重載鐵路彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力計算分析

尤瑞林，王繼軍，杜香剛，劉海濤

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

重載鐵路彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力計算分析

尤瑞林，王繼軍，杜香剛，劉海濤

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

彈性支承塊式無砟軌道結構整體彈性較好，有利于降低輪軌相互作用力并減緩對隧道基底的振動沖擊，是重載鐵路長大隧道內較為適宜的軌道結構形式。但彈性支承塊式無砟軌道采用兩個獨立的彈性塊體支承鋼軌，其保持軌道幾何狀態，尤其是保持軌距的能力相對較弱。本文通過有限元模型計算，結合室內相關試驗結果，研究分析了重載條件下彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力的影響因素。結果表明:增大支承塊的長度、寬度以及埋深，可減小支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角;當支承塊埋深不變時，增大支承塊高度對軌距擴大、鋼軌轉角及支承塊轉角的控制不利;增大支承塊套靴側向剛度，可減小支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角;增大軌下墊板剛度和支承塊下墊板剛度，軌距擴大不斷減小，但軌下墊板剛度的增加主要是降低鋼軌轉角，對支承塊的幾何狀態影響不大，而支承塊下墊板剛度的增加主要是降低支承塊橫向間距擴大，對鋼軌轉角的影響較小。

重載鐵路 彈性支承塊式無砟軌道 軌距保持能力 影響因素

目前，國內外重載鐵路大都采用有砟軌道結構，隨著列車軸重和線路運量的提高，軌道的維修工作更趨頻繁，但繁忙的貨運鐵路，天窗兌現率越來越低，可用于線路養護維修的時間較短，難以對線路病害進行及時維修，尤其是在長大隧道內，有砟軌道結構養修作業更加困難。若在長大隧道內采用無砟軌道結構，則具有降低隧道凈空，結構耐久性強，維修工作量少，維護費用低，軌道結構穩定性、連續性和平順性好等優點［1-2］。我國正在研究編制的重載鐵路設計規范中也推薦在長大隧道內采用無砟軌道結構。目前，國內外應用的無砟軌道種類較多，經對比分析，彈性支承塊式無砟軌道結構綜合性能良好，在我國客貨混運線路隧道內已有一定規模的應用，施工和養護維修方面已積累了較多經驗。從現場調研和國內外試驗情況看，彈性支承塊式無砟軌道結構整體狀態較好，是重載鐵路長大隧道內一種較為適宜的軌道結構形式。

彈性支承塊式無砟軌道由鋼軌、扣件、道床板、混凝土支承塊、支承塊下橡膠墊板以及橡膠套靴組成，采用兩個獨立的彈性塊體支承鋼軌，由于兩個彈性支承塊相互之間無聯系，其保持軌道幾何狀態，尤其是保持軌距的能力相對較弱［3-5］。本文結合室內相關試驗結果，通過有限元模型計算，研究重載條件下彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力的影響因素，分析其對于重載條件的適用性，為我國重載彈性支承塊式無砟軌道結構的設計提供參考。

圖1 單節點彈性支承塊式無砟軌道有限元模型

1 有限元模擬與室內試驗

1.1 單節點實尺模型計算及室內試驗

為準確計算不同荷載條件下彈性支承塊式無砟軌道結構軌距保持能力，本文建立有限元模型(圖1)進行分析，模型中鋼軌、支承塊、道床及下部基礎均采用實體單元模擬;扣件垂向及橫向剛度采用彈簧單元模擬;支承塊與道床板之間為接觸關系，其四周接觸剛度為套靴的側向剛度，底部接觸剛度為塊下橡膠墊板的剛度。另外，為更好分析垂向及橫向荷載共同作用下鋼軌傾翻對軌距變化的影響，在鋼軌軌底兩側彈條扣壓點位置建立非線性彈簧單元，在鋼軌傾翻過程中通過兩側彈簧單元受力方向的變化來模擬彈條的扣壓力及軌下墊板的剛度。

根據室內試驗實際工況，參考歐洲、澳大利亞以及我國扣件系統的相關試驗方法擬定兩種荷載方案。方案1采用高度為161 mm的鋼軌，兩股鋼軌上分別施加比值為1∶0.5的垂向與橫向荷載［6-7］，如圖2(a)所示。方案2采用高度為100 mm的鋼軌，兩股鋼軌上分別施加比值為1∶1的垂向與橫向荷載［8］，如圖2(b)所示。

