有軌電車橋上縱向分體式軌道結構參數(shù)研究

莫宏愿，陳攀

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031；2.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶400023）

1 研究背景

有軌電車系統(tǒng)具有減震降噪性能好、造價低、施工難度小、速度快、安全性高等優(yōu)點。因此，有軌電車系統(tǒng)在我國軌道交通工程建設應用中呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，已成為軌道交通系統(tǒng)中的重要一員。為了滿足有軌電車應用環(huán)境需求，國內外相繼開發(fā)了多種滿足有軌電車系統(tǒng)服役環(huán)境要求的軌道結構，其中，橋上縱向分體式軌道結構是有軌電車軌道結構的一員。橋上縱向分體式軌道結構是一種單元結構，該軌道結構從上至下由59R2槽型鋼軌、聚氨酯（PUR）填充材料、承軌槽、限位凸臺、隔離層和現(xiàn)澆層等部件組成[1]，其中，承軌槽為預制件。該結構的突出優(yōu)勢在于通過填充聚氨酯材料對鋼軌進行縱、橫向約束，取消了傳統(tǒng)軌道結構的扣件系統(tǒng)。軌道結構的主要功能是提供良好的軌道幾何形位，引導車輛安全平穩(wěn)行駛。在溫度荷載或者列車荷載作用下，鋼軌及軌道結構會產(chǎn)生變形，若軌道結構各部件力學參數(shù)設計不合理，嚴重情況下會造成軌道結構幾何形位超限，影響行車的安全性。

迄今，研究軌道結構關鍵參數(shù)對縱向分體式軌道結構力學性能的影響規(guī)律較為缺乏。PUR填充材料的主要功能是給鋼軌提供連續(xù)彈性支撐和約束鋼軌的縱橫向位移，若PUR填充材料的剛度取值不合理，可能會影響到鋼軌幾何形位的保持，從而影響行車安全。道床板主要是承受上部傳遞的荷載并傳遞至下部基礎，道床板長度參數(shù)影響著其結構受力特性。因此，本文針對某簡支連續(xù)梁縱向分體式軌道結構，通過建立橋梁-軌道一體化力學計算模型，分析軌道結構關鍵參數(shù)包括PUR填充材料彈模和結構單元長度在溫度荷載、列車荷載作用下對軌道結構力學特性的影響規(guī)律，為該軌道結構的設計及推廣應用提供理論基礎和參考價值。

2 計算模型介紹

2.1 模型建立及參數(shù)設置

本文旨在研究橋上縱向分體式軌道結構在不同荷載作用下軌道結構的力學特性，基于橋上縱向分體式軌道結構的結構特點建立如圖1所示的力學分析模型，該模型分別對鋼軌、PUR填充材料、承軌槽、隔離層、現(xiàn)澆層等軌道部件及橋梁結構進行了簡化。其中，59R2鋼軌、承軌槽和現(xiàn)澆層等部件的計算關鍵參數(shù)表1，PUR填充材料垂向剛度50 kN/（mm·m）、縱向剛度25 kN/（mm·m）、橫向剛度50 kN/（mm·m）。

圖1 橋上縱向分體式軌道結構力學分析模型

表1 各軌道結構組成部分材料參數(shù)

2.2 荷載選取

根據(jù)橋上縱向分體式軌道結構服務對象與服役環(huán)境，該軌道結構主要承受溫度荷載與列車荷載，其中，溫度荷載包括軌道結構整體溫度荷載和溫度梯度荷載兩方面，列車荷載包括豎向荷載和橫向荷載。所有荷載的選取依據(jù)：根據(jù)軌道結構服役環(huán)境及結構特點，軌道結構整體溫度荷載變化確定為±25℃[2,3]；軌道結構的溫度梯度荷載確定為50℃/m，并根據(jù)板厚修正溫度梯度荷載的設計值；動力系數(shù)法用于計算列車豎向設計荷載[4]，計算結果取107.5 kN；參考相關的研究，橫向荷載經(jīng)驗取值為0.6倍的靜輪重（62.5 kN），故橫向荷載確定為37.5 kN。

2.3 邊界條件設定

有軌電車縱向分體式軌道結構的現(xiàn)澆層通過梁體的預埋鋼筋與梁體形成可靠的連接，約束軌道結構縱、橫向位移，保證軌道結構具有良好的幾何形位。根據(jù)結構特點，將模型中的現(xiàn)澆層與橋梁梁面進行位移耦合約束；按照圣維南原理，為了減少邊界約束對計算結果的影響，本文最終確定以3塊軌道結構單元長度為計算模型，并以位于中間的軌道結構作為分析軌道結構關鍵參數(shù)在荷載作用下的力學響應特性的研究對象。

