基于實測脫空的道岔板力學特性分析

呂紅樸，趙維剛，謝鎧澤，趙 佳，王麒麟，楊懷志

(1.石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100844)

引言

我國高速鐵路發展迅速，其運營里程已居世界第一。因無砟軌道具有持久保持軌道幾何形位的突出優勢，已成為高速鐵路軌道結構的首選[1]，然而，我國高速鐵路建設周期短，相對經驗較少，特別是對復雜條件下無砟軌道結構服役性能研究不足，且隨著岔區板式無砟軌道在工程中的廣泛應用，受材料性質、施工條件、高速列車的動荷載作用、基礎不均勻沉降、溫度梯度荷載作用等因素影響[2]，實際線路運營過程中預制混凝土道岔板不可避免會出現脫空，脫空的存在會加速道岔板與底座損壞，減小道岔的使用壽命。

文獻[3]通過建立道岔區板式無砟軌道有限元模型，假設脫空分為板邊、板角和板端等脫空，計算分析了不同脫空狀態對道岔區無砟軌道結構變形與受力的影響規律；劉洋等[4]假設脫空為板邊、板端和板中等脫空，模擬正常狀態下和脫空區域內道岔板與砂漿層的接觸關系，分析不同脫空形式和脫空面積對橋上縱連板式無砟道岔結構受力和變形的影響；孫旭等[5]假設軌道板縱向全部脫空，橫向為不同的脫離寬度，對軌道板底部地基彈簧拉應力進行分析；郭利康等[6]預設軌道板脫空長度，運用有限元軟件ANSYS建立有限元梁體模型，對軌道板不同脫空長度的軌道結構進行模態分析；蔡世昱等[7]基于無砟軌道彈性地基梁體模型，針對板端橫向全部脫空和板邊縱向全部脫空兩種常見脫空形式進行分析。以上研究均為通過假設脫空長度或面積，且脫空形狀為規則矩形且位置單一，這與道岔區無砟軌道結構實際脫空狀態存在較大差異，必然導致計算數據產生較大誤差。

為提供較為真實的理論數據，依據沖擊回波掃描儀采集某高鐵線路道岔區的實際檢測數據，采用Abaqus有限元軟件建立道岔板實體脫空模型，研究道岔板脫空狀態下不同動力系數和脫空高度對其豎向最大變形和疲勞壽命的影響，并提出合理的維修建議。

1 道岔區結構及脫空檢測

1.1 道岔區結構

18號單開道岔總長88.7 m，道岔板寬2.6～5.1 m，找平層寬3.2～5.5 m，共27塊板，每塊道岔板的長度和寬度參考18號單開道岔，岔區板式無砟軌道結構由道岔部件、預制道岔板、底座承載板、找平層及路基等部分組成，道岔板與底座承載層間設置剪力筋[8]，道岔板采用C55混凝土，厚240 mm；底座板采用C40混凝土，厚180 mm；找平層采用C25混凝土，厚130 mm，道岔區軌道結構[9]橫斷面如圖1所示。

圖1 道岔區軌道結構示意(單位：mm)

1.2 道岔區脫空檢測

道岔板脫空或蜂窩孔洞的存在會降低道岔結構整體性，影響其受力和變形。采用掃描式沖擊回波方法[10]對某高鐵線路道岔板進行了脫空檢測。基于實測道岔板脫空數據，繪制道岔板脫空檢測結果云圖，如圖2所示。

圖2中綠色和黃色部分表示無脫空，狀態完好，紅色部分表示脫空，理論上當道岔板與CA砂漿層之間產生縫隙時，儀器就可以識別出離縫，但考慮到人為影響因素和周圍環境影響因素，取2 mm作為道岔板與CA砂漿層之間縫隙高度的最小值，取5 mm作為最大值，故本次研究道岔板與CA砂漿層間脫空的高度為2～5 mm。從云圖結果看，軌枕90號～146號之間脫空比較嚴重，其具體對應道岔區的第15號～27號塊道岔板位置，即護軌所在道岔板位置到道岔區的末端。

2 模型建立與參數取值

2.1 建立模型

18號單開道岔有27塊道岔板，尖軌尖端位于第2塊板板中，心軌尖端位于第16塊板板中，在道岔區[11]，叉心部位較為薄弱且結構受力比較復雜，所以在反應真實脫空狀態基礎上，為消除邊界效應，選擇叉心位置的第15號、16號、17號三塊道岔板進行有限元建模分析，其具體位置對應岔枕90號～117號位置，如圖3所示。

