熊 飛，趙坪銳，帥一丁

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道在道床板的施工過程中，軌排結(jié)構(gòu)各部件的微小定位偏差如果沒有被及時發(fā)現(xiàn)并整治，將會加劇軌道幾何形位不平順，進而加速無砟軌道結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展和惡化，增加后期精調(diào)工作量[1]。因此，在無砟軌道施工過程中，道床板的施工精度和施工質(zhì)量尤為重要[2]。

目前，國內(nèi)雙塊式無砟軌道道床板的施工方法一般有2種，分別是工具軌法和軌排框架法[3-4]。傳統(tǒng)的工具軌法整體性差，在道床板施工完成后，軌道易變形，幾何形位易超限，不能滿足高速鐵路的高平順性要求[5-6]。軌排框架法的集成化程度較工具軌法有顯著的提高，軌排框架整體剛度大，穩(wěn)定性好，在運輸、安裝以及澆筑混凝土過程中軌排各部件變形小，施工精度高。多條高速鐵路的施工實踐證明軌排框架法保證了CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板施工精度和施工質(zhì)量[7-8]，現(xiàn)已被廣泛采用。

本文基于大西(大同—西安)客運專線站前九標段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的施工實踐，建立軌排框架法有限元模型[9]，分析不同軌排支撐間距和部分支撐失效對軌排框架法的影響，得到軌排結(jié)構(gòu)在不同支撐狀態(tài)下的受力狀態(tài),據(jù)此提出支撐間距以及部分支撐失效的相關(guān)限值，為進一步優(yōu)化CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道道床板的施工提供合理建議。

1 計算模型及參數(shù)

軌排框架法的支撐系統(tǒng)是由工具軌、托梁、豎向螺柱支腿、軌向鎖定器等組合而成的框架式體系。螺柱支腿的主要功能是調(diào)節(jié)軌排的水平和高低位置，軌向鎖定器的主要功能是固定和橫向調(diào)整軌排。圖1為軌排框架法示意。

圖1 軌排框架法示意

軌排框架法計算模型主要涉及鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、托梁、豎向螺柱支腿、軌向鎖定器。取3倍扣件間距作為支撐間距。鋼軌等效為點支承梁；軌枕混凝土采用實體單元模擬，在軌枕混凝土與桁架鋼筋之間建立約束方程，使兩者之間的位移協(xié)調(diào)一致；SK-2型雙塊式軌枕由桁架鋼筋與軌枕混凝土聯(lián)結(jié)而成，考慮到施工過程中在軌排自重和道床板鋼筋搭接自重作用下，軌排鋼筋可能產(chǎn)生凹向鋼軌內(nèi)側(cè)的撓曲，選用Beam4單元模擬雙塊式軌枕的鋼筋桁架；托梁、豎向螺柱支腿、軌向鎖定器也用Beam4單元來模擬；在軌排安裝過程中，等效地認為軌枕通過扣件懸吊于鋼軌下方，軌排采用Combine14線形彈簧單元模擬，并將扣件自重等效地均布于軌枕上表面對應區(qū)域；在軌排自重作用下，軌枕混凝土和桁架鋼筋之間的黏結(jié)滑移很小，故在本次計算中不考慮。軌排框架法有限元模型如圖2所示。

圖2 軌排框架法有限元模型

2 不同支撐間距下軌排結(jié)構(gòu)受力與變形

軌排縱向支撐間距與支撐系統(tǒng)的數(shù)量、后期調(diào)整量以及混凝土的澆筑難度密切相關(guān)。支撐間距一般為扣件間距的整數(shù)倍。為探究不同支撐間距下軌排結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)的受力與變形，建立了9塊軌枕的CRTSⅠ型雙塊式軌排，取支撐間距分別為1～7倍扣件間距進行比較。

2.1 軌道幾何形位

在CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的施工中，軌距是重要指標之一。在自重作用下，軌排結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，即向內(nèi)側(cè)“凹陷”，從而引起軌排的橫向位移，進而導致軌距減小。軌距變化量為相應2個軌頭橫向位移之和。支撐間距取1～7倍扣件間距時，軌排的橫向位移和軌距變化量見圖3。其中軌距變化量以減小為正。

圖3 軌排的橫向位移和軌距變化量

圖4 不同支撐間距下軌底坡變化量

由圖3可知，隨支撐間距的增大，軌排的橫向位移和軌距變化量均呈現(xiàn)增大的趨勢。軌排橫向位移最大值0.173 mm和軌距變化量最大值0.342 mm均在7倍扣件間距處取得。支撐間距每增加1倍扣件間距，軌排的橫向位移增加0.027 mm左右，軌距減小0.054 mm左右。

不同支撐間距下軌底坡的變化量見圖4。隨支撐間距增加，軌底坡變化量近似線性增加，支撐間距每增加1倍扣件間距，軌底坡變化量增加 0.003 6° 左右。支撐間距為7倍扣件間距時，軌底坡變化量達到最大值 0.026 4°。

不同支撐間距下鋼軌軌面高低變化見圖5。隨支撐間距的增加，軌面高低持續(xù)增大，且增大的速度越來越快。支撐間距為7倍扣件間距時，軌面高低值為3.217 mm，而軌道平順度鋪設(shè)精度標準為2 mm，此時軌面高低不滿足精度要求[11]。因此，在施工過程中，軌排支撐系統(tǒng)的支撐間距不宜超過6倍扣件間距。

圖5 不同支撐間距下軌面高低

2.2 軌道結(jié)構(gòu)安全性

不同支撐間距下桁架鋼筋的應力見圖6。隨支撐間距的增加，桁架鋼筋的拉、壓應力均呈增大趨勢，拉應力和壓應力的最大值分別為17.3,30.3 MPa，應力水平較低，桁架鋼筋不會產(chǎn)生塑性變形。

