大跨鋼橋上合成樹脂軌枕軌道受力特性及參數研究

李 健，趙坪銳，劉 觀

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

大跨鋼橋上合成樹脂軌枕軌道受力特性及參數研究

李 健，趙坪銳，劉 觀

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

與傳統有昨軌道或無昨軌道相比，在大跨鋼橋上鋪設合成樹脂軌枕軌道可大幅度減輕橋梁二期恒載，降低橋梁造價。根據大跨鋼橋上合成樹脂軌枕軌道的結構特點，建立有限元分析模型，對比分析合成樹脂軌枕軌道和有昨軌道的受力特性，對樹脂軌枕截面尺寸進行了研究。分析表明：在列車荷載作用下，合成樹脂軌枕軌道中鋼軌和軌枕的下沉較有昨軌道小，軌距變化量較大，但符合行車要求；樹脂軌枕寬度、厚度和支承寬對軌道位移和軌距變化量影響較大，需考慮行車安全和經濟性，結合橋梁結構設計方案綜合確定。

鋼橋；合成樹脂軌枕；有限元；有昨軌道

1 合成樹脂軌枕軌道的特點

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的快速發展,出現了很多大跨鋼橋,例如京滬高速鐵路大勝關長江大橋、京廣高速鐵路天興洲長江大橋、黃大線黃河特大橋、重慶輕軌東水門大橋和千廝門大橋等。高速鐵路大跨度鋼橋由于列車速度高,軌道幾何形位要求高,多采用有作軌道,香港青馬大橋則采用了板式無作軌道,這些軌道結構中道床或軌道板鋪設在鋼筋混凝土橋面板上,橋面板支承在縱梁上［1-2],因此橋梁二期恒載較大,對于大跨度橋梁來說會大大增加造價,而且橋上有作軌道道作容易掉落,養護維修量大且困難。對于速度較低的輕軌線路可考慮其他軌道方案,例如合成樹脂軌枕軌道［3]。

合成樹脂軌枕是一種以玻璃長纖維和硬質聚氨醋樹脂為主要成分,并將他們連續成型或在模型中發泡固化成型,生產出的一種板型結構［4-5]。樹脂枕與鋼橋連接主要分為兩類,一種仿造木枕方案,在樹脂枕上鉆孔,用鉤螺栓連接樹脂枕與鋼橋；另一種通過在橋面上焊接槽鋼,將樹脂軌枕放入槽內,側面穿過樹脂軌枕插入螺栓實現軌枕與大跨鋼橋的連接［6],以鋼支承塊代替了原有的道作,用于明橋面上,有利于減輕軌道自重,減小大跨鋼橋二期恒載,降低橋梁造價；加工性能好,易于維護管理、修補和更換,適用于橋梁等軌道地段；彈性較好,柔韌性強,可大大降低列車振動對橋梁的影響［7-8]。

2 合成樹脂軌枕軌道受力特性

2.1 模型的建立

根據合成樹脂軌枕軌道和有作軌道的結構特點,分別建立其有限元分析模型,如圖1和圖2所示。對比分析有作軌道和合成樹脂軌枕軌道的受力特性。兩種模型鋼軌均以彈性點支承梁模型模擬,扣件以及軌枕支座的彈性則以線性彈簧模擬,合成樹脂軌枕采用點支承梁模擬,普通有作軌道軌枕采用連續支承梁模擬［9]。模型中,鋼軌采用60 kg/m鋼軌,扣件剛度取為50 kN/mm,合成樹脂軌枕截面尺寸取為0.2 m×0.2 m,普通有作軌道采用Ⅱ型混凝土軌枕,換算為矩形截面寬0.28 m,厚0.18 m,兩種模型均假設為等截面梁進行計算［10]。將模擬道作彈性的彈簧下節點全部約束,將鋼軌左端點的縱、橫向位移約束,同時約束軌枕的縱、橫向位移和點頭轉角位移,在鋼軌上按B1型車的軸距、定距施加大小為軸重140 kN的列車靜荷載。

