合成軌枕式無砟軌道垂向受力影響參數分析

何燕平，周毅，楊榮山

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

合成軌枕式無砟軌道垂向受力影響參數分析

何燕平，周毅，楊榮山

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

根據彈性地基梁板理論，運用有限元方法，建立了合成軌枕式無砟軌道“梁—梁—板”計算模型。運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對軌道結構垂向受力特性的影響;分析得出，扣件剛度取動剛度50 kN/mm進行設計是合適的;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

合成軌枕式無砟軌道是一種源于日本的新型無砟軌道形式，合成軌枕的主要材質是FFU，FFU(Fiberreinforced Foamed Urethane)是將硬質聚氨酯樹脂的發泡體用長玻璃纖維進行強化后生產出的輕量、耐腐蝕構造材料。合成軌枕結合了木枕和混凝土軌枕的優點，應用于軌道結構，拓寬了軌道用料，同時還節約木材，保護環境，有利于長期經濟性的發展。在日本、澳大利亞以及我國的城市軌道交通相繼投入使用過合成軌枕式軌道結構。

但是，合成軌枕式無砟軌道是否適合鋪設在我國高速、重載等線路上，因無先例，故需要大量的理論和試驗研究才能定論。本文結合大瑞線復雜地質條件下軌道結構選型研究，擬通過建立“梁—梁—板”有限元計算模型來分析扣件剛度、樹脂砂漿剛度等對合成軌枕式無砟軌道的垂向受力特性的影響，為國鐵中合成軌枕式無砟軌道的設計提供理論依據。

1 合成軌枕式無砟軌道結構設計

合成軌枕式無砟軌道結構主要由鋼軌、扣件系統、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砟軌道體系。結合大瑞線復雜的地質條件，為了滿足快速修復的需要，采用軌枕支承式無砟軌道體系，即將預制好的合成軌枕利用樹脂砂漿與道床板粘結在一起。樹脂砂漿提供一定彈性和起縱橫向限位作用。為保持軌道結構的穩定性，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。合成軌枕式無砟軌道結構示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 結構平面示意

圖2 結構橫斷面示意

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

根據彈性地基梁板理論，采用有限元方法，應用ANASYS有限元軟件，建立梁—梁—板計算模型。如圖3、圖4所示。模型中，鋼軌采用彈性點支承梁，用beam188梁單元模擬;扣件采用單個線性點支承彈簧，用combin14彈簧單元模擬;合成軌枕采用彈性地基上短梁，用beam188梁單元模擬;道床板由于其在厚度方向上的尺寸遠小于長度和寬度方向上的尺寸，符合彈性薄板的結構特點，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，模型選取24根合成軌枕計算并以中間8根軌枕作為研究對象。

圖3 計算模型

圖4 計算模型三維立體圖

2.2 計算參數

1)鋼軌質量取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范圍進行分別計算，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:基礎支承面剛度1 200×106N/m3。

3 參數影響分析

扣件剛度、樹脂砂漿剛度等參數對合成軌枕式無砟軌道的結構位移和受力有顯著的影響，由于國內對其研究較少，因此研究清楚結構的影響機理，為合成軌枕式無砟軌道在國內的應用提供理論依據是必要的。

3.1 扣件剛度對結構的影響

保持模型的其他參數不變，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，計算在列車豎向設計荷載作用下(考慮到軌道結構自身的初始不平順，還會產生一定的動力附加值，本模型在計算時，豎向設計輪載采用300 kN。)的軌道各部件的位移、彎矩和應力等，分析扣件剛度對整個軌道結構的影響，結果如圖5～圖8所示。

圖5 扣件剛度對結構垂向位移的影響

圖6 扣件剛度對結構彎矩的影響

圖7 扣件剛度對合成軌枕表面拉應力的影響

圖8 扣件剛度對道床板彎矩的影響

從計算結果可以看出，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力均隨之增大;道床板的彎矩亦隨之增大。扣件剛度從30 kN/mm變化到70 kN/mm時，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，扣件的剛度應取一個適宜的值，扣件的動剛度建議取50 kN/mm。

3.2 樹脂砂漿彈性模量對結構的影響

采用原有梁—梁—板計算模型，保持其它參數不變，改變樹脂砂漿的彈性模量從10～8 000 MPa，計算在列車豎向設計荷載作用下的軌道各部件的位移、彎矩和應力等，分析樹脂砂漿彈性模量對整個軌道結構的影響，選擇合理的樹脂砂漿彈性模量。計算結果如圖9—圖12所示。

圖9 樹脂砂漿對結構垂向位移的影響

由以上分析可知:

圖10 樹脂砂漿對合成軌枕彎矩的影響

圖11 樹脂砂漿彈性模量對合成軌枕拉應力的影響

圖12 樹脂砂漿彈性模量對道床板彎矩的影響

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，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，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，增大的比例越來越緩，且數值也不大。為了控制鋼軌和合成軌枕產生過大的垂向位移，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3 mm，合成軌枕的垂向位移不超過0.5 mm，則樹脂砂漿的彈性模量應不小于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力均隨之減小，但減小的幅度越來越緩。當樹脂砂漿的彈性模量為10 MPa時，合成軌枕的最大彎矩為8.316 kN·m/m，最大拉應力為12.7 MPa，仍在設計控制值范圍內，故合成軌枕的彎矩和應力對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，但增加的幅度越來越緩。正彎矩在樹脂砂漿彈性模量超過300 MPa以后就基本保持不變。為了減小道床板所承受的負彎矩，樹脂砂漿的彈性模量不宜太大，建議不超過300 MPa。

4 結論

根據彈性地基梁板理論，采用有限單元法，通過建立梁—梁—板計算模型，對合成軌枕式無砟軌道的參數對結構垂向位移和受力特性進行了計算分析，得出如下結論:

1)為保證鋼軌不出現較大的垂向位移，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，扣件的剛度應取一個適宜的值，選取剛度為50 kN/mm是合適的。

2)為了保證結構穩定性，樹脂砂漿的彈性模量不宜過小，為了保證道床板強度滿足要求，樹脂砂漿的彈性模量不宜過大，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力又在設計控制值范圍內。因此，從經濟性角度出發，合成軌枕尺寸只要滿足構造要求即可。

4)為有效利用樹脂砂漿的特性和發揮合成軌枕的特性，今后應對合成軌枕的力學性能、支承情況進行研究。還應對合成軌枕連接螺栓進行細化，以及對螺栓與合成軌枕的匹配問題進行研究。

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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。

(責任審編 王紅)