客貨共線鐵路彈性支承塊無砟軌道更換支承塊特性研究

謝 露

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

客貨共線鐵路隧道內無砟軌道可采用彈性支承塊、雙塊式、軌枕埋入式等結構形式[1]。 雙塊式無砟軌道結構彈性僅由扣件提供,在貨車或重載列車長期動載作用下,扣件損壞頻繁,且易導致道床裂紋新增、蔓延速度加快,影響結構耐久性[2-3]。 軌枕埋入式無砟軌道雖具有軌道形位保持能力強、整體性好等優點,但軌枕與混凝土道床新老混凝土界面較多,易產生離縫,軌枕中部穿筋孔與鋼筋間的間隙需進行壓漿處理,工藝流程相對復雜,壓漿質量不易控制[3]。

彈性支承塊無砟軌道結構自上而下由鋼軌、預埋鐵座式扣件、混凝土支承塊、彈性套靴、塊下膠墊及道床板組成,因其扣件墊板與支承塊塊下膠墊組成的雙層彈性系統,使彈性支承塊無砟軌道具有接近有砟軌道的彈性,可有效降低輪軌沖擊作用,減振降噪效果較好[4-6],對客貨共線和重載鐵路具有良好的適應性。另外,彈性支承塊無砟軌道具有結構簡單、經濟性好、維修簡單,可大幅減少隧道內有砟軌道養護維修工作量,改善養護維修人員作業條件等優點[7-8]。 鑒于彈性支承塊無砟軌道具有的獨特鮮明技術、經濟特征,同時考慮到鐵路等級等因素,該結構在我國普速客貨共線及重載鐵路長大隧道內得到廣泛應用,如西康線、寧西線、蘭新線、襄渝線、格庫線、陽安線、神瓦線、蘭州中川城際等,鋪設里程已超過1 000 km。

支承塊與道床板混凝土間采用彈性套靴隔離,在列車動荷載作用下,彈性套靴與混凝土間易產生空隙,水、雜物進入空隙后加速離縫發展,產生翻漿冒泥等病害,導致支承塊開裂及套靴損壞,從而影響軌道結構耐久性及行車安全性[9-11]。 更換支承塊效率與維修天窗時間短存在矛盾關系。 為減少區段作業次數,多采用“人海戰術”,勢必增加維修成本。 因此,如何更加快速、高效、經濟地進行支承塊更換施工成為一個亟須解決的問題。

1 計算模型及參數

彈性支承塊無砟軌道左右股支承塊相對獨立(支承塊為倒梯形)[12],支承塊出現病害后,需松開兩邊一定范圍扣件進行抬軌,將支承塊同塊下墊板、橡膠套靴同時從道床板拔出更換[13-14]。 為研究更換支承塊的受力特性,建立計算模型(見圖1)。 為消除邊界效應,模型長度取80.4 m,取1 股鋼軌作為研究對象。

圖1 彈性支承塊計算模型

根據計算模型,建立相應的有限元模型如下。

鋼軌:60 kg/m 鋼軌,采用solid45 實體單元模擬。

扣件:采用combin14 線性彈簧單元模擬,扣件松開區域扣件垂向剛度設置為0。

支承塊、彈性套靴及塊下膠墊:均采用solid45 實體單元模擬。

有限元模型邊界條件設置如下。

為簡化模型,節約計算時間成本,未考慮道床板對支承塊的影響;支承塊、彈性套靴、塊下膠墊三者間采用粘接處理;支承塊埋深范圍套靴四周采用固定約束;鋼軌端部為固定約束;在抬軌位置施加位移約束以模擬抬軌量,抬軌點位于更換的支承塊附近;計算中考慮重力影響。 有限元模型見圖2,結構參數見表1[14-16]。

表1 彈性支承塊無砟軌道結構參數

圖2 有限元模型

2 結果分析

2.1 抬軌方式對軌道部件的變形及受力影響

為防止抬軌過程中鋼軌出現硬彎,導致鋼軌報廢,選取合理的抬軌方式(單點與兩點抬軌)至關重要。抬軌間距過小不方便現場作業施工,抬軌間距過大會使抬軌裝置過大,增加施工成本。 因此,有必要對抬軌方式對軌道部件的變形及受力影響進行研究。 計算中,扣件松開范圍長度為12.6 m,抬軌量為16 cm,計算結果見圖3～圖6。