圖3 板式無砟道岔

根據脫空云圖的具體位置和大小比例，繪制CAD脫空平面圖，然后導入有限元軟件Abaqus中，建立帶脫空的道岔結構實體模型，如圖4所示。

圖4 脫空檢測位置及有限元模型

模型中鋼軌視為點支承連續梁，采用梁單元模擬；扣件采用線性彈簧單元模擬；軌道板、自密實混凝土和底座板均采用實體單元模擬；路基采用線性彈簧單元模擬，底座板和找平層的連接性能好，在模擬找平層與底座板的連接時按綁定處理[12]，道岔板和底座板之間采用摩擦系數為0.4的接觸模擬。

2.2 荷載及參數取值

為研究道岔板脫空狀態下不同動力系數和脫空高度對其豎向最大變形和疲勞壽命的影響，同時根據文獻[13]的計算結果表明，預應力基本能夠抵消溫度梯度所產生的拉應力，因此不考慮溫度荷載和其他因素的影響，僅考慮列車荷載作用，采用單軸雙輪加載，列車靜荷載取170 kN，考慮道岔區固有的結構不平順，動力系數分別取2.0，2.5，3.0和3.5[3]。模型中的扣件垂向剛度取50 kN/mm，路基面支承剛度取76 MPa/m[13-14]，主要計算參數見表1。

表1 主要計算參數

3 最大變形分析

在第16塊道岔板軌枕上的扣件對應鋼軌位置處施加單軸雙輪荷載，從左到右依次編號為1號～5號。由圖4可知，道岔板下面右側脫空面積較左側脫空面積嚴重，每個加載位置施加荷載的動力系數分別為2.0,2.5,3.0和3.5四種工況，脫空高度分別為0，3，5 mm三種工況，根據正交實驗原理，通過有限元模型模擬，分別計算出12種工況下道岔板的最大豎向變形，因計算結果變化趨勢近似，故以動力系數為3.0時的計算結果為例展開分析，如表2所示。

由表2可以看出：荷載分別作用在5號位置時，道岔板脫空前，其豎向最大變形基本接近，道岔板脫空后，其豎向最大變形隨著位置號變大而增大，1號～3號位置時，其豎向最大變形增幅較小，在4號、5號位置處增幅較大，最大增幅達到0.68 mm。針對脫空高度對最大變形的影響，5號位置處受影響較大，隨著脫空高度的增加，最大變形值為1.21 mm，變形率超過50%。

表2 動力系數為3.0時道岔板最大豎向變形

由以上變化規律可知，道岔板脫空位置和脫空高度均會對列車荷載作用下的道岔板豎向最大變形產生較大影響，長此以往必然會加快道岔板的損傷速度，因此，需及時采取相應的措施進行維修和改善。

4 最大拉應力及疲勞壽命分析

4.1 疲勞方程的選取

無砟軌道主要為混凝土結構，其抗拉強度遠低于抗壓強度，且軌道結構長期處于彎拉狀態，所以采用混凝土彎拉疲勞方程計算軌道板和底座板的疲勞壽命。選擇應力水平與疲勞壽命的單對數函數作為混凝土彎曲抗拉疲勞方程，彎拉疲勞方程[15]為

(1)

經有限元模型計算，軌道板在脫空前的縱向最大拉應力為1.117 MPa，將縱向最大拉應力代入彎拉疲勞方程，計算得N為4.3×1010次，與文獻[17-18]的計算結果較為接近，驗證了模型、參數、假定及所選疲勞方程的合理性。

4.2 最大拉應力分析

基于現場脫空檢測數據，計算道岔板5處脫空位置在0～5 mm脫空高度的最大拉應力值，4種動力系數下道岔板最大拉應力的變化規律相似，取動力系數為2.0,2.5,3.0和3.5時的結果，如圖5所示。

圖5 脫空前后最大拉應力曲線

由圖5中道岔板脫空前后的最大應力對比可知，脫空高度在0～5 mm內，脫空前后1號～3號位置處的最大拉應力沒有明顯變化，是由于1號～3號加載位置對應的道岔板下面脫空面積較小且不連續，即荷載作用于左股鋼軌(外側)所對應的道岔板底面接觸較良好，荷載作用于右股鋼軌所對應的道岔板底面脫空不連續；脫空后4號、5號作用位置處最大拉應力出現明顯增大，因為4號、5號位置處荷載作用于左股鋼軌所對應的道岔板底面已經脫空，且脫空連續、貫穿到道岔板側面邊緣。