3 計算結果分析

3.1 聚氨酯材料剛度對軌道結構力學特性的影響

為了更好地分析PUR材料彈模對軌道結構受力特性的影響，PUR彈性模量的取值從1 MPa變化至30 MPa。

3.1.1 溫度荷載作用下PUR材料彈性模量的影響

在溫度荷載作用下，隨著PUR填充材料彈模的增大，鋼軌最大垂向位移呈現(xiàn)先緩慢增加后保持不變的規(guī)律，而承軌槽最大垂向相對位移的變化規(guī)律與之相反，呈現(xiàn)先減小后保持不變的趨勢。當PUR材料彈性模量較小且在1～4 MPa范圍時，溫度荷載作用下鋼軌垂向位移、承軌槽垂向位移關于PUR填充材料彈性模量變化率較大，隨著PUR材料彈性模量的增大，尤其超過10 MPa，溫度荷載作用下鋼軌垂向位移、承軌槽垂向位移關于PUR填充材料彈性模量變化率趨向于零。

3.1.2 列車制動荷載作用下PUR材料彈性模量的影響

當有軌電車設計運行速度較低時，對鋼軌豎向變形限值的要求較為寬松，為了防止列車行駛過程中出現(xiàn)的易脫軌現(xiàn)象，相比于豎向變形，實際工程中對于軌道結構的軌距變形值要求更高一些。

在列車荷載作用下，PUR材料彈性模量在1～10 MPa時，鋼軌橫向位移關于PUR彈性模量的變化率遠大于承軌槽橫向位移的變化率；PUR材料彈性模量在10 MPa以上時，鋼軌橫向最大位移與承軌槽橫向最大位移關于PUR彈性模量的變化率趨向于零。PUR彈性模量＞5 MPa時，鋼軌橫向位移＜1 mm，參照TB 10082—2017《鐵路軌道設計規(guī)范》軌距變化要求及有軌電車系統(tǒng)特點，可以得出，較為合理的PUR材料彈模應在5～10 MPa，對應的縱向剛度值在15～30 kN/（mm·m）。

3.2 軌道結構單元長度對軌道結構力學特性的影響

國內橋上軌道結構一般均采用單元結構，借鑒國內其他橋上軌道系統(tǒng)的軌道結構設計的幾何尺寸，本文在分析橋上縱向分體式軌道結構單元長度對軌道結構受力特性的影響時，軌道結構單元長度參數(shù)分別取4.6 m、5.6 m、6.6 m。

3.2.1 溫度荷載作用下軌道結構單元長度的影響

在整體溫度荷載作用下，鋼軌最大垂向位移和承軌槽最大垂向相對位移均隨單元長度的增加緩慢增加。在本研究設定的單元長度范圍，軌道結構豎向變形增加幅度不超過21%，說明整體溫度荷載下，單元長度對軌道結構豎向變形的影響較小。與之不同的是，在溫度梯度荷載作用下，隨著單元長度的增加，鋼軌最大垂向位移和承軌槽最大垂向相對位移均顯著減小。具體來講，當單元長度從4.6 m增加到6.6 m（增量為43.4%）時，鋼軌豎向變形減小了65%，承軌槽豎向變形減小了61%。

由此可知，在溫度梯度荷載作用下，單元長度對軌道結構豎向力學特性產(chǎn)生顯著影響。單元長度的增加一方面有利于減小軌道結構豎向變形；另一方面，軌道結構單元長度越長，軌道結構承受的溫度荷載越大，軌道結構需要配的鋼筋量越多，同時因承軌槽構件為預制件，軌道結構單元長度過長會增加運輸難度。因此，綜合考慮，較為合理的軌道結構單元長度建議取值為5.6 m。

3.2.2 列車荷載作用下軌道結構單元長度的影響

當列車荷載作用于軌道結構不同部位時，鋼軌和承軌槽的最大橫向位移隨單元長度的增加呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，且改變單元長度在4.6～6.6 m時，軌道結構的橫向變形變化較小，這說明在列車荷載作用下單元長度對軌道結構橫向變形影響較小。一方面，單元長度過小會影響結構穩(wěn)定性；另一方面，單元長度過大需要額外對軌道結構采取限位措施，增加造價成本。因此，較為合理的軌道結構單元長度取值可在約5.6 m。

4 結語

本文針對縱向分體式軌道結構，通過建立橋梁-軌道一體化力學計算模型，研究了在溫度荷載和列車荷載作用下，PUR填充材料剛度和軌道結構單元長度對軌道結構力學性能的影響規(guī)律，并基于研究結果提出了優(yōu)化軌道結構的關鍵參數(shù)設計值。主要結論如下：

1）在外荷載作用下，當PUR填充材料彈性模量在1～4 MPa時，軌道結構變形顯著，當PUR填充材料彈性模量在10 MPa以上時，軌道結構變形趨向于保持不變。較為合理的PUR填充材料彈性模量取值應在5～10 MPa，對應的縱向剛度值在15～30 kN/（mm·m）。

2）在溫度梯度荷載作用下，隨著單元長度的增加，軌道結構豎向變形顯著減小。在列車荷載作用下，軌道結構橫向變形隨單元長度的增加變化較小；綜合考慮造價、運輸?shù)纫蛩氐挠绊懸粋€較為合理的軌道結構單元長度取值可在約5.6 m。