層間連接對CRTS l型板式無砟軌道-路基系統力學特性的影響研究

雷鵬飛

（中鐵磁浮交通投資建設有限公司，武漢430060）

1 概述

無砟軌道由于具有使用壽命長、高平順性、少維修等特點，在國內外高速鐵路中得到了廣泛的應用。從20世紀60年代起，日本、德國等發達國家對無砟軌道進行了深入的研究，逐步形成了擁有各自特色的無砟軌道結構形式。

我國在吸收日本新干線單元板式無砟軌道的基礎上，針對我國鐵路的運營條件和地域條件研發了CRTS I型板式無砟軌道，并成功應用于哈大、滬寧城際、廣珠、廣深港等多條客運專線[1]。

自CRTS I型板式無砟軌道在我國得到成功應用，國內外學者針對其靜力、動力特性進行了大量研究，取得了豐碩的研究成果。

2 CRTS l型板式無砟軌道-路基空間力學模型

在ANSYS環境下生成的CRTS I型板式無砟軌道-路基力學模型總體圖及大樣圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 CRTS l型板式無砟軌道-路基力學模型總體圖

圖2 CRTS l型板式無砟軌道-路基力學模型大樣圖

模型中，鋼軌用beam4梁單元模擬，軌道板、CA砂漿、底座、基床表層、基床底層、地基以solid45實體單元模擬。

鋼軌與軌道板之間的連接采用combin14彈簧—阻尼單元模擬，為考慮扣件的尺寸效應，避免將鋼軌與軌道板對應節點直接相連造成軌道板的應力集中，將每個鋼軌節點與其對應扣件尺寸范圍內的軌道板節點均相連。

軌道板與CA砂漿、底座與路基間連接采用松散連接、緊密連接以及接觸單元連接3種不同的連接方式。松散連接假定無砟軌道層間無摩擦，層與層僅垂向連接，本文采用combin14彈簧-阻尼單元對此加以模擬[2]；緊密連接假定無砟軌道層間摩擦系數無窮大，不同層之間變形協調一致，本文不同層間采用共節點對此加以模擬；接觸單元連接可以考慮層間摩擦以及層間分離脫空，本文采用contact178單元對此加以模擬。

3 模型驗證

采用遂渝線動力測試結果對上述層間接觸單元連接空間力學模型進行驗證。模型計算參數見表1。不同速度級別下路基上CRTS I型板式無砟軌道地段的貨車輪軌垂向力平均值最大為131.2 kN，本文輪載取131.2 kN。

表1 軌道和路基計算參數

本文層間接觸單元連接模型計算結果及遂渝線實測值比較見表2。

表2 遂渝線板式無砟軌道計算結果比較表

表2數據表明，本文層間接觸單元連接力學模型能夠反映無砟軌道受力的實際情況。

4 仿真計算

4.1 計算參數及計算工況

路基上CRTS I型板式無砟軌道力學模型中軌道和路基主要計算參數如表1所示。

本文列車荷載取為100kN，并考慮3.0的動載系數，以300kN動荷載單輪對移動加載，路基不均勻沉降采用余弦型，20m范圍內最大沉降15mm，溫度梯度荷載考慮無砟軌道上熱下冷，取10℃。

為研究不同荷載作用下無砟軌道-下部基礎層間連接對路基上CRTS I型板式無砟軌道各部件的影響，設置8種工況，如表3所示。

表3 計算工況

4.2 計算結果及分析

4.2.1 列車荷載工況下計算結果及分析

表4給出了在列車荷載作用下，無砟軌道-下部基礎3種不同層間連接對軌道板以及底座板的影響規律。

表4 列車荷載下不同層間連接對軌道板及底座板應力影響結果比較表

從表4可以看出，在列車荷載的作用下，不同層間連接下軌道板及底座板應力計算結果有不同程度的差別。對于軌道板，層間松散連接力學模型下軌道板縱向最大應力、橫向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力、橫向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比層間接觸單元連接力學模型大10.3%、10.6%、10.6%、4.1%。層間緊密連接力學模型下軌道板縱向最大應力、橫向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力、橫向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比層間接觸單元力學模型小47.2%、19.2%、26.4%、17.9%。對于底座板，層間松散連接力學模型下底座板縱向最大應力、橫向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力、橫向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比層間接觸單元連接力學模型大16.7%、54.5%、13.8%、15.8%。層間緊密連接力學模型下底座板縱向最大應力、橫向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力、橫向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比層間接觸單元連接力學模型小13.5%、12.5%、32.9%、30.9%。

