CFT枕式無砟軌道受力性能分析

閆亞飛 李啟航，3 孫嘉良

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室 湖北武漢 430063；3.中南大學土木工程學院 湖南長沙 410075；4.中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 引言

雙塊式無砟軌道在我國鐵路領域應用廣泛，相較于板式無砟軌道具有造價較低、養護維修工作量小等優點。但目前所用的雙塊式無砟軌道其核心技術不具有自主知識產權[1]，我國鐵路“走出去”戰略的實施必然需求技術性能穩定、掌握核心技術、經濟性好的軌道結構形式，因此研發新型雙塊式無砟軌道需求迫切。

經過多年運營，雙塊式無砟軌道結構出現了一定的病害。鄧小嬌[2]、周會學[3]、李清油[4]、曾志平[5]、徐凌雁[6]等均對雙塊式無砟軌道出現的裂紋病害開展了處理措施研究。

楊松[7]等針對北京新機場線雙塊式無砟軌道采用取消底座結構設計。胡志鵬[8]針對高速鐵路橋上雙塊式無砟軌道結構，結合有限元和數值計算的方法，運用極限狀態法對道床板和底座進行配筋設計研究。張婭敏[9]針對穗莞深城際隧道采用設置減振墊層的雙塊式無砟軌道，通過建立有限元模型對單元板的合理長度進行了分析。李浩宇[10]針對雙塊式無砟軌道在施工中的不足，通過理論分析和現場試驗提出針對性措施。

文獻[1]提出了鋼管混凝土(CFT)軌枕結構設計方案，即采用鋼管混凝土構件連接混凝土軌枕塊，形成鋼管混凝土軌枕。采用自主研發的鋼管混凝土軌枕現澆鋼筋混凝土后形成鋼管混凝土枕式無砟軌道。李啟航[11]對鋼管混凝土軌枕受力性能進行分析，結果表明各項技術指標滿足要求。

基于此，本文針對研發的市域鐵路橋上新型雙塊式無砟軌道結構——鋼管混凝土枕式無砟軌道，開展結構力學分析。

2 計算模型分析

2.1 CFT枕式無砟軌道設計方案

CFT枕式無砟軌道采用CFT軌枕現澆鋼筋混凝土形成。市域鐵路橋上普通地段取消底座，減振地段增加帶有矩形凸臺的底座和減振墊，并在道床板上設置凹槽。鋼軌采用60 kg/m鋼軌，扣件采用WJ-7型；CFT軌枕為廠制C60鋼管混凝土軌枕，道床采用C40混凝土。

2.2 CFT枕式無砟軌道計算分析模型

根據《市域鐵路設計規范》(T/CRSC 0101－2017)[12]，建立CFT枕式無砟軌道有限元計算分析模型，考慮列車荷載、溫度荷載和混凝土收縮同時作用下軌道結構受力和變形。

(1)列車荷載

列車荷載考慮豎向設計荷載、橫向設計荷載。

豎向設計荷載:

式中，Pd為豎向設計荷載；α為動載系數，取為2.0；Pi為靜輪載，取 8.5 t。

橫向設計荷載:

式中，Q為橫向設計荷載。

(2)溫度梯度荷載

采用常用溫度梯度，常用溫度梯度按最大溫度梯度一半取值，即正溫度梯度取為45℃/m，負溫度梯度取為22.5℃/m。整體道床為分塊結構，不考慮整體溫度作用。

(3)混凝土收縮影響

混凝土收縮以等效降溫10℃取值。

為準確分析道床板的受力和變形，同時保證較高的計算效率，選擇3塊軌道板長度進行建模，模型總長14.88 m，取中間道床板為研究對象。鋼管采用Q235鋼材，軌枕塊采用C60混凝土，道床板和底座均采用C40混凝土材料，鋼管灌注抗壓強度達60 MPa的自密實砂漿材料。材料及結構參數見表1。

