重載鐵路橋上無縫線路斷縫允許值的研究

李 敏 高 亮 谷呈朋

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055； 2.北京交通大學 ， 北京 100044)

重載鐵路橋上無縫線路斷縫允許值的研究

李 敏1高 亮2谷呈朋1

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055； 2.北京交通大學 ， 北京 100044)

鋼軌的斷縫檢算是無縫線路結構設計的內容之一，橋上無縫線路的斷縫值與橋上扣件的布置形式及線路縱向阻力取值有關。基于有限元軟件ABAQUS建立了不同斷縫值的橋上無縫線路靜力學與動力學計算模型，分析了不同斷縫位置和30 t軸重條件下對貨物列車通過斷縫時鋼軌的位移和受力等力學特性以及脫軌系數等動力響應評價指標的影響。計算結果表明，重載鐵路橋上無縫線路設計中斷縫值應采用70 mm。

重載鐵路 橋上無縫線路 斷縫允許值 30 t軸重

1 研究背景

鋼軌的斷縫檢算是無縫線路結構設計的內容之一，橋上無縫線路的斷縫值與橋上扣件的布置形式及線路縱向阻力有關。重載鐵路由于列車軸重大，速度相對低，與高速鐵路對軌道平順性、舒適度等要求有著較大的區別。

鐵科院曾在北京環形試驗基地有砟軌道地段進行了列車通過鋼軌斷縫的安全試驗，試驗線路采用50 kg/m鋼軌、木枕、有砟道床。在一股鋼軌設置斷縫，其大小由20 mm、60 mm、100 mm 逐次擴大，最終設置斷縫138 mm。為保證試驗安全，用2 輛軸重210 kN貨物車輛溜放通過，車輛通過斷縫速度，從20 km/h、40 km/h 逐次提高，最終達到85 km/h。通過試驗測定順車軌與迎車軌形成的臺階，順車軌所受垂向力P、橫向力H，順車軌的彈性擠開量δ，迎車軌所受橫向力、撓度等6項參數。

根據本次試驗研究，確定我國鐵路有砟軌道無縫線路鋼軌斷縫允許值為：一般情況可取70 mm；在滿足一定條件下，斷縫允許值取90 mm。

2 研究內容

2.1 研究思路

主要通過模擬列車車輪通過斷縫處的輪軌力、脫軌系數、輪對橫向力等方面進行分析。為簡化模型，軌下基礎采用彈簧疊加之后的剛度代替。其中，靜力學著重研究重載列車對不同斷縫位置的沖擊影響，考慮斷縫位于沿線路縱向兩個相鄰扣件的中央與扣件邊緣兩種工況，模擬重載列車通過不同長度斷縫時的變形與受力。

綜合靜力學分析得到列車通過斷縫時最不利位置后，進行列車通過最不利斷縫處的動力學分析，基于不同軸重重載列車通過不同長度斷縫的動力仿真研究，為我國重載鐵路橋上無縫線路斷縫值的取值提供參考。

2.2 模型計算參數

鋼軌采用CHN60斷面，斷面積A=77.45 cm2，質量M=60.64 kg/m，水平軸慣性距為3 217 cm4，豎直軸慣性距為524 cm4。材料參數為：彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3。扣件采用彈簧和阻尼單元模擬，間距取為600 mm。

重載列車有限元模型主要包含輪對等要素，計算參數參考我國C80參數，輪對踏面采用LM磨耗型踏面，輪載沖擊系數取3.0。

3 靜力學分析

3.1 靜力學分析模型

基于上述參數條件，建立靜力學有限元分析模型。

(1)為分析鋼軌在一節車廂靜載下的變形及消除邊界條件的影響，模型中鋼軌長度取50 m(轉向架中心距定為10.15 m，固定軸距2.6 m)。鋼軌采用實體單元，模型中考慮設立1∶40的軌底坡。

為重點分析斷縫處的變形和受力情況，斷縫處單元沿縱向長度取50 mm，遠離斷縫處的網格長度逐漸變大。模擬斷縫處的局部網格如圖1所示。

(2)扣件及軌下基礎分別簡化為具有縱、橫、垂向剛度的彈簧阻尼單元，扣件間距取600 mm。

(3)靜力學分析考慮輪子和鋼軌之間的接觸，輪子受靜載450 kN。計算分3步進行，第一步為輪子和鋼軌的接觸，第二步為輪子受450 kN載荷，第三步為在受載同時輪子向迎車軌方向移動。靜力學分析模型如圖1所示。

圖1 斷縫處靜力有限元分析模型

3.2 靜力學計算結果示例

靜力學計算中分別考慮以下兩種工況：工況一，斷縫位于沿線路縱向兩個相鄰扣件的中央；工況二，斷縫位于扣件邊緣。斷縫值考慮70 mm、80 mm、90 mm、100 mm和110 mm等五種情況。

以迎車軌條件為例，給出六種不同斷縫值條件下兩種工況的鋼軌的最大垂向位移、最大橫向位移、最大Mises應力和最大接觸應力的對比(如圖2至圖5所示)。

圖2 不同工況迎車軌最大垂向位移對比

圖3 不同工況迎車軌最大橫向位移對比

圖4 不同工況迎車軌最大Mises應力對比

圖5 不同工況迎車軌最大接觸應力對比

3.3 靜力學分析小結

通過30 t軸重條件下對不同斷縫位置、不同斷縫值條件下順車軌和迎車軌的垂向和橫向位移、Mises應力及接觸應力進行了分析計算，得到結論如下：

①斷縫位置對列車安全通過斷縫具有重要影響，當斷縫位于扣件邊緣時較斷縫位于扣件中間時顯然更不安全。

②斷縫值為100 mm時，鋼軌的接觸應力有明顯增加，但受扣件處約束作用垂橫向位移相較有所降低。橋上無縫線路斷縫值的允許值設置為70～90 mm均是合理的。

③考慮到靜力學模型的局限性，無法體現出重載列車車輪通過斷縫處鋼軌的瞬態沖擊力，僅能反映列車通過不同位置斷縫時對鋼軌變形與受力的影響，有必要建立動力仿真模型，重點分析研究不同速度條件下，不同軸重車輛通過不同斷縫時的沖擊影響。

