雙塊式無砟軌道軌枕脫空處水的特性研究

張凌之，徐 坤，楊榮山

(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)

無砟軌道具有良好的結構連續性、平順性、恒定性、穩定性、耐久性和少維修性能，其工務養護、維修設施較少，免除了高速條件下有砟軌道的道砟飛濺，有利于適應地形選線，減少線路的工程投資等特點，成為高速鐵路軌道結構發展的主要形式［1］。雙塊式無砟軌道作為我國無砟軌道結構形式之一，隨著大量客運專線的建設，得到了越來越廣泛的應用。雖然雙塊式無砟軌道整體受力性能較好，但是處于新老混凝土粘結面的軌枕塊和道床板處對外界荷載較為敏感，混凝土道床板上的裂紋極易從此處發展［2-5］，尤其在降雨量較多的地區，新老混凝土粘結面處受水影響破壞嚴重，破壞形式主要表現為軌枕周邊開裂松動，即軌枕周邊現澆混凝土碎裂、掉塊，混凝土軌枕周邊冒白漿。軌枕周邊開裂松動如圖1所示，軌枕松動會嚴重影響結構的整體性，使道床板迅速破壞，形成軌枕空吊，軌枕松動導致相鄰軌枕承受附加荷載沖擊，這樣會使軌枕松動現象繼續發展，影響軌道結構耐久性，行車平穩性和安全性［6-9］。因此，開展列車荷載與水耦合作用下的雙塊式無砟軌道軌枕松動研究，探明動水壓力作用下雙塊式無砟軌道軌枕脫空機理具有重要意義。

通過計算流體力學軟件ANSYSCFX［10-11］，建立了軌枕－水－道床板流固耦合動力學模型，總結了軌枕脫空下水體的壓強和流速物理量的變化趨勢，以期為完善無砟軌道設計理論，合理制定無砟軌道養護維修方法，延長使用壽命提供理論依據。

圖1 軌枕松動現場調研圖片

1 計算模型及參數

主要考慮豎向的輪載作用力而不考慮水平和縱向的作用力，雙塊式無砟軌道實際受力是從上向下依次傳遞的，鋼軌與車輪直接接觸，它將直接承受列車荷載的沖擊動力作用。在輪軌力的作用下，鋼軌將產生變形，通過扣件系統將力傳遞給混凝土軌枕塊并傳遞到道床板，道床板進一步將力分散到支撐層、路基或者底座［12］。假設某根軌枕出現了脫空松動的現象，而周邊其余軌枕均正常工作，其豎向受力簡化如圖2所示，由于只考慮軌枕松動的情況下部結構沒有過多考慮直接加全約束。

圖2 雙塊式軌道結構受力簡化示意

為了方便研究軌枕脫空處水的一般作用特性，根據現場調研的情況選取列車速度為300 km/h，脫空高度為3 mm，脫空長度0.5 m，四周裂縫寬度3 mm的情況，分析在此條件下水的壓強、流速特性。在運用ANSYSCFX建立軌枕－水－道床板流固耦合動力學計算模型時［6，7］，主要遵循以下基本原則。

(1)由于主要分析水的動力特性，不考慮車輛模型，采用簡化列車荷載。為了研究方便，減少模型計算時間，采用輪載作用4次進行計算，假設在軌枕脫空前后荷載沒有變化。

(2)根據問題的需要及計算方便，采用分層建模思想，不考慮鋼軌，支撐層，路基。根據軌枕受力來建立軌枕－水－道床板流固耦合動力學計算模型，自上往下依次為軌枕，水，道床板。

(3)裂縫簡化為規則的形狀，脫空及裂縫中水體填充，并假設脫空及裂縫中填滿水體。

(4)采用實體模型，根據對稱性和分析的主要問題，采用局部模型。為了消除邊界條件的影響，模型選取3根軌枕，分析中間軌枕周邊裂縫及脫空滿水的情況。

基于上面的基本原則，建立的計算模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

采用雙塊式無砟軌道結構來模擬計算，模型中的雙塊式無砟軌道結構具體參數如表1所示。由于模型主要分析軌枕與道床板交界面的水傷損情況，主要考慮軌枕、道床板及以上結構在列車荷載作用下，雙塊式無砟軌道軌枕脫空傷損情況下水的動力性能，故本模型僅僅建到道床板，道床板底部采用全約束。軌枕、扣件、道床板的尺寸和參數見表1。

