土質路基雙塊式無砟軌道參數影響分析

莊 鵬

雙塊式無砟軌道是將預制好的雙塊式軌枕,在現場通過澆筑混凝土將軌枕埋入到混凝土道床中,使軌枕與混凝土道床板成為一個整體的無砟軌道結構形式,高度整體性是雙塊式無砟軌道區別于其他無砟軌道結構最顯著的特點。雙塊式無砟軌道結構形式在我國也進行了較多的實際鋪設。

1 計算模型及參數

路基上雙塊式無砟軌道系統主要由鋼軌、彈性扣件、帶有桁架鋼筋的雙塊式軌枕、混凝土道床板及水硬性混凝土支承層組成。

鋼軌選用60 kg/m鋼軌;扣件間距0.65 m,扣件節點剛度50 kN/mm;軌道板寬度 2.8 m,厚度為 0.24 mm,采用C40混凝土,彈性模量3.40×104MPa;水硬性混凝土支承層(底座板)寬度為3.4 m,厚度為0.3 m,彈性模量15 000 MPa;計算模型選用彈性地基上的梁—板有限元模型(見圖1);鋼軌采用彈性點支承梁模型來模擬;扣件用彈簧單元來模擬;軌道板與支承層在厚度方向上的尺寸遠小于長度和寬度方向上的尺寸,采用板殼單元來模擬;鋼軌和道床板間由彈簧單元通過節點相連接,軌道板是澆筑在支承層上的,支撐塊上的荷載通過軌道板傳遞給水硬性支承層,軌道板與支承層之間通過節點自由度耦合來處理。動輪載參照《客運專線無砟軌道鐵路設計指南》,取300 kN。為忽略邊界對軌道結構的影響,計算模型取30 m軌道結構,以板中為研究對象。

2 雙塊式無砟軌道參數影響分析

2.1 扣件剛度

保持軌道結構尺寸和其他參數不變,只改變扣件剛度的數值,扣件剛度分別取30 kN/mm,50 kN/mm,70 kN/mm,90 kN/mm計算軌道結構的力學響應。

如表1所示,軌道板和支承層彎矩隨扣件剛度的增大逐漸增大。扣件剛度在70 kN/mm～90 k N/mm時,軌道板和支承層的彎矩增長趨勢變緩。扣件剛度增大,其抵抗鋼軌彎曲的能力增強,荷載的分布范圍相對較小,在保持扣件間距不變的情況下,枕上壓力隨之增大,作用在板上的荷載更為集中,引起軌道板的各項動力學指標增大。

表1 扣件剛度變化對軌道結構力學響應的影響

2.2 軌道板厚度

保持軌道結構尺寸和其他參數不變,只改變軌道板厚度的數值,軌道板厚度分別取0.20 m,0.22 m,0.24 m,0.26 m,0.28 m計算軌道結構的力學響應。

如表2所示,軌道板的縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸增大,支承層縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸減小,軌道板厚度增加其抗彎剛度增大,承受的彎矩增大。

表2 軌道板厚度變化對軌道結構力學響應的影響

2.3 支承層彈性模量

為分析支承層彈性模量變化對軌道結構力學響應的影響,保持軌道結構尺寸和其他參數不變,只改變支承層彈性模量的數值,支承層彈性模量分別取5 000 MPa,10 000 MPa,15 000 MPa,20 000 MPa,25 000 MPa計算軌道結構的力學響應。

表3 支承層彈性模量變化對軌道結構力學響應的影響

如表3所示,軌道板縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸增大。支承層彈性模量的增大相當于增強軌道的支承作用,可以減小軌道板的彎矩。

2.4 支承層厚度

保持軌道結構尺寸和其他參數不變,只改變支承層厚度的數值,支承層厚度分別取0.2 m,0.25 m,0.3 m,0.35 m,0.4 m計算軌道結構的力學響應。

如表4所示,軌道板的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸增大。增大支承層彈性模量,可以減小軌道板彎矩值。

表4 支承層彈性厚度變化對軌道結構力學響應的影響

2.5 地基彈性系數

為分析地基系數變化對軌道結構力學響應的影響,保持軌道結構尺寸和其他參數不變,只改變地基系數的數值,地基系數分別取50 MPa/m,76 MPa/m,100 MPa/m,500 MPa/m,1 000 MPa/m計算軌道結構的力學響應。

結果表明,軌道板和支承層的縱、橫向彎矩隨地基系數的增大逐漸減小。地基系數在50 MPa/m～76 MPa/m時,軌道板和支承層彎矩變化幅度較大。地基系數在100 MPa/m～500 MPa/m時,軌道板和支承層的彎矩變化幅度較小。由此可見,隧道地段由于基礎剛度較土質路基大,對軌道結構整體而言是有利的。

3 結語

1)軌道板和支承層的橫向負彎矩為0,且不受主要參數變化的影響。2)軌道板和支承層縱、橫向彎矩隨扣件剛度的增大逐漸增大,扣件剛度在70 k N/mm～90 kN/mm時,軌道板和支承層的彎矩增長趨勢變緩。3)軌道板的縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸增大,支承層的縱、橫向彎矩隨軌道板厚度的增大逐漸減小。4)軌道板縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層彈性模量的增大逐漸增大。5)軌道板的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸減小,支承層的縱、橫向彎矩隨支承層厚度的增大逐漸增大。6)軌道板和支承層的縱向正、負彎矩隨地基系數的增大逐漸減小。地基系數在50 MPa/m～76 MPa/m時,軌道板和支承層彎矩變化幅度較大。

[1]何華武.無砟軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[3]鐵建設函[2005]754號,客運專線無砟軌道鐵路設計指南[S].