表1 CFT枕式無砟軌道主要計算參數

在建立的普通地段CFT枕式無砟軌道有限元計算模型中，鋼軌、CFT軌枕、道床板均采用實體單元，扣件采用彈簧單元，橋上支承面剛度取為1 000 MPa/m。

3 CFT枕式無砟軌道力學性能分析

3.1 普通地段CFT枕式無砟軌道力學性能分析

(1)列車荷載和負溫度梯度作用

列車荷載和負溫度梯度荷載同時作用時，CFT枕式無砟軌道結構受力和變形云圖分別見圖1、圖2。

圖1 普通地段負溫度梯度軌道結構受力云圖(單位：Pa)

圖2 普通地段負溫度梯度軌道結構變形云圖(單位：m)

提取計算結果中軌道部件各個方向受力和變形最大值，見表2。

表2 普通地段負溫度梯度軌道結構受力和變形最大值

由圖1、圖2和表2可知，在列車荷載和負溫度梯度荷載同時作用下，軌枕塊三個方向最大拉應力分別為22.00 MPa、16.61 MPa和 10.55 MPa，均出現在鋼管位置。道床板最大橫向和縱向拉應力分別為0.89 MPa和1.23 MPa，均出現在道床板頂面；最大垂向拉應力為0.36 MPa，出現在道床板的板中軌枕槽位置處。道床板縱向、橫向和垂向位移最大值分別為0.12 mm、0.11 mm和0.42 mm。由于道床板發生翹曲，垂向位移最大值出現在道床板中心位置處，四角翹曲量為0.01 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應力為縱向22.00 MPa，遠小于鋼管屈服強度235 MPa。道床板最大拉應力為縱向1.23 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MP，滿足混凝土正常使用條件；最大位移為垂向0.42 mm，變形較小。

(2)列車荷載和正溫度梯度作用

列車荷載和正溫度梯度荷載同時作用時，CFT枕式無砟軌道結構的受力和變形云圖分別見圖3、圖4。

圖3 普通地段正溫度梯度軌道結構受力云圖(單位：Pa)

圖4 普通地段正溫度梯度軌道結構變形云圖(單位：m)

提取計算結果中軌道部件各個方向受力和變形最大值，見表3。

表3 普通地段正溫度梯度軌道結構受力和變形最大值

由圖3、圖4和表3可知，在列車荷載和正溫度梯度同時作用下，軌枕塊三個方向最大拉應力分別為1.30 MPa、1.37 MPa和1.89 MPa。道床板最大橫向和縱向拉應力分別為0.99 MPa和1.60 MPa，均出現在道床板的板底；最大垂向拉應力為0.34 MPa，出現在道床板板中軌枕槽位置處。道床板橫向、垂向和縱向位移最大值分別為0.17 mm、0.40 mm和0.19 mm。由于道床板發生上拱，垂向位移最大值出現在道床板四角位置處，上拱量為0.18 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應力為垂向1.89 MPa，遠小于鋼管屈服強度235 MPa。道床板最大拉應力為縱向1.60 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MP，滿足混凝土正常使用條件；最大位移為垂向0.40 mm，變形較小。

3.2 減振地段CFT枕式無砟軌道力學性能分析

建立的減振地段CFT枕式無砟軌道計算模型在道床板底增加減振墊和帶凸臺的底座，并在道床板底部設置凹槽。減振墊采用三元乙丙橡膠材料。參數見表4。

表4 底座和減振墊主要計算參數

施加與普通地段相同的列車和溫度荷載，計算分析無砟軌道受力與變形情況。

(1)列車荷載和負溫度梯度作用

在列車荷載和負溫度梯度作用下，CFT枕式無砟軌道結構的受力和變形云圖分別見圖5、圖6。

圖5 減振地段負溫度梯度軌道結構受力云圖(單位：Pa)

圖6 減振地段負溫度梯度軌道結構變形云圖(單位：m)

