無縫線路不穩定性力學特性分析

石江

(朔黃鐵路肅寧分公司，河北肅寧，062350)

重載鐵路的最主要特點是運量大、軸重大，重載鐵路在運營過程中，路基沉降，使得路基變形、動力響應加劇，因此要重視重載鐵路路基沉降的影響。路基的沉降控制則是直接關系到車輛運行安全與穩定的關鍵，因此，路基沉降的控制提出了極其嚴格的控制標準。路基不均勻沉降發生的病害主要有線路不均勻沉降引起晃車，給行車帶來危險性；橋梁過渡段不均勻沉降易加重過渡段線路病害；線路翻漿冒泥易引起車輛晃車，加大線路日常保養的工作量，因此需對路基不均勻沉降進行研究分析。

重載鐵路路基沉降通常發生在路橋、路涵等易沉降區域。由于路橋段基礎剛度差異、橋后路基填土等原因，導致路橋過渡段產生嚴重的路基沉降差。過渡段的軌道沉降差導致軌枕空吊，導致鋼軌縱向力的重新分布，無縫線路穩定性受到影響。因此，跨區間無縫線路路基不均勻沉降可以集中考慮路橋過渡段，采用具有特殊代表性的區段來進行模型分析。為了更好地研究跨區間無縫線路路基不均勻沉降和穩定性分析，本文采用ANSYS 軟件建立了路橋過渡段無縫線路有限元模型，采用靜力分析的方法分析了鋼軌縱向力的變化，并考慮參數的非線性特點。

1 ANSYS 模型的建立

利用ANSYS 建立有砟軌道路橋過渡段無縫線路模型，有限元分析模型中包括鋼軌、扣件、道床、橋梁等部件。

1.1 軌道結構主要參數

在重載無縫線路模型中，采用的鋼軌參數如表1 所示。軌枕采用混凝土III 型軌枕，1776 根/km。考慮橫向、縱向、豎向三個方向自由度。對于橋上有砟無縫線路，用彈簧模擬扣件阻力。扣件阻力大于道床阻力，以防止鋼軌爬行。道床阻力是影響無縫線路穩定性的關鍵因素，決定著無縫線路抵抗溫度力作用下橫向變形的能力，受道砟的顆粒級配、粒徑大小及密實狀態等多種因素影響。在路基地段的無縫線路上，彈簧單元參數選取參考道床阻力參數。在橋上無縫線路中，根據《鐵路無縫線路設計規范》，有砟軌道橋上縱向阻力曲線如圖1 所示。

1.2 橋梁結構主要參數

采用3×40m 三跨連續梁橋布置。并在兩側路基設置路基上無縫線路各150m。模型設計圖及尺寸分別如圖2 和圖3所示。采用混凝土箱型截面梁，梁高4m，橋面寬4.9m，翼緣厚度300mm，腹板厚度400mm，底板厚度800mm，底板寬度2200mm。中間橋梁墩臺縱向剛度值取500.5kN/cm。

表1 鋼軌參數

圖1 橋上有砟軌道縱向阻力曲線

圖2 模型設計圖

圖3 模型尺寸圖（m）

1.3 鎖定軌溫

鋪設無縫線路的關鍵是選擇適當的鎖定軌溫，鎖定軌溫對無縫線路的強度和穩定性具有很大的影響。因此，必須準確確定無縫線路鎖定軌溫，相鄰兩段單元軌節鎖定軌溫之差不得大于5℃，左右兩股鋼軌的鎖定軌溫差不得大于3℃，同一設計鎖定軌溫的長軌條最高與最低鎖定軌溫之差不大于10℃。選擇鎖定軌溫一般采用稍高于本地區的中間軌溫作為鎖定軌溫。由于本文采用理論模型研究，不依托實際工程，鎖定軌溫可設定為24℃。在計算過程中，鋼軌升溫取值38.6℃計算。

