軌枕局部空吊對軌道結構力學性能的影響分析

高 瑩,趙振航

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031； 2.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)

目前，重載鐵路大多為有砟軌道，有砟軌道具有彈性好、造價低、方便維修等優點[1-2]，但隨著軸重的增加，列車速度的提高，有砟軌道的缺點也越來越明顯，容易出現道砟粉化、飛砟，軌枕空吊等病害[3-4]。軌枕空吊是有砟軌道最普遍的病害，其形成原因較多，基礎不均勻沉降，道砟夯實、搗固不足，列車長期沖擊作用，雨水對道砟的洗刷等均會導致道床下沉，從而出現道砟與軌枕接觸面積減小，產生軌枕空吊現象。軌枕空吊將引起軌道支撐剛度不均勻，輪軌沖擊作用會增大，加快軌枕破壞，道砟粉化，鋼軌、扣件傷損，甚至會影響列車運行安全性。

針對軌枕空吊病害的研究，主要采用試驗和數值分析的方法，研究軌枕空吊對列車、軌道動力響應的影響及軌枕空吊形成原因等。張健等[5]建立了車輛-軌道耦合動力學模型，分析軌枕空吊對軌枕彎矩、鋼軌對軌枕作用力的影響；張大偉等[6]分析不同空吊數量的軌枕對輪軌垂向力的影響；鄒春華等[7]提出了路基不均勻沉降引起軌枕臨界空吊的計算方法；蔡理平[8]分析了橋上有砟軌道軌枕空吊對軌道動力響應的影響。

綜上所述，多數文獻研究軌枕空吊對軌道結構力學性能影響均是分析1根軌枕或多根軌枕空吊的影響，而在實際中，軌枕空吊多為局部空吊，并不會出現完全空吊，而是軌枕局部與道砟出現縫隙，形成空吊。因此，為更加真實模擬實際情況，有必要研究軌枕局部空吊對軌道結構力學性能的影響。本文將建立力學模型，選取多個典型工況分析軌枕局部空吊對軌枕彎矩、軌下膠墊和道砟的受力影響。

1 力學模型

本文主要分析軌枕局部空吊對有砟軌道結構力學性能的影響，采用ANSYS有限元軟件進行計算，在模型中主要考慮鋼軌、扣件、軌枕、道床。鋼軌為60 kg/m鋼軌，為更加真實地模擬列車荷載通過鋼軌向下傳遞，鋼軌采用實體單元solid45模擬。扣件間距為0.6 m，考慮彈條的扣壓力及軌下膠墊的作用，將軌下膠墊簡化為面彈簧，采用combin14彈簧單元進行模擬。軌枕為Ⅲ型混凝土軌枕，主要分析軌枕局部空吊對軌枕彎矩的影響。因此，為保證計算準確性，軌枕采用實體單元solid45。為模擬道床對軌枕不均勻支撐，將道床與軌枕完好接觸處，采用線性彈簧combin14模擬[9]，而軌枕空吊處采用非線性彈簧combin39模擬，如圖1所示，δ為空吊高度。

圖1 道床支撐彈簧示意圖

根據上述說明，力學模型如圖2所示，模型中共建立7根軌枕，對中間軌枕施加垂向荷載，考慮30 t軸重重載鐵路，根據文獻[10-14]，采用《鐵路軌道強度檢算法》(TB2034—1988)中動載系數，取1.5，其他軌道結構參數參考文獻[15]中總結的參數取值，扣件剛度取120 kN/mm，道床剛度取220 kN/mm。

圖2 軌枕局部空吊力學模型

選取典型工況分析軌枕局部空吊，將軌枕分為12個區域，寬度方向分2段，長度方向，根據鋼軌外側、軌下、鋼軌內側，分為6段，如圖3所示。根據現場可能出現的道砟不均勻沉降，道砟搗固不均勻等，選取典型工況分析，如道砟完全支撐、局部空吊、完全空吊等，具體如表1所示，空吊高度均為2 mm。同時為分析不同空吊高度的影響，根據文獻[6，16]，對比分析空吊1、2、3、4 mm對軌道結構力學性能的影響。

圖3 軌枕局部空吊模型分區

編號空吊情況工況1全支撐工況21區域空吊工況31、3區域空吊工況41、2區域空吊工況51至4區域空吊工況61、3、5區域空吊工況71至6區域空吊工況8全區域空吊

2 計算結果分析

2.1 道床全支撐

根據上述說明進行建模計算，當道床完全支撐時，在軟件后處理中選取多組軌枕橫截面，對每個截面中各節點應力面積積分得到截面內力，并對面積重心取矩即可得到軌枕各個截面的彎矩。如圖4所示，最大正彎矩出現在鋼軌下方的軌枕截面上，彎矩向兩側逐漸減小，在軌枕中間截面處出現最大負彎矩。道床完全支撐時，軌枕彎矩圖與文獻[17-18]相近，因此，可以說明計算模型的準確性。