從計算結果中提取軌道部件各個方向受力和變形最大值，見表5。

表5 減振地段負溫度梯度軌道結構受力和變形最大值

由圖5、圖6和表5可知，在列車荷載和負溫度梯度荷載同時作用下，軌枕塊三個方向最大拉應力分別為6.91 MPa、10.20 MPa和14.09 MPa。減振地段道床板最大縱向拉應力為0.99 MPa，出現在道床板底面凹槽位置處；最大橫向拉應力為1.24 MPa，出現在道床板頂面位置處；最大垂向拉應力為1.19 MPa，出現在道床板板中軌枕槽位置處。底座最大縱向力為0.95 MPa，最大橫向應力為1.19 MPa，最大垂向應力為0.55 MPa，均出現在底面凸臺位置處。道床板縱向、橫向和垂向位移最大值分別為 0.12 mm、0.06 mm和1.28 mm；底座縱向、橫向和垂向最大位移分別為0.03 mm、0.04 mm和0.52 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應力為垂向14.09 MPa，遠小于鋼管屈服強度235 MPa。道床板最大拉應力為縱向1.28 MPa，底座最大拉應力為1.19 MPa，均小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MP，滿足混凝土正常使用條件。

(2)列車荷載和正溫度梯度作用

在列車荷載和正溫度梯度作用下，CFT枕式無砟軌道結構的受力和變形云圖分別見圖7、圖8。

圖7 減振地段正溫度梯度軌道結構受力云圖(單位：Pa)

圖8 減振地段正溫度梯度軌道結構變形云圖(單位：m)

從計算結果中提取軌道部件各個方向受力和變形最大值，見表6。

表6 減振地段正溫度梯度軌道結構受力和變形最大值

由圖7、圖8和表6可知，在列車荷載和正溫度梯度荷載同時作用下，軌枕塊三個方向最大拉應力分別為1.47 MPa、5.10 MPa和15.25 MPa。減振地段道床板最大縱向拉應力為1.70 MPa，出現在道床板底面凹槽位置處；最大橫向拉應力為1.32 MPa，出現在道床板上表面位置處；最大垂向拉應力為1.46 MPa，出現在道床板板中軌枕槽位置處。底座最大縱向和橫向拉應力分別為1.40 MPa和1.48 MPa，均出現在底座底面凸臺位置處；最大垂向拉應力為0.73 MPa，出現在底座頂面凸臺位置處。道床板縱向、橫向和垂向位移最大值分別為0.24 mm、0.14 mm和1.38 mm；底座縱向、橫向和垂向位移最大值分別為0.04 mm、0.02 mm和0.11 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應力為垂向15.25 MPa，遠小于鋼管屈服強度235 MPa。道床板最大拉應力為縱向1.70 MPa，底座最大拉應力為橫向1.48 MPa，均小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MP，均滿足混凝土正常使用條件。道床板最大位移為垂向1.38 mm，底座最大位移為垂向0.11 mm，變形均較小。

4 結論

(1)在普通地段，當列車荷載和溫度荷載同時作用時，軌枕塊最大拉應力為負溫度梯度作用下的縱向拉應力22.00 MPa，出現在鋼管位置，遠小于鋼管的屈服強度235 MPa。道床板最大拉應力為正溫度梯度作用下的縱向拉應力1.60 MPa，小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa；最大位移為負溫度梯度作用下的垂向位移0.42 mm，變形較小。以上各部件均滿足正常使用條件。

(2)在減振地段，當列車荷載和溫度荷載同時作用時，軌枕塊最大拉應力為負溫度梯度作用下的垂向拉應力14.09 MPa，出現在鋼管位置，遠小于鋼管屈服強度235 MPa。對于道床板和底座，最大拉應力分別為正溫度梯度作用下的縱向拉應力1.70 MPa和橫向拉應力1.48 MPa，均小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa；最大位移分別為正、負溫度梯度作用下的垂向位移1.38 mm和0.52 mm，變形均較小。以上各部件均滿足正常使用條件。