圖2 兩種荷載方案

彈性支承塊式無砟軌道軌距變化主要是由于支承塊橫向間距變化、鋼軌以及支承塊傾翻等引起。兩種加載方案下軌道結構軌距保持能力相關指標的試驗及計算結果分別見表1和表2。

表1 單節點實尺模型加載方案1試驗及計算結果對比

表2 單節點實尺模型加載方案2試驗及計算結果對比

對比表1和表2可以看出:方案1的軌距擴大大于方案2;而方案2支承塊橫向間距擴大大于方案1;兩種加載方案中鋼軌轉角以及支承塊轉角差別不大。方案1軌距擴大較大主要是由于試驗用鋼軌的高度大于方案2;而方案2的橫向荷載與垂向荷載比值大于方案1，因此支承塊橫向間距擴大相對更大。在不同荷載條件下，對于軌道模型軌距擴大、鋼軌轉角、支承塊轉角等軌距保持能力指標的理論計算與試驗結果變化規律一致，軌距擴大較為接近，驗證了計算模型的適用性。

1.2 多節點有限元計算模型

根據單節點實尺模型試驗結果，結合重載彈性支承塊式無砟軌道結構特點，建立多節點有限元計算模型(圖3)，基本計算參數見表3。

圖3 多節點有限元計算模型

既有的試驗測試數據表明:高速車輛在直線上運行時的輪軌橫向力大約是輪軌垂向力的10%～15%;高速車輛在大半徑曲線上運行時的輪軌橫向力大約是輪軌垂向力的25%～35%;普速車輛在小半徑曲線上運行時的輪軌橫向力約為輪軌垂向力的30%～45%［9-10］。基于以上試驗數據的分析，針對重載線路曲線半徑相對較小的特點，在有限元模型計算中將輪軌橫向和垂向荷載比值取為0.4，其中單股鋼軌承受的橫向荷載按100 kN計，相應垂向荷載為250 kN，采用單軸加載方式。

表3 模型基本計算參數

2 影響因素分析

2.1 支承塊尺寸對軌距保持能力的影響

在其它參數保持不變的情況下，分別改變支承塊長度、寬度、高度及埋深等型式尺寸設計參數，計算出軌距保持能力相關指標，見表4。

表4 支承塊尺寸對軌距保持能力的影響

由表4可以看出:

1)隨著支承塊長度的增加，支承塊橫向間距擴大、軌距擴大不斷減小;鋼軌轉角和支承塊轉角有所降低。

2)隨著支承塊寬度的增加，支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角均呈下降趨勢，但影響不明顯，支承塊寬度在(300±40)mm范圍內變化時，軌距擴大的變化率在5%范圍內。

3)當支承塊埋深不變，增大支承塊高度時，支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角不斷增大。

4)隨著支承塊埋深的不斷加大，支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角不斷減小。

2.2 軌道部件剛度對軌距保持能力的影響

在其它參數保持不變的情況下，分別改變套靴側向剛度、軌下墊板剛度及支承塊下墊板剛度等軌道部件剛度設計參數，計算出軌距保持能力相關指標，見表5。

表5 軌道部件剛度對軌距保持能力的影響

由表5可以看出:

1)隨著支承塊套靴側向剛度的增加，支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角不斷減小。

2)隨著軌下墊板剛度的增加，軌距擴大和鋼軌轉角不斷減小，而支承塊橫向間距擴大沒有變化，支承塊轉角稍有增大，但影響很小。可見，軌下墊板剛度的變化主要是對軌距擴大及鋼軌轉角有影響，對支承塊幾何狀態的影響較小。

3)隨著支承塊下墊板剛度的增加，支承塊橫向間距擴大和軌距擴大有所降低，支承塊轉角稍有增大，但影響不大，對鋼軌轉角的影響較小。

3 結論

本文通過彈性支承塊式無砟軌道結構單節點實尺模型計算結果與室內試驗結果的對比，驗證了模型的正確性，并在此基礎上建立多節點實尺模型分析支承塊尺寸及軌道部件剛度對其軌距保持能力的影響規律。分析結果表明:

