重載鐵路18號道岔聚氨酯固化道床力學特性

郄錄朝 王潤豐 王啟好 徐旸 蔡小培

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044

碎石道床可為軌道提供彈性，承受來自軌枕的壓力并將其均勻傳遞到路基上，減緩和吸收輪軌的沖擊和振動，保持軌道穩定。隨著重載鐵路持續朝高密度、大軸重、高運量的方向發展，軌道服役強度逐漸增加，更易發生病害。道岔區特殊的軌道結構使得道床在不平衡的受力下容易出現剛度不均勻現象，又反過來影響線路彈性，使得軌道難以保持軌面平順，出現軌下道床位移不均勻等問題，影響行車安全，縮短養護維修周期，限制運輸速度，降低運輸效率［1］。因此，保持軌道服役性能，特別是控制道床應力及位移，對道岔區重載鐵路的服役狀態尤為重要。

聚氨酯固化道床是改善碎石道床服役性能的有效方式。該道床是在穩定碎石道床內澆注聚氨酯材料，材料反應后填充道砟間空隙并黏結道砟形成的彈性整體道床［2］。聚氨酯固化道床不僅具有良好的彈性和抗壓能力，本身累積變形較小［3］，能夠適應不同運輸環境的要求，維護和修補作業少［4］，具備整體壽命長、穩定性好等優點。

我國在重載鐵路上已對聚氨酯固化道床進行了一些應用，研究人員也對該結構開展了研究。仿真方面，肖宏等［5］提出了一種多元介質填充結構建模方法，研究發現聚氨酯發泡道床道砟間接觸力的分散性較小，受力比較均勻。令行等［6］建立了離散元分析模型，探究列車荷載下膠黏道床受力特性。孫曉博等［7］建立重載鐵路動力學模型，分析了重載車輛經過道岔時的動力響應。郄錄朝等［8］建立聚氨酯固化道床膨脹數值模型，結合現場工程對聚氨酯固化道床澆注工藝進行了優化。徐旸等［9］提出了一種基于黏結力鏈單元的聚氨酯固化道床數值仿真分析方法，對聚氨酯固化道床與普通散體碎石道床在循環荷載作用下的力學性能進行了對比分析。試驗方面，Woodward等［10］研究了聚氨酯固化道床在高速鐵路道岔區的應用效果，發現該結構有利于有砟道床的穩定。余思昕等［11］研究了自由邊界下聚氨酯固化道砟體的壓縮性能及變形規律，發現聚氨酯固化道床在應用前需進行預壓。徐旸等［12］在國家鐵道試驗中心建立世界首條預制裝配式聚氨酯固化道床試驗段，對預制裝配式聚氨酯固化道床、現澆式聚氨酯固化道床結構、普通無砟道床3種軌道結構的靜動力特性進行對比試驗研究。

目前對于聚氨酯固化道床的研究多采用試驗或者靜態仿真，動力仿真研究多考慮由輪對帶來的循環荷載作用，關于行車動力荷載的研究較少。Cai、王啟好等［13-14］考慮了列車動力荷載下聚氨酯固化道床在地鐵和高速鐵路的應用。高組數、大軸重的重載列車與軌道之間的耦合作用是重載鐵路上碎石道床荷載的來源，該作用與靜態、循環荷載具有較大差異。而且，道岔作為軌道的特殊結構，在功能定位需求、內在受力特點等方面與普通線路明顯不同。

本文基于多體動力學和有限元方法，建立列車-軌道-路基模型，分析列車直向和側向過岔時道岔區關鍵斷面的力學特性，探討聚氨酯固化斷面的合理分布范圍，為重載鐵路聚氨酯固化道床設計提供參考。

1 列車-道岔-路基模型

建立包括車輛、軌道、路基在內的仿真模型，通過動力學軟件計算得到列車過岔時軌道力學效應，并將其輸入有限元模型。

重載列車軸重30 t，由車體、轉向架、輪對、懸掛系統組成，忽略各部件的彈性變形，將其視為一個多剛體振動系統。根據18 號道岔設計圖建立軌道模型。鋼軌采用梁單元模型，軌枕和道床采用實體單元模型，對聚氨酯材料采用Mooney-Rivlin 本構模型，設定一定的超彈性參數以實現對聚氨酯固化道床的準確模擬。結合北京交通大學相關研究，取材料系數C10=2.0 MPa、C01= 0.1 MPa，壓縮系數D1= 0.001 5［9］。扣件簡化為彈簧-阻尼單元。路基模型中包括路基表層、路基底層和路基本體。建立的列車-道岔-路基模型見圖1。模型結構參數見表1。