圖6 桁架鋼筋應力

2.3 軌排支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性

圖7 不同支撐間距下螺柱支腿和軌向鎖定器彎矩

不同支撐間距下螺柱支腿與軌向鎖定器的彎矩見圖7?？芍?隨支撐間距的增加，螺柱支腿和軌向鎖定器的彎矩均增大。在相同支撐間距下，螺柱支腿所受彎矩大于軌向鎖定器，現(xiàn)場施工時需注意螺柱支腿的安裝質(zhì)量。螺柱支腿和軌向鎖定器所受彎矩最大值分別為48.51,38.56 Nm，應力水平較低，螺柱支腿和軌向鎖定器均不會產(chǎn)生塑性變形。

隨支撐間距的增加，托梁的彎矩和軸力均增大，最大值分別為 6 306 Nm和 3 691.86 N。由于托梁的截面尺寸較大，抗彎剛度大，因此在正常使用情況下不會產(chǎn)生塑性變形。

3 部分支撐失效情況下軌排結(jié)構(gòu)受力與變形

現(xiàn)場施工過程中，由于施工作業(yè)人員或者支撐系統(tǒng)本身的原因，可能導致軌排支撐系統(tǒng)部分失效。支撐失效將會引起軌排偏移或下沉，嚴重影響施工精度和軌排結(jié)構(gòu)的受力。為探究部分支撐失效對軌排結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)受力與變形的影響，建立了9塊軌枕的CRTSⅠ型雙塊式軌排模型，支撐間距取3倍扣件間距，對完好情況、單個軌向鎖定器失效、單個螺柱支腿失效、同側(cè)軌向鎖定器和螺柱支腿失效、1組支撐系統(tǒng)失效和2組支撐系統(tǒng)失效這6種情況進行對比研究。為方便表示，下文采用數(shù)字代表不同的失效情況：1-完好情況；2-單個軌向鎖定器失效；3-單個螺柱支腿失效；4-同側(cè)軌向鎖定器和螺柱支腿失效；5-1組支撐系統(tǒng)失效；6-2組支撐系統(tǒng)失效。

軌排自重作用下，支撐系統(tǒng)在不同失效情況下對軌距變化量、軌底坡變化量、軌枕垂向位移和桁架鋼筋拉、壓應力的影響見表1和表2。

表1 不同失效情況下各部件變形值

由表1、表2可知：

1)軌排自重作用下，隨著軌排支撐系統(tǒng)失效部件的增多，軌距和軌底坡變化量逐漸增大。單個軌向鎖定器失效和單個螺柱支腿失效對軌距和軌底坡變化量影響很小，2組支撐系統(tǒng)失效時軌距和軌底坡變化量取得最大值，分別為0.390 mm和0.031°。施工時應注意檢查支撐系統(tǒng)的安裝質(zhì)量，確保減少支撐部件失效。

表2 不同失效情況下桁架鋼筋拉、壓應力 MPa

2)軌排支撐系統(tǒng)失效部件越多，軌枕垂向位移越大。單個軌向鎖定器或單個螺柱支腿失效對軌枕垂向位移的影響很小；同側(cè)軌向鎖定器和螺柱支腿失效及1組支撐系統(tǒng)失效時軌枕垂向位移分別為1.244，2.105 mm；2組支撐系統(tǒng)失效時，軌枕垂向位移達到最大值3.954 mm。

3)在軌排自重作用下，隨失效部件的增多，桁架鋼筋拉、壓應力均增大。2組支撐系統(tǒng)失效時，桁架鋼筋拉、壓應力均取得最大值，分別為17.38，30.71 MPa，遠小于鋼筋的屈服強度，因此桁架鋼筋在施工過程中不會產(chǎn)生塑形變形。

部分支撐失效情況下軌面高低的變化見圖8?？芍S失效部件的增多，軌面高低值也越大。前5種失效情況下的軌面高低值均不超過軌道平順度鋪設(shè)精度標準2 mm，當2組支撐系統(tǒng)失效時，軌面高低值達到4.523 mm，遠大于精度控制標準，嚴重影響了線路的平順性[11]。因此，在施工過程中，應嚴格檢查軌排支撐系統(tǒng)，避免出現(xiàn)2組支撐系統(tǒng)失效的極端情況。

圖8 部分支撐失效情況下軌面高低

4 結(jié)論

本文對軌排框架法進行了受力分析，考慮不同支撐間距、部分支撐失效對軌排結(jié)構(gòu)受力的影響，得到以下結(jié)論：

1)在軌排自重作用下，隨支撐系統(tǒng)支撐間距的增大，軌排橫向位移、軌距變化量、軌底坡變化量、桁架鋼筋應力和軌面高低均增加。支撐間距為7倍扣件間距時，軌面高低值超過2 mm，此時軌面高低不滿足線路精度要求。因此，建議軌排支撐間距不宜超過6倍扣件間距。

2)當支撐間距為3倍扣件間距時，單個軌向鎖定器失效和單個螺柱支腿失效對軌排結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)不會產(chǎn)生太大影響，隨失效部件的增多，軌距和軌底坡變化量增大。

3)軌排支撐系統(tǒng)失效部件越多，軌枕垂向位移越大。當2組支撐系統(tǒng)失效時，軌枕垂向位移達到最大值，此時軌面高低值達到4.523 mm，不符合精度控制標準值2 mm，嚴重影響了線路的平順性。因此，建議在施工過程中嚴格檢查軌排支撐系統(tǒng)，避免出現(xiàn)2組支撐系統(tǒng)失效的極端情況。