch and decreased the depth of support layer to remain the whole structural height.Based on mechanical calculation model of track structure，the effect of heightening support rail bed and decreasing the depth of support layer on track structure mechanical properties were analyzed.T he results showed that the concrete tensile stress of the sleeper bumping shoulder increases with the support rail bed depth increasing，and the decrease of the supporting layer depth will increase the max tensile stress amplitude of each track structure layer and the vertical displacement of the track structure under train load.T he sand-proof design scheme basically meets the requirement of the ballastless track design specifications and it is necessary to set reinforcing steel bar for sleepers to avoid cracking.

Railway engineering;Double-block ballastless track;Sand-proof;Sleeper;Support layer

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.28

1003-1995(2015)02-0101-03

(責任審編趙其文)

2014-04-11;

2014-12-05

楊斌(1974—)，男，遼寧大連人，高級工程師，博士研究生。