表1 雙塊式軌道的尺寸、參數

為了得到最大輪軌力Pm，應用列車－軌道系統動力學仿真模型，采用德國不平順譜，列車采用CRH2。為了研究問題的方便，減少計算時間和節約計算空間，根據實際荷載的形式，采用簡化的沖擊荷載，不同列車車速條件下軌枕受力最大值和作用時間如表2所示。此問題采用瞬態分析，時間步長取0.002 s。

表2 不同車速最大軌枕作用力及作用時間

2 軌枕脫空處水的作用特性計算分析

模型中水體有周邊水和下部水兩部分，考慮研究的主要因素和目的，主要是研究脫空下水體的作用特性情況，而并未對周邊水進行研究分析。為了建模計算得到軌枕脫空下水流的動力特性，即計算水體中某點的壓強和流速物理量的數值大小和變化趨勢，研究軌枕脫空處水流的作用特性。本模型中設置了沿軌枕縱向、橫向共18個監測點，來研究水流壓強、流速的縱橫向變化規律。對于設置的監測點，它能夠記錄任意時刻下該點的物理量，它可以用于輸出壓力、速度等物理量的時程曲線，監測點的分布示意如圖4所示。

圖4 監測點示意

2.1 單個點水的一般作用特性研究

為了分析水流的作用特性，選取2號點計算其壓強、流速，其壓強、流速時程曲線如圖5所示。

圖5 點2的壓強、流速時程曲線

由圖5得知，在動態列車荷載的作用下，軌枕脫空處水的壓強和流速均成波動變化，壓強流速正負交替波動，并達到峰值，最大正壓強為43.5 kPa，最大負壓強為49.6 kPa。當列車荷載作用到脫空軌枕時，對軌枕施加了一個向下的瞬時壓力，軌枕底的水產生了水流具有一定的壓強和流速，并且逐漸達到峰值，而當列車荷載駛離脫空軌枕時，軌枕向上反彈，恢復到初始的未受力的狀態，軌枕底出現負壓力吸力，水流會被吸回軌枕脫空出，它們逐漸達到負向的最大值。軌枕長度方向(x坐標方向)的流速最大值達到0.263 m/s，寬度方向(z坐標方向)的流速最大為0.06 m/s，軌枕高度方向(y方向)最大流速為0.02 m/s。這說明在列車荷載施加的過程中，軌枕下脫空區水的流速沿軌枕長度方向的流速遠大于軌枕寬度方向的流速，約是寬度方向的4倍;脫空區水的流速在軌枕寬度方向是其高度方向的3倍，由此可見在軌枕受豎向荷載作用時，沿軌枕高度方向的流速較小，基本可以不考慮其影響。所以對于枕下脫空區域的水體，可以考慮主要因素，主要研究水沿軌枕長度和寬度方向即xz平面流速變化情況，關于流速的研究是按照xz平面分析x和z兩個方向的變化情況而進行的。為了分析表述的方便，本文的方向按圖6中的規定來表述說明的。

2.2 水流場的作用特性分析

圖6 枕下脫空區水體平面示意

為了研究水流場的壓強，流速在脫空區內沿軌枕長度方向的變化(x方向，坐標系參見圖6所示)，選取監測點號為1，2，3，4，5，6 的6 個點分析變化趨勢。通過整理數據，可以得到各個點壓強、流速的最大值，壓強、流速的最大值沿軌枕長度方向(x方向)的變化如圖7所示。

由圖7可知，水流的壓強沿軌枕長度方向(x方向)的變化是先增大，在5號監測點處達到最大值，最大約為82 kPa，后逐漸減小，這說明在軌枕脫空區遠離出口靠近脫空后端的壓強較大。同時軌枕長度方向的監測點的流速在脫空區內沿軌枕長度、寬度方向均在1號點最大，x方向最大流速約為1.8 m/s，z方向最大流速約為0.2 m/s，z方向流速呈遞減的趨勢，這說明在軌枕脫空區靠近脫空前端出口處的水流速度大一些。因為列車經過前，枕下靜水可視為各處水量都是一樣的，當列車經過時靜水由高頻列車荷載影響轉變為動水向四周擴散，而軌枕同時下壓在出口位置向下的位移最大，即出口處橫截面積減小，出口處速度較大。