4 動力學分析

4.1 動力學分析模型

動力學仿真模型主要分為鋼軌、扣件、軌下基礎和車輛模型等幾個要素，鋼軌和扣件的模擬與靜力分析模型一致。

對于車輛模型中車體、轉向架和輪對三大構件，運動主要為剛體運動，不考慮其內部應力分布情況，假定車體、轉向架和輪對都是剛體；對于車體和轉向架、車輪和轉向架之間均通過彈簧阻尼單元連接并發生相互作用。

轉向架結構中的中央懸掛模型提供三個方向剛度和阻尼，由橫向減振器提供中央橫向阻尼。軸箱懸掛模型包括由軸箱彈簧提供的三個方向上的剛度，一系的垂向阻尼由懸掛在軸箱定位彈簧外側的一系垂向減振器提供。以上的彈簧、阻尼均以剛度和阻尼元件一并予以考慮。

根據以上的車體模型、轉向架模型和輪對模型，以及一系、二系彈簧和阻尼情況，建立的有限元動力學模型如圖6和圖7所示。

圖6 動力學仿真模型

圖7 動力學模型局部放大

4.2 動力學計算結果匯總

評判重載列車通過斷縫是否會出現脫軌，各項指標如輪軌垂向作用力、橫向作用力是否會出現超限的主要標準包括：脫軌系數Q/P≤0.8、輪對橫向水平力Q≤80 kN、脫軌系數超限時間≤15 ms。

基于靜力學分析結果得到：當斷縫位于扣件邊緣時更不利列車安全通過；斷縫在60 mm以下時，列車車輪比較容易跨過斷縫。因此動力學分析將在上述結論基礎上進行，分別得到了30 t軸重列車速度從80 km/h、100 km/h增加到120 km/h，通過不同斷縫值時的輪軌力、脫軌系數、垂向位移、Mises應力和接觸應力等的時程曲線，計算結果如表1～表4所示。

表1斷縫值70 mm輪軌垂橫向力、脫軌系數等仿真計算結果

速度/(km/h)垂向力P1/kN垂向力P2/kN橫向力Q/kN脫軌系數Q/P脫軌系數超限時間/ms8040222452.70.1531.110041227656.70.1551.212044022264.40.2067

表2 斷縫值70 mm輪軌垂橫向位移、最大mises應力等仿真計算結果

表3斷縫值90 mm輪軌垂橫向力、脫軌系數等仿真計算結果

速度/(km/h)垂向力P1/kN垂向力P2/kN橫向力Q/kN脫軌系數Q/P脫軌系數超限時間/ms8042622867.40.161.310045022862.30.1631.412047022864.90.2011.6

表4 斷縫值90 mm輪軌垂橫向位移、最大mises應力等仿真計算結果表

4.3 動力學分析小結

基于30 t軸重及本文所列參數條件下，得到如下結論：

①重載列車以80 km/h、100 km/h、120 km/h通過不同斷縫值時，輪軌力、鋼軌最大垂向力等增加較小，列車以不同速度通過斷縫時的輪軌力變化、接觸應力等時程變化趨勢大致相同。輪軌沖擊斷縫后，均出現較為頻繁的持續沖擊，沖擊時間間隔較短，前一次沖擊響應尚未衰減完成，接著又疊加新一輪的沖擊。

②斷縫值從70 mm增加到90 mm時，發現90 mm斷縫時其各項指標均在安全限度以內。但大于90 mm時，輪軌橫向力等均在安全限值以內，但輪軌脫離時間較大，最多可到12 ms，較為接近限值15 ms。

③基于本文參數條件，從有限元計算結果來看，30 t軸重條件下，橋上無縫線路設計檢算時最大斷縫檢算可設置為90 mm。

5 結論及建議

基于本文中的各項參數條件，綜合列車通過斷縫時的靜力及動力計算結果，可以得到如下結論：

①當斷縫小于90 mm時，列車速度小于120 km/h時都可以安全通過，基于此認為30 t軸重條件下，目前橋上無縫線路檢算時斷縫值取為70 mm是偏于安全的。

②從運營實踐來看，由于斷軌時的軌溫一般高于設計所采用的歷年最低軌溫，實際斷縫值小于設計計算值。對于大跨度橋梁，且氣溫變化較大的地區，設置小阻力扣件有可能出現斷縫值大于70 mm的情況，該種情況應設置鋼軌伸縮調節器。但鋼軌伸縮調節器由于其固有的結構特性，尖軌斷面有不同程度的削弱，其尖軌、基本軌接頭是最薄弱的環節，若布置于橋梁橫梁、橋臺胸墻和支座中心等地段，在輪軌動力作用下，將導致病害增多，甚至折斷。重載鐵路上應慎用伸縮調節器，建議在該種條件下，橋上無縫線路的斷縫檢算值應設置為90 mm。

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ResearchontheAllowableWidthofRailBrokenGapsofCWRonBridgeinHighSpeedRailway

LI Min1GAO Liang2GU Chengpeng1

2013-11-21

李 敏(1982—)，女，2008年畢業于北京交通大學土木建筑工程學院道路與鐵道工程專業，工學碩士，工程師，E-mail：jerry.lmin@gmail.com。

1672-7479(2014)01-0110-04

U211.4；U213.42

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