進一步分析，可以得到以下規律：在列車荷載作用下，層間松散連接力學模型下軌道板及底座板應力最大，層間緊密連接力學模型下軌道板及底座板應力最小，層間接觸單元連接力學模型下軌道板及底座板應力介于二者之間。造成上述規律的主要原因是：不同層間連接力學模型下無砟軌道抗彎剛度不同，層間松散連接下無砟軌道抗彎剛度最小，層間緊密連接下無砟軌道抗彎剛度最大，層間接觸單元連接下無砟軌道抗彎剛度介于二者之間。而無砟軌道抗彎剛度越大，其彎曲應力越小[3]。

4.2.2 路基不均勻沉降荷載工況下計算結果及分析

路基不均勻沉降作用下，2種不同層間連接對軌道板以及底座板的影響規律見表5。

表5 路基不均勻沉降荷載下不同層間連接對軌道板及底座板應力影響結果比較表

由表5可知，路基不均勻沉降作用下，不同層間連接力學模型下軌道板以及底座板縱向應力計算結果均有顯著差別。

層間緊密連接力學模型下軌道板縱向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比接觸單元連接力學模型大88.8%、74.3%。層間緊密連接力學模型下底座板縱向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比接觸單元連接力學模型大123.3%、126.4%。

造成上述現象的原因主要是：在不均勻沉降荷載工況下，無砟軌道各部件之間存在局部脫空，接觸單元模型可以考慮局部脫空對無砟軌道受力的影響，無砟軌道變形和受力均減小，而層間緊密連接下無砟軌道和下部基礎變形是一致的，其變形和受力較大[4,5]。

4.2.3 溫度梯度荷載工況下計算結果及分析

溫度梯度荷載作用下，3種層間連接對軌道板的影響規律見表6。

表6 溫度梯度荷載下不同層間連接對軌道板受力影響結果比較表

表6表明，溫度梯度荷載下，不同層間連接力學模型下軌道板縱向應力計算結果有一定的差別，不同層間連接力學模型下軌道板橫向應力計算結果差別顯著。

層間緊密連接力學模型下軌道板縱向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力、軌橫向最大應力、橫向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比接觸單元連接力學模型大19.7%、15.9%、119.2%、107.3%。層間松散連接力學模型下軌道板縱向最大應力、縱向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力、橫向最大應力、橫向最大正彎曲應力截面平均彎曲應力分別比接觸單元連接力學模型大 18.2%、15.4%、121.2%、108.2%。

造成上述現象的原因主要是：接觸單元力學模型考慮了在溫度梯度荷載作用下局部脫空效應對無砟軌道受力的影響，而緊密連接及松散連接力學模型都沒有考慮這種影響。

5 結論

本文考慮無砟軌道-下部基礎不同層間連接，建立了CRTS I型板式無砟軌道-路基空間力學模型，并探討了在列車荷載、路基不均勻沉降荷載、溫度梯度荷載作用下，不同層間連接對軌道板及底座板力學特性的影響規律，主要研究結論如下：

1）列車荷載作用下，無砟軌道-下部基礎不同層間連接力學模型下軌道板及底座板應力計算結果有不同程度的差別。層間松散連接力學模型下軌道板及底座板應力比接觸單元連接力學模型大4.1%～54.5%，層間緊密連接力學模型下軌道板及底座板應力比接觸單元連接力學模型小12.5%～32.3%。

2）路基不均勻沉降荷載作用下，無砟軌道-下部基礎不同層間連接力學模型下軌道板及底座板縱向應力計算結果差別顯著[6]。層間緊密連接力學模型下軌道板縱向應力比接觸單元連接力學模型下大74.3%～88.8%，底座板縱向應力比接觸單元連接力學模型大123.3%～126.4%。

3）溫度梯度荷載作用下，無砟軌道-下部基礎不同層間連接下軌道板縱向應力計算結果有一定的差別，軌道板橫向應力計算結果差別顯著。層間緊密連接及松散連接力學模型下軌道板縱向應力比層間接觸單元連接力學模型大15.4%～19.7%，層間緊密連接及松散連接力學模型下軌道板橫向應力比層間接觸單元連接力學模型大107.3%～121.2%。

4）為了更好地反映無砟軌道的空間力學特性，有必要在力學模型中使用層間接觸單元，以提高計算精度。