重載鐵路隧道內無砟軌道結構力學分析

王 會 永

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著我國經濟的發展，貨物運輸需求不斷提升，中國重載鐵路的發展正進入一個以提高車輛軸重為特征的新階段[1]。國內外重載鐵路大多采用有砟軌道結構[2]。有砟軌道維修工作頻繁，天窗兌現率低，特別是在長大隧道內，作業空間小，軌道維修更加困難。而無砟軌道結構則具有維修工作量小、結構穩定性、連續性和平順性好等優點[3]。結合目前國內工程建設實際，本文對重載鐵路隧道內彈性支承塊式無砟軌道和長枕套靴式無砟軌道進行靜力學分析，為重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型提供一定理論依據。

1 無砟軌道實體有限元模型

基于有限元理論，利用ABAQUS軟件建立彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道結構實體模型，如圖1所示。兩種軌道結構模型均為實體單元建模，其中鋼軌為75 kg/m重型鋼軌，采用彈簧單元模擬WJ-8A型扣件，橫、垂向彈簧為線性單元，縱向彈簧為非線性單元；道床采用C40混凝土，寬2 800 mm，厚300 mm。彈性支承塊式結構采用SK-2型軌枕，尺寸為長844 mm，寬273 mm，高170 mm。側面橡膠厚度為7 mm，底面為12 mm，彈性模量取3 MPa。長枕套靴式結構軌枕采用C60混凝土，長2 800 mm，寬297 mm，高175 mm；側邊橡膠套靴厚7 mm，塊下橡膠厚12 mm，兩側軌枕下部套靴的支承寬度為780 mm，彈性模量取3 MPa。

2 軌道結構靜力學分析

本文對車輛垂、橫向荷載、隧道洞口溫度梯度荷載作用下的彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道結構進行靜力學對比分析。

2.1 靜力荷載取值

2.1.1車輛荷載取值

車輛荷載采用單軸雙輪加載模式。對于重載無砟軌道，結構設計荷載取值如下：

豎向設計荷載Pd為:

Pd=α·Pj

(1)

其中，Pj為靜輪載；α為動載系數，25 t軸重時取2.5，其他取3.0。

橫向設計荷載Q為:

Q=0.8Pj

(2)

2.1.2隧道洞口溫度梯度

根據觀測，冬季隧道內的軌溫比隧道外高約17 ℃，夏季比隧道外低約20 ℃。本文選取隧道內外最大溫差20 ℃，線性分布于隧道洞口附近40 m范圍內，如圖2所示。

2.2 車輛荷載作用下的力學特性

2.2.1垂向車輛荷載作用

對兩種軌道結構施加不同軸重的垂向荷載計算結果如表1所示。由表1可知，各計算指標隨著軸重的增加均明顯增大。35 t軸重下彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道的軌枕塊最大拉應力分別為0.93 MPa，1.56 MPa，小于C60混凝土的軸心抗拉強度極限值3.50 MPa。道床最大拉應力分別為1.37 MPa,1.53 MPa，小于C40素混凝土的軸心抗拉強度極限值2.70 MPa。

對比兩種軌道結構的受力與變形，可知在相同軸重的垂向荷載作用下，彈性支承塊式軌道結構的軌枕塊、道床應力小于長枕套靴式，鋼軌動彎應力差別不大。彈性支承塊式軌道的鋼軌、軌枕塊位移均大于長枕套靴式，說明長枕套靴式結構的限位能力較好。兩種軌道結構的道床板垂向位移均較小。

表1 垂向荷載作用下靜力計算結果

2.2.2橫向車輛荷載作用

對兩種軌道結構施加不同軸重的橫向荷載計算結果如表2所示。由表2可知，各計算指標均隨著軸重的增加明顯增大。35 t軸重下彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道的軌枕塊的縱橫向拉應力比較大，最大拉應力分別為3.67 MPa，4.90 MPa，已經超過C60素混凝土的軸心抗拉強度極限值3.5 MPa，考慮到實際工程中軌枕塊采用的是配有鋼筋的C60預應力混凝土，且允許軌枕塊帶裂縫工作，故此種狀況在實際中是允許的。道床最大拉應力分別為0.82 MPa,0.92 MPa，小于C40素混凝土的軸心抗拉強度極限值2.70 MPa。

對比兩種軌道結構的受力與變形，可知在相同軸重的垂向荷載作用下，彈性支承塊式軌道結構的軌枕塊、道床應力小于長枕套靴式。彈性支承塊式軌道的鋼軌位移大于長枕套靴式，說明長枕套靴式結構對鋼軌的限位能力較好。長枕套靴式無砟軌道軌枕塊橫向位移較大，達到0.81 mm。

表2 橫向荷載作用下靜力計算結果

2.3 隧道口溫度梯度作用下的力學特性

隧道洞口溫度梯度荷載作用下，彈性支承塊式、長枕套靴式無砟軌道結構應力與變形計算結果如表3所示。由表3可知，在溫度梯度荷載作用下，彈性支承塊式和長枕套靴式無砟軌道結構的應力與位移均較小，其中長枕套靴式無砟軌道縱向限位能力稍差，所產生的拉應力也稍大。

表3 受隧道口溫度梯度作用下計算結果

綜合以上分析，彈性支承塊式無砟軌道與長枕套靴式無砟軌道的受力變形規律類似，并且在軌枕塊、道床拉應力等指標上，彈性支承塊式無砟軌道都優于長枕套靴式無砟軌道結構。在實際工程應用中，長枕套靴式無砟軌道結構在我國應用較少，彈性支承塊式無砟軌道已在蘭新二線烏鞘嶺隧道、西康線秦嶺隧道等客貨混運線路成功應用。根據調研情況，彈性支承塊式無砟軌道結構在隧道基地穩固地段應用情況良好，是一種較為成熟的結構形式。因此，在重載鐵路長大隧道內宜優先鋪設彈性支承塊式無砟軌道。

3 結語

本文對彈性支承塊式無砟軌道與長枕套靴式無砟軌道施加車輛垂向荷載、橫向荷載、隧道洞口溫度梯度荷載，分析了兩種無砟軌道的靜力學特性，結論如下：

1)各靜力學計算指標隨車輛軸重增加而明顯增大。垂向車輛荷載作用下，兩種軌道結構均滿足要求；橫向車輛荷載作用下，考慮實際工程中預應力混凝土帶裂縫工作，兩種軌道結構均可滿足要求，不會發生破壞。在軌枕塊、道床拉應力等指標上，彈性支承塊式無砟軌道都優于長枕套靴式無砟軌道結構。

2)隧道洞口溫度梯度荷載作用下，兩種無砟軌道結構的應力與位移均較小，長枕套靴式無砟軌道縱向限位能力稍差，所產生的拉應力也稍大，彈性支承塊式無砟軌道結構性能略有優勢。

3)結合實際工程應用，對于重載鐵路長大隧道，彈性支承塊式無砟軌道應用較多，是一種較為成熟的結構。因此，在重載鐵路長大隧道內宜優先鋪設彈性支承塊式無砟軌道。