圖4 完全支撐軌枕彎矩

2.2 軌枕局部空吊

根據上述工況，計算不同工況下軌枕彎矩，如圖5所示。當軌枕出現空吊后，輪重作用下，均會減小空吊側軌枕的正彎矩，幾乎表現為隨著空吊面積的增大，空吊側軌枕正彎矩逐漸較小的變化規律。從正彎矩變化來看，空吊似乎對軌枕受力有利，但軌枕局部空吊將會使軌枕負彎矩大幅度地增大，而軌枕中間截面尺寸相對比較薄弱，所以局部空吊容易引起軌枕中間截面上部產生裂紋[1]。從圖5可以看出，并不是空吊面積越大，負彎矩越大。這是由于空吊面積的改變，會改變鋼軌對軌枕的作用力和道床對軌枕的支撐狀態，因此，使得軌枕負彎矩規律性不明顯。1至4區域空吊(工況5)軌枕負彎矩最大，約為道床全支撐的3.9倍；1、2區域空吊(工況4)和1、3區域空吊(工況3)軌枕負彎矩也均較大，由此可以說明軌枕端部局部空吊對軌枕受力影響較大，會嚴重影響軌枕的使用壽命。

圖5 不同空吊區域軌枕彎矩

為分析空吊引起鋼軌對軌枕作用力和軌枕對道床的作用力狀況的影響，計算了不同工況下軌下膠墊和道床的受力狀況。如圖6可知，空吊側和支撐側軌下膠墊的平均應力，空吊側的軌下膠墊隨著空吊面積的增大，應力幾乎逐漸減小，可以說明空吊引起鋼軌對軌枕的作用力減小，使得空吊側軌枕正彎矩減小；而支撐側，軌枕的局部空吊對軌下膠墊受力影響較小，僅完全空吊下，軌下膠墊應力將大幅度減小。綜上可以看出，軌枕出現局部空吊，將會減小鋼軌對軌枕的作用力。道床最大應力如圖7所示，不同工況下道床最大應力差異較大，局部空吊下道床應力最大值均大于道床完好支撐的工況，其中道床應力較大的3種工況為1區域，1、3區域，1、3、5區域空吊，均為軌枕半側空吊。由此可知，軌枕局部空吊，尤其是半側空吊將增大道床的受力，在列車荷載反復沖擊下將加快道砟的粉化。在有砟軌道服役過程中，由于道砟的離散性，道床是不可能全截面支撐軌枕的，容易產生空吊病害，列車荷載作用在空吊軌枕上，對道床受力相當不利。因此，工務人員應盡其所能夯實、搗固道砟，增加其使用壽命。

圖6 不同空吊區域軌下膠墊平均應力

圖7 不同空吊區域道床最大應力

2.3 空吊高度變化

本節將分析空吊高度的變化對軌道結構力學性能的影響，由上一小節可知1至4區域空吊引起軌枕負彎矩最大，因此，選取空吊1至4區域作為典型工況，對比不同空吊高度的影響。彎矩圖如圖8所示，隨著空吊高度的增大，空吊側軌枕正彎矩迅速減小，4 mm空吊時正彎矩約為完全支撐的1/5。負彎矩則隨著空吊高度的增大逐漸增大，從完全支撐到1 mm空吊，負彎矩增大1.9倍，到2 mm空吊增幅仍較大，從3 mm到4 mm空吊，負彎矩增幅較緩。由此可以說明，一旦出現空吊將迅速增大軌枕負彎矩，而空吊高度的增加，對軌枕負彎矩增幅影響較小。

圖8 不同空吊高度軌枕彎矩

如圖9可知，空吊側和支撐側軌下膠墊的平均應力，空吊側的軌下膠墊隨著空吊高度的增大，應力逐漸減小，可以說明空吊高度的增大引起鋼軌對軌枕的作用力減小，因此使得空吊側軌枕正彎矩減小；空吊高度的變化對支撐側軌下膠墊應力影響較小。綜上可知，軌枕出現空吊，將會減小鋼軌對軌枕的作用力。道床最大應力如圖10所示，隨著空吊高度的增大，道床最大應力也逐漸增大，軌枕空吊病害對道床的受力影響較大，會影響其使用壽命，工務人員應盡其所能夯實、搗固道砟。

圖9 不同空吊高度軌下膠墊平均應力

圖10 不同空吊高度道床最大應力

3 結論

本文為更真實模擬軌枕服役過程中承受道床不均勻支撐對軌道結構力學性能的影響，通過建立力學模型，選取典型工況進行分析，得出以下結論。

(1)隨著軌枕空吊面積的增大，軌枕負彎矩先增大后減小，說明軌枕局部空吊對軌枕受力更不利，更容易引起軌枕產生裂紋，同時局部空吊會使道床產生應力集中，容易出現粉化現象，影響道砟使用壽命。

(2)隨著軌枕空吊高度的增加，軌枕負彎矩先增加較快，隨后增加較緩；軌枕空吊高度的增加也會使道床受力逐漸增大。

(3)根據上述分析，軌枕局部空吊對軌枕及道床的受力更為不利，因此，建議工務人員應密切關注現場軌枕空吊病害，及時搗固、夯實道砟，避免出現軌枕局部空吊問題。