高速鐵路橋梁用彈性墊層結構剛度探討

鄧嬌，張文威，周煒，齊西雷

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

高速鐵路橋梁用彈性墊層結構剛度探討

鄧嬌，張文威，周煒，齊西雷

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

運用Abaqus軟件對橋梁軌道板用彈性墊層進行仿真分析，在總體厚度及外形尺寸受到限制的條件下，通過調整多層隔板橡膠結構中膠層的分布來調整系統的剛度，發現膠層厚度的分布越均勻，產品的剛度越大。該方法在工程應用中具有實際意義。

橋梁 軌道板 彈性墊層 形狀系數 剛度

隨著我國高速列車速度的不斷提高，減振產品已經應用到各個領域［1］。用于減振、降噪的橡膠制品，其剛度是主要性能參數［2］。對于產品的剛度性能，一般通過試驗或計算的手段得到產品的靜態剛度曲線［3］。

本文所涉及的彈性墊層屬于銅陵長江大橋高速鐵路項目，該項目使用常阻力扣件。鋼軌伸縮或梁體伸縮時，鋼軌與軌道板之間不提供相對位移，所有縱向位移由軌道板與梁體之間相對滑動實現。

彈性墊層安裝在梁體與線路軌道板之間，在提供三項剛度的同時，其下平面減阻層能夠實現軌道板在梁體上的縱向移動，減少鋼軌及橋體應力，保護線路和橋梁安全。

本文主要探討通過調整多層隔板橡膠結構中膠層的分布來調整系統的剛度，尋找膠層分布方式與剛度變化間的關系，迅速實現同類型產品不同的設計意圖。

1 產品結構特點

彈性墊層由聚四氟乙烯板、鋼板、橡膠三部分組成，如圖1所示。

圖1 彈性墊層模型

鋼板與聚四氟乙烯板通過橡膠硫化在一起，為滿足安裝接口及強度要求，系統集成設計方對彈性墊層外形尺寸及骨架件尺寸有嚴格的規定，如表1所示。

表1 彈性墊層厚度尺寸

彈性墊層結構與橋梁板式橡膠支座結構相類似，因此根據JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》標準引入形狀系數［4］參數。形狀系數S定義為:S=有效承載面積/單層橡膠層的側面積［5］，即

式中:S為支座形狀系數;A為有效承壓面積;C為單層橡膠層的受力面周長;t為單層橡膠層的厚度;E為實際抗壓彈性模量;G為剪切模量。

根據上述對形狀系數S的定義及彈性墊層的特殊結構，假設聚四氟乙烯板剛度足夠大，設彈性墊層由3層鋼板和3層橡膠疊成，因此將橡膠近似地看成由兩彈簧串聯而成，彈性墊層剛度為

將(1)、式(2)、式(4)、式(5)分別代入式(3)可得

式中:R為垂向方向的壓力;Δ為單層膠層的壓縮量。

根據公式(6)可知，主要影響剛度的因素為S，C。但是當外形尺寸固定，膠層厚度將是主要影響剛度的因素。文獻［3］主要介紹了形狀系數與彈性模量的關系，本文則研究不改變產品外形及骨架件尺寸，通過調整形狀系數來尋找垂向剛度變化趨勢。

彈性墊層結構對稱，并且受力均勻，因此采用四分之一的對稱結構進行數值仿真分析以提高計算速度。模型網格采用結構和非結構化網格結合的劃分方法，對整個計算區域采用分塊劃分網格的原則，模型單元數約6.1萬，如圖2所示。

圖2 計算模型網格

2 計算結果與分析

剛度計算載荷取彈性墊層實際應用載荷80～200 kN，計算工況下膠層具體參數如表2所示。

表2 彈性墊層計算工況mm

3種計算工況下剛度曲線如圖3所示。橫坐標為力，縱坐標為位移。k1，k2，k3分別表示工況1，2，3的剛度曲線。由剛度曲線可知，膠層厚度分布越均勻，剛度越最大。主要是因為當膠層分布越均勻時，橡膠所發生變形的面積相對較少，因此膠層分布不均勻就是增加橡膠的變形面積。

圖3 3種工況剛度曲線

3 試驗驗證

為了進一步驗證仿真的結果，根據3種不同工況，采用天然橡膠為材料，生產3種產品進行試驗。

垂向靜剛度試驗設備為INSTRON8802試驗機，產品置于兩塊鋼板之間且鋼板的厚度≥40 mm。上鋼板安裝60鋼軌，加載0～200 kN的力，記錄80 kN和200 kN垂向位移，并計算靜剛度。該試驗數據與分析結果對比如表3所示。試驗結果與分析結果相差約8%，說明分析相對較為準確。當彈性墊層外形尺寸不變時，調整膠層厚度，可以調節產品剛度。

表3 彈性墊層測試剛度

4 結論

本文通過對彈性墊層的仿真分析與試驗相對比得到如下結論:

1)調節形狀系數可以調整產品的應變和承載力。

2)膠層厚度分布越均勻，產品的剛度越大。

3)本文運用Abaqus軟件對彈性墊層作仿真分析，在模型與材料參數準確的基礎上，可以得到較高的計算精度，可在同類結構產品設計中推廣。

4)彈性墊層的結構與橋梁板式橡膠支座相類似，但應用實際工況不同。完全應用橋梁支座的規定是否合適，通過本文的分析可為彈性墊層的技術規定提供理論依據。

［1］黃友劍，趙熙雍，李金衛．橡膠產品在城市軌道交通中的應用［J］．橡膠科技市場，2004(20):11-13．

［2］張亞新．壓縮型橡膠元件的研制報告［R］．株洲:株洲時代集團，2007．

［3］劉建勛，黃友劍，張亞新．高鐵大變形橡膠止擋非線性剛度特性曲線計算精度分析［J］．計算機輔助工程，2011，20 (1):132-135．

［4］中華人民共和國交通部．JT/T 4—2004公路橋梁板式橡膠支座［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［5］黃躍平，胥明．板式橡膠支座膠層厚度不均勻對力學性能的影響［J］．世界橡膠工業，2006，33(2):37-42．

［6］蔡文鋒，王平，趙偉．關于橡膠墊板剛度計算方法的研究［J］．鐵道建筑，2008(4):83-85．

(責任審編趙其文)

U238;U443．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．11

1003-1995(2015)03-0037-02

2014-04-25;

2014-12-15

鄧嬌(1977—)，女，湖南寧鄉人，高級工程師。