1.4 ANSYS 模型

鋼軌采用3D 彈性BEAM44 單元來模擬，橋梁采用BEAM189單元模擬，在橋梁支座處用彈簧單元約束，采用COMBIN14彈簧單元。活動支座處約束橫、豎向自由度，固定支座處約束橫、豎、縱3 個方向自由。鋼軌與枕軌之間的扣件連接，橫、豎向反力特性采用線性彈簧單元COMBINl4 來模擬。在溫度力和附加力作用下，軌枕和道床產生位移，考慮到道床阻力-位移的非線性關系，縱向阻力采用非線性彈簧COMBIN39 來模擬。

根據上述單元和尺寸參數，使用EINTF 命令通過彈簧單元連接鋼軌和橋梁以及路基，在ANSYS 中建立無縫線路路橋過渡段有限元模型。

2 無縫線路縱向力分析

無縫線路縱向力的大小是影響無縫線路穩定性的直接因素。在路橋過渡段中，由于有附加縱向力的產生，所以要特別考慮縱向附加力對于軌道穩定性的影響。

2.1 撓曲力

在橋上無縫線路中施加列車荷載，通過ANSYS 計算得到無縫線路軌道的分布圖。由計算結果可知，在中—活載的作用下，鋼軌產生撓曲力。對于橋上無縫線路，鋼軌撓曲力正負交替變化，在兩邊跨中出現受壓縱向力極值，在中跨的鋼軌中出現受拉縱向力極值。在距最右端活動支座16.5m 處達到最大壓力值為57.5kN；距固定支座右端16.5m 處達到最大拉力值為39.4kN。在兩端的路基上無縫線路，鋼軌縱向力為正，即受拉力，在路基道床縱向阻力的作用下逐漸減小至0。

圖4 中—活載下鋼軌縱向力分布圖

為了得到最不利的鋼軌撓曲力情況，改變列車荷載的加載位置。并通過計算結果，進一步改變列車荷載加載位置，撓曲力分布發生變化。對于橋上無縫線路，鋼軌縱向力正負交替變化，在左邊跨距活動端18m 處出現受壓縱向力極值82.5kN；在中跨和全橋兩端的鋼軌中出現受拉縱向力極值，最大受拉縱向力值為43.7kN。相對于兩跨梁受荷載的情況，在單跨加載情況下，鋼軌受壓、受拉力均增大，處于受力不利情況。

2.2 伸縮力

在橋上無縫線路中施加溫度力荷載，此次模型中梁體采用了混凝土梁，橋面鋪設有砟軌道。根據《鐵路無縫線路設計規范》，混凝土橋梁溫升取值為15℃，通過計算得到無縫線路軌道的分布。并考慮到溫度力的組合，在軌道上施加38.6℃的溫度力荷載，進而得到無縫線路鋼軌縱向力分布。

由計算結果可知，在橋梁升溫的伸縮力作用下，橋上無縫線路中間段受拉，兩端受壓，這是由橋梁支座布置決定的。在15℃橋梁升溫作用下，橋梁中間跨鋼軌受拉，在固定支座右側17m 處達到最大值，為279.1kN；在橋梁兩端支座處鋼軌壓力達到極值，分別為270.9kN、354.4kN。在路基段上的鋼軌縱向力為受壓，在道床縱向阻力的作用下逐漸減小為0。

由計算結果可知，在路基地段，在溫度力和附加力的荷載組合的作用下，鋼軌縱向力為受壓，并且在伸縮力和鋼軌溫度力荷載的作用下，過渡段鋼軌縱向力相對撓曲力的荷載組合較大。

3 路橋過渡段無縫線路縱向力參數分析

鋼軌升溫產生的鋼軌縱向力值是恒定值，與外部條件無關，所以在無縫線路縱向力變化規律中可不考慮鋼軌升溫引起的縱向力。根據《鐵路無縫線路設計規范》，有砟混凝土箱梁升溫取15℃計算，以此時的路橋過渡段為研究對象，分析其在不同沉降段長度和不同沉降值的情況下軌道的縱向力變化規律。由于在沉降與道床阻力變化規律方面缺乏研究資料，本文采用改變道床阻力來模擬沉降段的影響。沉降導致軌枕與道床間的接觸降低，導致道床橫縱向阻力減小，在沉降段影響縱向力分布的因素主要有沉降差的大小以及沉降段的長度。