圖1 合成樹脂軌枕軌道有限元計算模型

圖2 有昨軌道有限元計算模型

2.2 受力特性分析

合成樹脂軌枕軌道和有作軌道在B1型車荷載作用下的變形情況如圖3、圖4所示。兩種情況車輛前后兩轉向架引起的軌道反應互相不疊加,僅同一轉向架上的兩輪對相互有影響。所以在后面的合成樹脂軌枕軌道參數分析中可單獨取一轉向架進行分析,以減小分析規模。

圖3 B1型車作用下合成樹脂軌枕軌道變形情況

圖4 B1型車作用下有昨軌道變形情況

從表1可以看出,合成樹脂軌枕軌道鋼軌最大下沉位移較有作軌道減小約50%,主要是由于道作道床替換為鋼支承塊,取消了原有道作提供的彈性。同時,樹脂軌枕軌下截面處的軌枕轉角引起的軌距變化量較有作軌道增大了約14倍,雖然在容許范圍內,但對行車的穩定性不利。如圖5、圖6所示,有作軌道軌枕軌下截面產生最大下沉位移,承受最大正彎矩,軌中截面承受最大負彎矩。而樹脂軌枕整體下沉,彎矩分布符合四點彎曲梁分布特點,全截面承受正彎矩,軌中截面處產生最大下沉位移［11]。

表1 B1型車作用下軌道受力變形情況

圖5 合成樹脂軌枕彎矩分布

圖6 有昨軌道軌枕彎矩分布

3 合成樹脂軌枕參數對軌道結構的影響［12]

3.1 樹脂軌枕寬度的影響

軌枕寬度對系統受力影響如圖7、圖8所示。可以看出,軌枕寬度主要影響軌枕位移,包括彎曲下沉位移與轉角位移,當轉角位移較大時將引起軌距的減小,影響列車平穩安全運行,增大軌枕寬度對于保證列車平穩安全運行有益。

以2 mm的動態軌距變化量為標準作為列車平穩安全運行的基準,所分析的幾種軌枕尺寸均滿足使用要求。軌枕寬度對軌道各部位彎矩影響不大,軌枕彎曲應力最大3 MPa,遠小于其材料容許值。因此軌枕寬度在滿足扣件安裝空間要求的基礎上盡量采用較小的寬度,以實現樹脂軌枕軌道的經濟性。

圖7 軌枕寬度對軌道位移的影響

圖8 軌枕寬度對軌道彎矩的影響

3.2 樹脂軌枕厚度的影響

當軌枕寬度取0.28 m時,軌枕厚度的變化對軌道受力變形的影響如圖9、圖10所示。

圖9 軌枕厚度對軌道位移的影響

圖10 軌枕厚度對軌道彎矩的影響

可以看出,樹脂軌枕厚度對軌枕位移、彎矩以及動態軌距變化量影響較大,隨著軌枕厚度的增加,軌枕抗彎剛度隨之增大,從而引起軌枕位移和彎矩的減小。以2 mm的動態軌距變化量為準評價各軌枕方案,研究發現,當軌枕支撐長度為1.7 m時、枕寬度小于0.26 m時,軌枕厚度須0.18 m以上才能滿足動態軌距變化量的要求,而軌枕寬度為0.28 m至0.3 m時,0.16 m的軌枕厚度亦可滿足要求,當軌枕支撐長度增加時,需相應增加軌枕厚度。

3.3 樹脂軌枕支承長度的影響

由上文可知軌枕彎矩分布符合四點彎曲梁特點,軌枕最大彎矩

式中,P為輪重；l0為兩鋼支承塊之間的距離。當l0＞1.5 m時,軌枕承受正彎矩；當l0＜1.5 m時,軌枕出現反彎矩,對軌枕的受力不利；而當支承恰好位于鋼軌正下方,即l0=1.5 m時,軌枕彎矩等于0,且軌距變化量最小,對軌枕受力最有利。但是考慮到樹脂軌枕與鋼橋的連接方式及鋼橋的設計原因,扣件下部連接部分的安裝可能會沖突,而且不利于檢查,需綜合考慮支承長度的取值。