1)增大支承塊的長度、寬度以及埋深，可減小支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角;而當支承塊埋深不變，增大支承塊高度對軌距擴大、鋼軌轉角及支承塊轉角的控制不利。

2)增大支承塊套靴側向剛度，可減小支承塊橫向間距擴大、軌距擴大、鋼軌轉角和支承塊轉角;增大軌下墊板剛度和支承塊下墊板剛度，軌距擴大不斷減小，但軌下墊板剛度的增加主要是降低鋼軌轉角，對支承塊的幾何狀態影響不大，而支承塊下墊板剛度的增加主要是降低支承塊橫向間距擴大，對鋼軌轉角的影響較小。

通過本文計算，可以看出各種工況中軌道結構的最大軌距擴大均不超過5.5 mm。目前我國并未發布重載鐵路軌距限值的相關規范，參考既有相關標準［11］，動態軌距擴大按+8 mm計(Ⅰ級保養;最高速度vmax≤120 km/h)。可見，彈性支承塊式無砟軌道軌距擴大值能夠滿足此要求，且具有一定安全儲備。

［1］趙國堂．高速鐵路無碴軌道結構［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］盧祖文．客運專線鐵路軌道［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］王繼軍，尤瑞林，杜香剛，等．重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型分析［J］．鐵道建筑，2013(5):132-136．

［4］徐鵬，蔡成標．山西中南部鐵路隧道內無砟軌道結構動力學選型研究［J］．鐵道建筑，2013(12):103-105．

［5］高興江．重載鐵路彈性支承塊式無砟軌道施工技術［J］．鐵道建筑技術，2014(3):43-47．

［6］BritishStandardsInstitution．EN 13146-4—2002Railway Applications-Track-Test Methods for Fastening Systems-Part4: Effect of Repeated Loading［S］．London:British Standards Institution，2010．

［7］Standards Australia International Limited．AS 1085.19—2003 RailwayTrackMaterial-Part19:ResilientFastening Assemblies［S］．Sydney:Standards Australia International Limited，2003．

［8］中華人民共和國鐵道部．TB/T 2491—94扣件組裝疲勞試驗方法［S］．北京:中國鐵道出版社，1994．

［9］中國鐵道科學研究院，成都鐵路局，鐵道第二勘察設計院．遂渝線無砟軌道試驗段綜合試驗報告［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2007．

［10］中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，太原鐵路局．30噸軸重貨車重載線路技術［R］．北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2008．

［11］中華人民共和國鐵道部．鐵運［2006］146號鐵路線路維修規則［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．

Calculation analysis of gauge-keeping ability of elastic bearing block-type ballastless track on heavy haul railway

YOU Ruilin，WANG Jijun，DU Xianggang，LIU Haitao
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he overall elasticity of elastic ballastless track structure is good and is the appropriate track structure for long tunnel of heavy haul railway，which could reduce the wheel rail interaction forces and slow down the vibration impact on tunnel base．Elastic bearing block-type ballastless track has two independent elastic blocks bearing the rails and has weak ability of keeping track geometric status especially the gauge．T hrough infinite model calculating，the gauge-keeping ability influencing factor of elastic bearing block-type ballastless track under heavy load was studied by combing with the related indoor test results．T he results showed that increasing bearing block's length，width or embedded depth can reduce the bearing block horizontal space widening，the gauge widening，rail angle and bearing block angle，increasing the concrete block's height is not beneficial to the gauge widening and rail angle and concrete block angle control with constant embedded depth，increasing the concrete block's gumshoe lateral stiffness can reduce the concrete block's horizontal space widening，the gauge widening，rail angle and concrete block angle，increasing the stiffness of the rail's pad and the concrete block's pad can reduce the gauge widening，increasing the stiffness of rail's pad is mainly to reduce the rail angle and has little effect on the concrete block's geometric status，and increasing the stiffness of the concrete block's pad is mainly to reduce the concrete block's horizontal space widening and has little effect on the rail angle．

Heavy haul railway;Elastic bearing block-type ballastless track;Gauge-keeping ability;Influencing factor

U213．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．31

1003-1995(2015)03-0110-05

(責任審編葛全紅)

2014-05-20;

2014-09-10

鐵道部科技研究開發計劃項目(2011G028-C)

尤瑞林(1986—)，男，安徽宿州人，助理研究員，碩士。