3.1 不同沉降差對鋼軌縱向力影響

軌道從橋梁到路基的連接段中，一般都會設置過渡段，不同的過渡段長度會產生不同的軌道沉降差。一般情況下，過渡段設置越長，路橋剛度變化越緩慢，過渡段沉降差越小，從而道床橫縱向阻力值降低越少。所以，本次模擬中采用道床阻力值的減小來模擬路基的不均勻沉降。

取距橋臺20m 沉降段，路基段道床縱向阻力分別減小25%、50%、75%時，利用ANSYS 有限元模型計算鋼軌縱向力。

由計算結果可知，在路基道床縱向阻力的作用下，鋼軌縱向力逐漸減小。當發生沉降差引起道床縱向阻力減小時，縱向力分布發生變化。在20m 沉降段內，沉降差越大，道床縱向阻力減小越大。相對于未沉降段，當縱向阻力減小25%時，在距橋臺20m 處鋼軌縱向力差值達到最大，鋼軌縱向力增大23.4%；當道床縱向阻力減小50%時，20m 處鋼軌縱向力增大58.9%；當道床縱向阻力減小75%時，20m 處鋼軌縱向力增大110%。由此可知，沉降引起鋼軌縱向力的重分布，沉降差越大，鋼軌縱向力變化越緩慢，相應的縱向力越大。

3.2 不同沉降段長度對鋼軌縱向力影響

在相同的沉降差的情況下，軌枕空吊程度相同，道床縱向阻力減小值也相同。但由于不同的沉降段長度，仍然會影響軌道的縱向力變化。同樣，也采用改變道床縱向阻力來模擬沉降。

取道床縱向阻力減小50%，取沉降段長度分別為10m、20m、30m 進行計算。利用ANSYS 有限元模型，計算得到距橋臺40m 范圍內鋼軌縱向力的變化。

由結果可得，沉降段中道床阻力中均減小50%的情況下，未沉降段中，鋼軌縱向力隨距橋臺距離增加而減小。當有10m沉降段時，在距橋臺10m 處，鋼軌縱向力相對未沉降段增加25.1%；當有20m 沉降段時，在距橋臺20m 處，鋼軌縱向力相對于未沉降段增加59.5%；當有30m沉降段時，在距橋臺30m處，鋼軌縱向力相對于未沉降段增加97.0%。因此，沉降段長度越長，鋼軌縱向力越大，對無縫線路穩定性越不利。

3.3 軌枕完全空吊對鋼軌縱向力影響

當鋼軌從橋上過渡到路基段時，有可能因為較大的沉降差而引起軌枕完全空吊。在軌枕完全空吊處對鋼軌的橫縱向阻力均為0，引起鋼軌縱向力的重分布。

利用所建的ANSYS 有限元模型分析1 根、2 根、3 根、4根軌枕空吊對鋼軌縱向力的影響。可以分析得出，軌枕空吊引起鋼軌縱向力全部提升，在空吊段由于縱向阻力不存在，鋼軌縱向力不發生變化。在空吊以外的路基段，空吊軌枕數量越多，鋼軌縱向力越大。

4 結語

本文建立的路橋過渡段有限元模型分析在各種荷載下鋼軌縱向力的分布。在橋梁伸縮力的作用下，分析沉降段無縫線路縱向力的變化規律，利用道床縱向阻力變化來模擬路基沉降的影響，得到以下結論：

（1）支座布置會影響撓曲力和附加力額分布，撓曲力還與列車荷載位置有關。選擇合理的橋跨布置，會有利于無縫線路鋼軌的受力合理性。

（2）路基沉降差越大，鋼軌縱向力變化越緩慢，在相同的橋梁伸縮力作用下，無縫線路縱向力相對越大。沉降段長度越長，無縫線路縱向力相對越大。

（3）軌枕完全空吊是無縫線路中較為嚴重的病害，軌枕完全空吊會直接導致軌枕失效，鋼軌縱向力增大，不利于無縫線路穩定性。

（4）無縫線路縱向力越大，無縫線路穩定性越差。為了增強無縫線路穩定性，就必須控制沉降的產生以及不均勻沉降的大小。