表1 模型結構參數

圖1 列車-道岔-路基模型

2 優化設計

2.1 不同聚氨酯固化斷面的力學特性對比

道床垂向應力過大是導致道砟粉化破碎等病害發生的根本原因，而鋼軌垂向位移是列車行駛安全性的最直觀表征參數。因此，選取枕下道床垂向應力、軌下道床垂向位移作為表征指標，對比分析不同聚氨酯固化斷面的力學特性。下文中應力及位移均為垂向。

現有碎石道床聚氨酯固化方式多為將軌枕下方道砟全部固化的全斷面固化，固化寬度隨軌枕長度變化而變化，見圖2（a）。該固化方式操作簡便，但較為簡單粗放，無法根據道岔區力學效應進行針對性固化。王紅等［15］研究發現，在車輛軸重30 t條件下，在鋼軌下方設置頂寬為0.85 m 的聚氨酯固化斷面的軌道彈性較好，可作為一種新的聚氨酯固化方式，稱軌下梯形斷面固化，見圖2（b）。然而道岔區為特殊軌道結構，其力學特性隨道岔位置變化而變化。因此，在軌下梯形固化斷面及全固化斷面基礎上，根據道岔區道床各位置的受力分布，進行多級化針對性設計。在力學效應較大的區域應用彈性模量較低的聚氨酯固化材料，并在轍叉區心軌應力集中位置采用更柔軟、彈性模量更低的聚氨酯材料，見圖2（c）。

圖2 道岔區聚氨酯道床固化方式

選取力學效應最復雜的轍叉區軌枕正下方橫截面，對比三種固化道床及碎石道床的力學特性。列車直向、側向通過轍叉區時，不同道床的道床應力及位移見圖3、圖4。

圖3 不同道床轍叉區道床應力對比

圖4 不同道床轍叉區道床位移對比

由圖3可知，對于轍叉區軌枕下方橫截面，全斷面固化道床和碎石道床的道床應力曲線呈V 形，最大值出現在輪軌作用力最大的心軌處；軌下梯形斷面和全斷面多級固化道床的道床應力分布較為均勻，整體曲線呈馬鞍形；相較于其他三種固化模式，全斷面多級固化道床應力分布范圍更大，應力峰值也較低，這是由于相較于單一彈性模量的聚氨酯材料，不同彈性模量的聚氨酯材料優化了道砟間的黏結作用，能更均勻地分擔來自軌枕的荷載。

由圖4可知，對于轍叉區軌枕下方橫截面，道床位移隨道床剛度降低而增加。直向過岔時，道床位移呈U形分布，各種固化方式對道床位移無明顯優化效果。側向過岔時，碎石道床、軌下梯形斷面固化道床及全斷面固化道床的道床位移呈V 形分布，兩側軌下道床位移差較大；全斷面多級固化道床位移呈U 形分布，在兩側鋼軌間形成平臺，對側向過岔的位移差優化效果顯著。可見，基于轍叉區力學效應的特殊性進行針對設計的全斷面多級固化道床，具有良好的應力及位移控制效果，能保證列車平穩運行。在聚氨酯固化道床實際應用時，可根據不同區域的應力、位移分布特點，針對性設計聚氨酯固化斷面，以提高道床力學性能，減少維修工作量。

2.2 聚氨酯道床固化斷面設計

重載列車在道岔區運行時，兩側鋼軌常因復雜且不平衡的枕下受力而出現位移差，嚴重影響列車運行安全和速度。針對道岔區不同位置結構特點進行聚氨酯固化道床斷面設計，是聚氨酯固化道床設計的關鍵。根據18號道岔標準布置圖，選取道岔關鍵位置進行固化斷面設計。轉轍部分取4 號岔枕尖軌起點位置，連接部分取74 號岔枕位置，轍叉部分取92 號枕心軌對應位置。根據各區域枕下道床受力特性，在轉轍部分采用軌下梯形斷面固化方式；連接部分采用全斷面固化方式；轍叉部分道床荷載分布較復雜，采用全斷面多級固化設計，見圖5。

3 應用效果

設4種工況，通過與碎石道床進行對比，研究所設計的聚氨酯固化道床在轉轍部分、連接部分及轍叉部分對道床力學特性的改善效果。工況1—工況4 依次為聚氨酯固化道床 + 直向過岔、碎石道床 + 直向過岔、聚氨酯固化道床 + 側向過岔、碎石道床 + 側向過岔。