圖3 鋼軌垂向位移在縱向上的分布

圖3 為單點抬軌與兩點抬軌(抬軌間距為3.6 m)方式下鋼軌垂向位移在縱向上的分布。 由圖3 可知,在相同抬軌量(16 cm)、扣件松開范圍長度12.6 m 條件下, 單點抬軌方式鋼軌最大垂向位移為(160.185 mm),小于兩點抬軌方式鋼軌最大垂向位移(181.844 mm),但鋼軌最大拉應力在抬軌間距不大于3.6 m 條件下,兩點抬軌方式(378 MPa)小于單點抬軌方式(398 MPa)。 主要原因為,采用兩點抬軌方式時,兩抬軌點間的鋼軌發生了上拱變形,產生了弦弧差(鋼軌垂向最大位移點與抬軌點間的垂向距離),鋼軌變形較圓順。

另外,由圖4～圖6 可知,在2.4 m 之前,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力及扣壓區扣件最大上拔力隨抬軌間距增加而增大的趨勢較緩,反之,增加幅度變大,建議抬軌間距取1.2～2.4 m(2～3 個軌枕間距)。

圖4 鋼軌弦弧差隨抬軌間距變化情況

圖5 鋼軌最大拉應力隨抬軌間距變化情況

圖6 扣壓區扣件最大上拔力隨抬軌間距變化情況

綜上,為減小鋼軌及扣壓區扣件變形及受力,建議選擇兩點抬軌方式,抬軌間距宜控制在1.2～2.4 m。

2.2 扣件松開范圍對軌道部件的變形及受力影響

抬軌過程中,扣件松開范圍過短,會導致扣壓區扣件破壞,扣件松開范圍過長,會增加現場施工工作量,增加施工成本。 為確定合理的扣件松開范圍長度,研究不同扣件松開長度下軌道部件的變形及受力,計算時抬軌間距取1.8 m,抬軌量取16 cm,結果見圖7～圖10。

由圖7 可知,在抬軌過程中,鋼軌垂向位移在縱向上分布線形類似高斯函數,且隨扣件松開范圍增加而增大,鋼軌最大垂向位移逐漸減小,變化趨勢同鋼軌弦弧差變化情況。

圖7 鋼軌垂向位移在縱向上的分布

由圖8 可知,鋼軌弦弧差隨扣件松開范圍的線性增大,鋼軌弦弧差逐漸減小,變化趨勢類似反比例函數,扣件松開范圍長度在29.0 m 之前,鋼軌弦弧差減小趨勢較大,反之,鋼軌弦弧差變化趨勢較小,且在扣件松開長度達36.6 m 時,鋼軌弦弧差為1.839 mm。

圖8 鋼軌弦弧差隨扣件松開范圍長度變化情況

由圖9 可知,鋼軌最大拉應力隨扣件松開范圍增大而線性增加,變化趨勢類似反比例函數。 當扣件松開范圍長度為12.6 m 時, 鋼軌最大拉應力為359 MPa,小于U75V 鋼軌的容許應力363 MPa,但計算結果未考慮鋼軌溫度力的影響;若考慮鋼軌溫度應力,軌溫每變化1 ℃,產生的溫度應力為2.43 MPa。 即使鋼軌軌溫變化30 ℃,溫度應力為73 MPa。 當扣件松開范圍長度為15.0 m,鋼軌最大拉應力為338 MPa(考慮溫度應力),小于U75V 鋼軌的容許應力363 MPa。

圖9 鋼軌最大拉應力隨扣件松開范圍長度變化情況

由圖10 可知,扣壓區扣件最大上拔力隨扣件松開范圍增大而線性增加后,逐漸減小,在扣件松開長度27.0 m 之前,減小趨勢較大,反之,減小趨勢較小。 扣壓區扣件最大上拔力在扣件松開范圍長度36.6 m 時,扣壓區扣件最大上拔力為-1.556 kN,說明此時扣壓區扣件處于受壓狀態,避免了抬軌過程中鋼軌抬升帶動扣壓區彈性支承塊及套靴被抬起,破壞非病害區彈性支承塊無砟軌道部件。