保持斷面尺寸0.2 m×0.2 m不變,改變軌枕支承長度,其對軌道受力的影響如圖11、圖12所示。

圖11 軌枕支承長度對軌道位移的影響

圖12 軌枕支承長度對軌道彎矩的影響

可以看出,軌枕支承長度對樹脂軌枕軌道受力影響很大,隨著軌枕支承長度的增大,鋼軌位移和軌枕位移隨之增大,軌枕位移增大的幅度明顯快于鋼軌位移。軌枕支承長度的增加對軌枕彎矩及軌枕轉角引起的軌距變化影響很大,對保證行車安全及軌枕必要的安全儲備影響很大,為保證列車的安全運行,列車通過時的軌距動態變化量應小于2 mm,由此確定的0.2 m× 0.2 m的軌枕支承長度在1.8 m以下,當受扣件安裝空間的限制,軌枕支承長度需進一步增長時,需在軌枕中部增加支承點,以滿足動態軌距變化量的要求。另外軌枕支撐長度增加時,荷載作用下的軌枕位移增大,相當于減小了軌下基礎的支撐長度,從而引起彎矩增大,需注意檢算無縫線路的強度與穩定性。

3.4 樹脂軌枕長度的影響

當樹脂軌枕支承長度一定時,改變軌枕長度對于軌道系統受力沒有影響,因此在保證軌枕支承長度和軌道配件安裝的基礎上,為實現樹脂軌枕較好的經濟性,宜采用較短的樹脂軌枕長度。

4 結論

本文針對樹脂軌枕的結構特點,建立了樹脂軌枕有限元分析模型,同時對比普通有作軌道,分析了樹脂軌道受力的影響規律,得到以下結論:

(1)列車荷載作用下,合成樹脂軌枕軌道鋼軌和軌枕的下沉位移較小；而由軌下截面處轉角引起的軌距動態變化量較大,為保證列車平穩安全運行,需限制該變化量；

(2)為得到較好的經濟性,在保證扣件安裝空間的基礎上盡量采用較窄的軌枕寬度；

(3)軌枕厚度對軌枕位移和動態軌距變化量影響較大,為保證列車運行平穩,須保證必要的軌枕厚度,軌枕支承長度增大時,需相應增大軌枕厚度；

(4)軌枕支承長度對軌道剛度、軌枕彎矩、動態軌距變化量影響很大,須對軌枕支撐長度加以限制,當受扣件安裝空間限制無法滿足時,需加大軌枕斷面或在枕中增加支承點。

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Stress State and Parameter Study of Track with Synthetic Resin SleePers on Long-sPan Steel Bridge

LI Jian,ZHAO Ping-rui,LIU Guan
(Ministry of Education's Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Compared with both the traditional ballasted track and ballastless track,the track with synthetic resin sleepers,which are laid on long-span steel bridge,can significantly reduce secondary dead load and bridge cost.In this research,based on the structural characteristic of synthetic resin sleeper track on long-span steel bridge,a finite element model was established；and then the stress characteristics of both the synthetic resin sleeper track and the ballasted track were comparatively analyzed,also the cross-section size of the synthetic resin sleepers was researched.The research results show that under the action of train load,the vertical displacements of both the steel rail and the sleeper in synthetic resin sleeper track are less than those in ballasted track,while the variation of the track gauge isrelatively large but still meets the requirement of safety operation.The research results also show that the width,thickness,and bearing width of synthetic resin sleeper have great influence on track displacement and track gauge variation,therefore they should be comprehensively determined in view of train operation safety and economic efficiency as well as in combination with bridge structure design scheme.

steel bridge；synthetic resin sleeper；finite element；ballasted track

U213.2+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.010

1004-2954(2014)07-0041-04

2013-10-24；

2013-11-11

國家自然科學基金項目(51008258)；中央高校基本科研業務費專項資金(SWJTU12CX065)

李 健(1991―),男,碩士研究生,E-mail:ljswjtu@163.com。