道岔板C55混凝土的開裂應力為3.162 MPa[19]，最大拉應力超過開裂應力時混凝土開始產生裂縫；由圖5可知，道岔板脫空前所受的最大拉應力為1.89 MPa，小于C55混凝土開裂應力，道岔板在正常服役情況下不會出現開裂；道岔板脫空后，在動力系數為3.5時，5號位置所受的最大拉應力為4.97 MPa，大于C55混凝土開裂應力，道岔板會出現裂縫，如不及時進行修復，隨著離縫長度和高度的增加道岔板極易產生橫向貫通裂縫，影響道岔板耐久性。

4.3 疲勞壽命分析

所測某高速鐵路道岔板已服役約8年，期間由于混凝土凍融循環破壞、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等原因，混凝土道岔板內傷損逐漸累積，材料逐步劣化，性能逐漸減弱，同時由于預應力鋼筋的預應力損失，導致道岔板承受的應力增加，道岔板所能承受的疲勞作用次數不斷減小。文中不考慮傷損積累和其他不可控因素，根據60年設計使用要求，將剩余使用壽命代入彎拉疲勞方程計算得道岔板受到的最大拉應力為1.76 MPa。

在計算60年內列車荷載作用次數時，根據高速鐵路運營特點，天窗時間為6 h，中間車站列車追蹤間隔時間為3 min，動車為8節車廂編組，一節車廂有2個轉向架，每個轉向架2個輪對，每個輪對通過一次為列車荷載作用一次，則60年內列車對軌道上某一點的總作用次數為2.52×108次[20]，道岔板在使用初期所能承受的疲勞作用次數遠遠大于使用60年時的疲勞作用次數。

由圖5可知，道岔板處于非脫空狀態時，取動力系數為2.0,2.5和3.0時，1～5號位置荷載作用位置處最大拉應力均小于1.76 MPa；當動力系數為3.5時，在3號和5號位置的最大拉應力分別為1.88 MPa和1.89 MPa，已經不滿足60年設計使用要求，所以當道岔區損傷嚴重使動力系數加大時，更不利于道岔板的穩定性。

道岔板處于脫空狀態下，在1號、2號、4號和5號位置時，道岔板最大拉應力受脫空高度的影響不大；脫空高度對3號(叉心)位置的影響較大，原因可能是3號位置道岔結構復雜；5號位置處有大面積脫空，動力系數在2.0～3.5內，道岔板最大拉應力均已超過60年設計使用要求；4號位置在動力系數為2.0和2.5，脫空高度在2～5 mm時，均滿足60年設計使用要求，但是在動力系數為3.0和3.5，脫空高度在2～5 mm時，不滿足60年設計使用要求；1號和2號位置在動力系數為2.0，2.5和3.0，脫空高度在2～5 mm時均滿足60年設計使用要求，當動力系數為3.5時，不滿足60年設計使用要求。

綜上所述，所選某高鐵線路的道岔板在彎拉疲勞方程計算下，道岔板部分位置在服役過程中不能滿足60年設計使用要求，故此道岔板的脫空需及時進行維修處理，這有利于道岔區結構的穩定性和耐久性，同時應當避免各種可能因素造成的動力系數增大，防止因動力系數增大使脫空的道岔板損壞加快，產生不必要的損失。

5 結論

采用掃描式沖擊回波方法對某站一道岔區脫空情況進行了檢測，在實際檢測數據的基礎上，建立道岔區無砟軌道結構真實脫空狀態下有限元模型，研究不同動力系數、脫空高度和荷載作用位置對道岔板最大變形、最大拉應力和疲勞壽命的影響，并對叉心位置脫空的影響進行了分析。主要結論如下。

(1)道岔板脫空狀態下，其豎向最大變形隨著脫空面積增大而增大，脫空高度較大時，5號位置處道岔板的變形率超過50%，在荷載反復作用下，變形的增大會加速道岔板與底座損壞，形成高低不平順，影響行車平穩性與安全性。

(2)道岔板脫空高度在2～5 mm時，其最大拉應力所受影響較小，動力系數對荷載作用位置的最大拉應力影響較大，脫空嚴重的5號位置處已不滿足60年的設計使用要求；在道岔板實際服役過程中要及時對道岔板脫空進行修復，以免因道岔板的脫空引起動力系數增大，加速道岔板損壞。

(3)道岔板的脫空高度對3號(叉心)位置影響較為明顯，現場應重點關注叉心脫空和連續貫穿的大面積脫空區域，并及時開展維修工作。