3.1 轉轍部分

取尖軌起點位置進行分析。4 種工況下的道床應力及位移見圖6。可知：①直向過岔條件下，采用聚氨酯固化道床后，列車經過轉轍區時道床應力偏載變化不大，應力峰值由0.139 MPa 降為0.135 MPa，減少了2.88%；道床位移偏載變化不大，左右側軌下位移差由0.080 mm 降為0.079 mm，減少了1.25%。②側向過岔條件下，采用聚氨酯固化道床后，列車經過轉轍區時道床應力偏載有一定變化，應力峰值由0.158 MPa降為0.152 MPa，減少了3.80%；道床位移偏載有一定改善，左右側軌下位移差由0.222 mm 降為0.205 mm，減少了7.65%，這是由于側向過岔時軌下聚氨酯固化道床吸收了過尖軌時單側鋼軌碰撞受力的能量。在轉轍區應用聚氨酯固化道床對側向過岔產生的應力、位移偏載起到一定改善作用。

3.2 連接部分

4 種工況下連接部分的道床應力及位移見圖7。可知：①直向過岔條件下，采用聚氨酯固化道床后，列車經過連接部分時道床應力偏載有一定變化，應力峰值由0.118 MPa 降為0.109 MPa，減少了7.63%；道床位移偏載變化不大，左右側軌下位移差由0.087 mm降為0.083 mm，減少了4.60%。②側向過岔條件下，采用聚氨酯固化道床后，列車經過連接部分時道床應力偏載有一定變化，應力峰值由0.128 MPa 降為0.116 MPa，減少了9.38%；道床位移偏載變化不大，左右側軌下位移差由0.087 mm 降為0.086 mm，減少了1.15%。因此，聚氨酯固化道床的應用對連接部分的應力、位移偏載有較好的改善效果。

圖7 4種工況下連接部分道床力學特性

3.3 轍叉部分

4 種工況下轍叉部分的道床應力及位移見圖8。可知：①直向過岔條件下，采用聚氨酯固化道床后，列車經過轍叉部分時道床應力偏載變化很大，應力峰值由0.253 MPa降為0.149 MPa，減少了41.11%；位移偏載略有變化，左右側軌下位移差由0.211 mm 降為0.151 mm，減少了28.43%。②側向過岔條件下，采用聚氨酯固化道床后，列車經過轍叉部分時道床應力、位移偏載變化均較大，道床應力峰值由0.235 MPa 降為0.142 MPa，減少了39.57%；左右側軌下位移差由0.669 mm 降為0.062 mm，減少了90.73%。在轍叉部分應用聚氨酯固化道床的效果較為顯著。

圖8 4種工況下轍叉部分道床力學特性

綜上，應用聚氨酯固化道床后，整個道岔區的道床應力均有明顯降低，峰值更小，分布更均勻，其中轍叉區道床應力降低比率最高；軌下道床位移較為均勻。聚氨酯固化道床對道床應力及位移有著較好的控制效果，相較于普通碎石道床有著很大優勢。因此，在道岔、路橋過渡段等受力復雜，易產生道砟粉化破碎病害的地段，可澆注聚氨酯以提高道床力學性能，減少維修量。

4 結論

道岔區道床受力及位移較大，且側向過岔時對軌道更不利，因此本文提出了一種重載鐵路18號道岔聚氨酯固化形式。在軌下梯形固化斷面及全固化斷面基礎上，根據道岔區道床各位置的受力分布，進行多級化針對性設計。討論了該方法相較于既有方法的優越性，分區段對比了與碎石道床的力學性能差異，對聚氨酯固化道床內部應力及荷載傳遞特性進行了分析。主要結論如下：

1）根據各區域枕下道床受力特性，在轉轍部分采用軌下梯形斷面固化方式，連接部分采用全斷面固化方式，轍叉部分采用全斷面多級固化設計，在轍叉區心軌應力集中位置采用更柔軟、彈性模量更低的聚氨酯材料。

2）設計的聚氨酯固化道床可以較好地控制道岔區道床應力及位移。對轍叉區改善最顯著，直向與側向過岔時道床應力分別降低41.11%、39.57%，軌下道床位移差變化率分布為28.43%、90.73%。

3）在道岔、路橋過渡段等受力復雜，易產生道砟粉化破碎病害的地段，可澆注聚氨酯以提高道床力學性能，減少維修量。