枕下支撐剛度對軌枕性能影響分析

鐘智豐

摘 要：城市軌道交通線路通車運營后碎石道床發生不均勻沉降，枕下支撐剛度發生變化，導致軌枕病害的產生，無法有效保持軌道形位和縱橫向阻力，需要深入研究軌枕下支撐剛度對其性能的影響，以便更好地治理軌枕病害問題。采用不同枕下支撐剛度對軌枕的支撐作用模擬碎石道床不均勻沉降，建立有限元模型進行受力計算，分析不同支撐剛度對軌枕變形及彎矩等性能的影響。結果表明，軌枕跨中支撐剛度越大，軌枕變形和受力越小，但軌枕跨中彎矩相應增大;軌枕跨中支撐剛度變小時，軌枕變形增加。由此可見，軌枕跨中若出現道砟缺失，引起軌枕空吊，枕下支撐剛度減小，則軌枕處將產生較大變形，相鄰的軌枕也將承受較大的荷載，嚴重時造成軌枕失效。

關鍵詞：城市軌道交通;碎石道床;支撐剛度;軌枕性能;動力分析

中圖分類號：U213.3

0 引言

近幾年國內城市軌道交通發展日新月異，不僅緩解了城市公共交通的壓力，也極大地方便了市民出行。但城市軌道交通發車間隔短、客運量大，同時養護維修天窗時間短，運營期間車輛通過、輪軌接觸等振動對軌下基礎也會造成一定影響，尤其是地面碎石道床地段。持續的列車振動及露天環境下的雨水沖刷，容易導致軌枕下道砟支撐剛度降低，嚴重時甚至會造成局部軌下道床脫空，使軌枕產生較大下沉，不利于軌道形位的保持，同時影響旅客舒適性及行車安全。

目前國內城市軌道交通地面線主要采用碎石道床，配套相應的預應力混凝土軌枕，其主要作用是把上部荷載的作用力均勻傳遞到道床中，有效保持軌道的幾何形位，可見軌枕在碎石道床結構中起著承載和傳遞上部力的關鍵作用。當碎石道床均勻地支撐軌枕時，軌枕受力特點是鋼軌下方軌枕能夠承受較大的正彎矩，枕中則承受一定的負彎矩。然而由于列車荷載的沖擊以及雨水對道床沖刷等原因，碎石道床產生不均勻沉降。在荷載反復作用下，道床差異沉降不斷積累，造成軌枕與道床之間的接觸面變小，軌枕發生部分支撐缺失，導致枕下支撐剛度急劇減小，從而進一步加劇道床的沉降。道床不均勻沉降不僅容易造成軌枕病害，增加養護維修工作量，而且會導致重大脫軌事故，因此有必要對碎石道床軌枕下支撐情況進行分析。

為進一步研究軌枕支撐情況與其受力特性的關系，國內學者進行了深入研究。張健等通過建立車輛軌道垂向耦合模型，研究了軌枕空吊受軌枕動態響應的影響;鄒春華等根據試驗分析軌枕空吊受路基不均勻沉降影響（會引起有砟軌道沉降）的規律，提出路基不均勻沉降引起軌枕臨界空吊的計算方法;徐涆文等通過研究彈性長軌枕和短軌枕軌道鋼軌的垂向振動特性，分析了軌枕支撐剛度、軌枕質量以及軌枕尺寸等不同結構及參數對鋼軌垂向振動的影響;西南交通大學方銳等建立了軌道結構三維實體有限元模型，分析不同軌道結構參數對鋼軌和軌枕振動特性的影響;王國新等通過建立有限元彈性振動模型，研究了軌枕支撐彈簧剛度和阻尼對鋼軌波磨的影響，發現較軟的軌枕支撐剛度和合適的軌枕支撐阻尼可以抑制曲線線路上內軌的波磨。本次研究通過不同枕下支撐剛度對軌枕的支撐作用模擬碎石道床不均勻沉降，分析不同支撐剛度對軌枕變形及彎矩等性能的影響。

1 模型建立

本文利用軌枕下不同支撐剛度對軌枕的作用，模擬碎石道床的不均勻沉降和脫空等工況。模型條件設置為：B型列車14 t軸重荷載、60kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新Ⅱ型預應力混凝土枕碎石道床。

1.1 碎石道床模型

根據國內碎石道床剛度有關論文的研究結論，碎石道床軌枕下支撐剛度約為70kN/mm。本文按系數0.8 / 0.5 / 0.2對軌枕跨中支撐剛度進行折減，以模擬軌枕下碎石道砟局部缺失和脫空的工況，選取的支撐剛度分別為55kN/mm、35kN/mm、15kN/mm、0kN/mm。模型采用有限元軟件進行計算分析，鋼軌采用梁單元進行模擬，其余部件采用實體單元，本文建立的碎石道床模型如圖1所示。

1.2 軌枕模型

軌枕建模采用實體單元（圖2），在模型中對輪軌接觸位置施加14t軸重集中荷載，同時考慮到相鄰軌枕受力分布（圖3），實際施加集中荷載最大值為14t×（1 + 0.6）×0.4 = 8.96t，其中0.6為動力系數，0.4為集中力加載處正下方軌枕承受的豎向力系數。

2 仿真分析

對模型施加14t軸重靜荷載進行計算，軌枕變形云圖如圖4所示，枕兩端及枕中彎矩圖如圖5所示。

不同支撐剛度工況下，軌枕變形及彎矩變化規律如圖6、圖7所示。

不同支撐剛度工況下，軌枕應力變化規律如圖8所示。不同支撐剛度條件下，軌枕變形及受力對比結果見表1。

由表1可知，軌枕跨中支撐剛度由55kN/mm減小至0時，軌枕兩端及枕中最大變形出現在支撐剛度為0時，變形值分別為1.925mm和1.514mm;隨著支撐剛度的減小，枕兩端和枕中變形不斷增大，增幅分別達27.0%和33.7%;軌枕兩端彎矩在支撐剛度為0時，達到最大值852N · m，而枕中彎矩最大值出現在支撐剛度為55kN/mm時，為834N · m;隨著支撐剛度的減小，枕兩端彎矩增大了111.9%，枕中彎矩則減小了97.1%;軌枕兩端及枕中應力隨著支撐剛度的減小而增大，最大值分別為1900kPa和30.9kPa，增幅分別為20.0%和13.6%。這說明軌枕跨中支撐剛度減小時，軌枕受彎位置由枕中往兩端偏移，在軌下位置軌枕彎矩較大，軌枕變形也增大，整體下沉。

再對鋼軌-軌枕-道床模型施加F = 10kN的沖擊荷載，時間間隔為10-4s，連續作用30次，模擬軌枕跨中支撐剛度發生變化后軌枕的傳力性能。計算分別取軌枕跨中全支撐和無支撐2種工況，其支撐剛度分別為70kN/mm和0，施加上述荷載后，軌枕的結構變形和加速度結果見圖9、圖10。