為了研究分析水流的壓強，流速在脫空區內沿軌枕寬度方向的變化(z方向，坐標系參見圖6所示)，選取監測點號為 6，16，17，18，12的6個點分析變化趨勢。通過整理數據，可以得到各個點壓強、流速的最大值，壓強、流速基本量的最大值沿z方向的變化如圖8所示。

圖7 壓強、流速的最大值沿軌枕長度方向(x方向)的變化

圖8 壓強、流速基本量的最大值沿z方向的變化

由圖8可知，水流的壓強沿軌枕寬度方向(z方向)的變化是逐漸遞減的，在6號監測點處達到最大值，最大約為51 kPa，后逐漸減小，在12號監測點減小到約27 kPa，減小了24 kPa，6號點靠近脫空區后端中間而12號點靠近脫空區邊端，這說明脫空區水流壓強中間要比邊端大。軌枕寬度方向的監測點流速在脫空區內沿軌枕長度有減少趨勢，但變化不大，而寬度方向的流速具有明顯的增大趨勢，在6號點最小，約為 0.03 m/s，在 12號點最大流速約為0.63 m/s，增加了約為0.6 m/s。這說明靠脫空邊端軌枕寬度方向上的流速較大，而軌枕中部的流速比端部的流速要小。

3 結論

通過計算流體力學軟件ANSYS CFX，建立了軌枕－水－道床板流固耦合動力學模型，計算了軌枕脫空下水體的壓強和流速物理量的數值大小，總結了其變化趨勢。得出以下結論。

(1)軌枕脫空處水的壓強和流速均成波動變化，壓強、流速正負交替波動。軌枕下脫空區水的流速沿軌枕長度方向最大，故在軌枕受豎向荷載作用時，水對裂紋的深度影響較為嚴重。

(2)軌枕下脫空區水的流速沿軌枕長度方向和寬度方向的流速遠大于軌枕高度方向的流速，在軌枕受豎向荷載作用時，沿軌枕高度方向的流速較小，基本可以不考慮其影響。

(3)在高頻列車荷載作用下，軌枕下脫空區水由靜水轉變為動水，對道床板進行沖刷，導致道床板裂紋快速發展。尤其是脫空區中部，流速和壓強較大，所以裂紋極易從此處發展。在降雨量較大的地區，應及時修補由于軌枕松動產生的裂紋，防止其受水影響，加速裂紋的發展。

［1］何華武.無砟軌道技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］王會永.現澆無砟軌道軌枕結構對新老混凝土粘結面應力狀態的影響［D］.成都:西南交通大學，2008.

［3］郭劍，潘雨，王旭.客運專線無砟軌道雙塊式軌枕混凝土配合比試驗研究［J］.鐵道標準設計，2008(3):69-71.

［4］吳斌，張勇，曾志平，徐慶元.李平.溫度及收縮荷載下路基上雙塊式無砟軌道力學及裂縫特性研究［J］.鐵道科學與工程學報，2011，8(1):20-23.

［5］王森榮，楊榮山，等.無砟軌道裂紋產生原因與整治措施［J］.鐵道建筑，2007(9):76-79.

［6］任娟娟，劉學毅，趙坪銳.連續道床板裂紋計算方法及影響因素［J］.西南交通大學學報，2010，45(1):35-38.

［7］林紅松，劉學毅，周文.道床板裂紋對無砟軌道振動的影響初探［J］.鐵道學報，2010，30(6):67-71.

［8］宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［9］劉學毅，趙平銳，楊榮山，王平.客運專線無砟軌道設計理論與方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2010.

［10］謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［11］丁源，吳繼華.ANSYSCFX 14.0從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2013.

［12］李耀東.列車荷載與水耦合作用下雙塊式軌道軌枕脫空機理研究［D］.成都:西南交通大學，2013.