圖10 壓區扣件最大上拔力隨扣件松開范圍長度變化情況

綜上所述,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力隨扣件松開范圍增大而線性增加,變化趨勢類似反比例函數;扣壓區扣件最大上拔力隨扣件松開范圍增大而減小,在扣件松開27.0 m 之前,減小趨勢較大,反之,減小趨勢較小。 在抬軌量16 cm、抬軌間距1.8 m 條件下,為滿足鋼軌受力及扣壓區扣件處于受壓狀態,扣件松開長度不宜小于36.6 m。

2.3 抬軌量對軌道部件的變形及受力影響

更換支承塊時,抬軌量需大于“支承塊埋深+塊下膠墊厚度+套靴厚度”高度,且根據施工條件的不同進行相應調整。 為了解抬軌量對軌道部件變形及受力的影響規律,分析不同抬軌量對軌道部件變形及受力影響。 計算過程中,扣件松開長度為36.6 m,抬軌間距1.8 m,變化情況見圖11～圖14。

圖11 鋼軌弦弧差隨抬軌量變化情況

圖12 鋼軌最大拉應力隨抬軌量變化情況

由圖11～圖13 可知,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力、扣壓區扣件最大上拔力隨抬軌量的增大呈線性增加;在抬軌間距1.8 m、扣件松開長度36.6 m 條件下,抬軌量每增加1.0 cm,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力及扣壓區扣件最大上拔力分別增加0.059 mm、3 MPa和1.1 kN。 當抬軌量為22 cm 時,鋼軌最大拉應力為113 MPa,考慮溫度力的影響,鋼軌最大拉應力(186 MPa)也小于U75V 鋼軌的容許應力363 MPa。當抬量為22 cm 時,鋼軌弦弧差為2.192 mm,扣壓區扣件最大上拔力為5.113 kN,此時,扣壓區扣件處于受拉狀態。

圖13 扣壓區扣件最大上拔力隨抬軌量變化情況

圖14 扣壓區扣件最大上拔力變化情況(增加抬軌量和扣件松開范圍長度條件下)

由圖14 可知,在線性增加抬軌量和扣件松開范圍長度條件下,扣壓區扣件處于受壓狀態,扣件所受最大壓力基本線性增加,從抬軌量16 cm、扣件松開長度36.6 m 到抬軌量22 cm、扣件松開范圍長度43.8m,扣壓區扣件最大壓力增加8.29 kN,增加幅度不大。 因此,在抬軌過程中,為保證扣壓區扣件處于受壓狀態且扣件受壓水平相當,抬軌量每增加1 cm,扣件松開長度宜增加0.6～1.2 m(1～2 組扣件)。

綜上所述,鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力、扣壓區扣件上拔力隨抬軌量的增加呈線性增加關系;為保證扣壓區扣件處于受壓狀態且扣件受壓水平相當,抬軌量每增加1.0 cm,扣件松開長度宜增加0.6～1.2 m(1～2 組扣件)。

3 結論

通過有限元軟件對彈性支承塊無砟軌道更換支承塊問題進行模擬,研究抬軌方式、扣件松開范圍長度及抬軌量對軌道部件變形及受力的影響規律,主要結論如下。

(1)為減小鋼軌、扣件變形及受力,建議選擇兩點抬軌方式,抬軌間距宜控制在1.2～2.4 m。

(2)鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力隨扣件松開范圍增大呈線性增加,變化趨勢類似反比例函數;扣壓區扣件最大上拔力隨扣件松開范圍增大而線性增加,在扣件開范圍長度27.0 m 之前,減小趨勢較大,反之,減小趨勢較小;在抬軌量16 cm、抬軌間距1.8 m 條件下,為滿足鋼軌受力及扣壓區扣件處于受壓狀態,扣件松開長度不宜小于36.6 m。

(3)鋼軌弦弧差、鋼軌最大拉應力、扣壓區扣件上拔力隨抬軌量的增加呈線性增大;為保證扣壓區扣件處于受壓狀態且扣件受壓水平相當,抬軌量每增加1.0 cm,扣件松開長度宜增加0.6～1.2 m(1～2 組扣件)。