車輛荷載下有砟線路軌枕的力學性能與受力特性分析

摘要：在中國的鐵路系統中，有砟線路軌枕扮演著至關重要的角色，作為鐵路軌道的基礎支撐組件。然而，中國的地理遼闊意味著有砟線路軌枕需要應對多種復雜的環境因素，如不同地區的氣候和地質條件，以及不斷波動的列車荷載，這些因素在很大程度上影響了有砟線路軌枕的性能和壽命。有砟線路軌枕可能受到多種因素的影響，如裂紋和不良的鐵路鋼軌安裝位置，深入研究有砟線路軌枕的性能和受力特性對于鐵路系統的維護和改進至關重要。研究利用有限元分析工具，建立了數值模型，深入探究有砟線路軌枕在不同荷載和環境條件下的受力行為和響應機理。結果表明，軌枕在正常軸重下能夠分散列車荷載并保持受力均勻分布，但當軸重增大時，軌枕受力不均勻，可能導致應力集中和裂紋形成。此外，裝配不良可能導致受力分布不均，進而導致偏載，對軌枕的結構完整性和性能構成威脅。這一研究有助于理解鐵路系統中有砟線路軌枕的性能特點，為鐵路系統的可持續性和可靠性提供了重要的理論和實際指導。

關鍵詞：有砟軌道；軌枕受力；有限元方法；軌枕傷損

在中國的鐵路系統中，有砟線路軌枕一直扮演著至關重要的角色。有砟線路軌枕是鐵路軌道的基礎支撐組件，其在鋪設軌道、承受列車荷載以及確保旅客和貨物運輸的安全性方面起著不可或缺的作用。然而，盡管有砟線路軌枕的作用至關重要，但其面臨著各種挑戰和考驗。中國的地理遼闊，鐵路系統覆蓋了廣大的領土，這意味著有砟線路軌枕需要應對多種復雜的環境因素，包括不同地區的氣候條件、地質特點，以及各類列車的荷載變化，這些因素在很大程度上影響了有砟線路軌枕的性能和壽命。

有砟線路軌枕可能會受到多種因素的影響［1］，如軌道的變形、荷載的振動、惡劣天氣條件以及不斷波動的環境溫濕度。這些因素可能導致軌枕的磨損、疲勞和損壞，從而對鐵路系統的可持續性和可靠性構成威脅。

因此，深入研究有砟線路軌枕的性能和受力特性對于鐵路系統的維護和改進至關重要。本研究旨在利用現代的有限元分析工具，建立精確的數值模型，以深入探究有砟線路軌枕在不同荷載和環境條件下的受力行為和響應機理［2］。通過對這些變化的深入研究，我們希望能夠總結出相關規律，為更好地理解有砟線路軌枕的性能提供堅實的理論支持。這項研究有望為未來的鐵路系統設計和維護提供有力的指導和協助，從而提高鐵路系統的可持續性和可靠性，確保旅客和貨物的安全運輸。

1有砟軌道混凝土軌枕常見傷損類型

根據對國內外有砟軌道的軌枕的病害特點進行研究與調查，我們總結了軌枕的損傷表現如下［3］：

裂紋：有砟軌道的軌枕通常承受多種應力，包括列車的荷載、氣候條件的變化以及地面的不均勻沉降。這種多因素的共同作用會使軌枕表面逐漸出現裂紋。這些裂紋通常呈現出一定的規律性，表明了在特定條件下，軌枕可能會受到不均勻的力，導致其表面發生應力集中，最終引發裂紋。裂紋的形成不僅可能減弱軌枕的結構完整性，還會加速其磨損和疲勞，從而影響軌枕的壽命和性能。這些裂紋往往源自軌枕的設計和制造方面存在的不規范或缺陷，因此，深入研究和監測裂紋的形成機制對于軌枕的維護和改進至關重要。軌枕表面裂紋如圖1所示。

鐵路鋼軌安裝位置不良：在某些情況下，鐵路鋼軌的安裝位置可能存在問題，即未能達到理想的對齊或接觸。這種不良的安裝位置可能導致軌枕與鐵路鋼軌之間的紊亂連接，進而增加軌枕的損傷風險。特別是在承受列車荷載和振動的情況下，不良的鐵路鋼軌安裝位置可能引發更嚴重的問題，如裂紋、變形，甚至可能危及列車和鐵路系統的安全性。因此，確保鐵路鋼軌的正確安裝位置對軌枕的健康和長期性能至關重要。軌枕安裝示意如圖2所示。

2力學特性分析

2.1模型介紹

為了更加深入地了解有砟軌道混凝土軌枕下方脫空對其受力特性的影響規律，我們構建了一個車輛荷載下的受力分析模型。該模型采用了有限元方法進行計算，如圖3所示。為了排除無關邊界條件的影響，我們將鋼軌傳遞到有砟軌道混凝土軌枕上的荷載簡化為均布荷載，并施加在軌枕表面。在此情況下，對應的車輛軸重為16t。在軌枕下方，我們采用了彈性約束。

通過這個模型，我們可以更加準確地分析有砟軌道混凝土軌枕在不同情況下的受力特性。同時，該模型還可以用于研究其他因素對軌枕性能的影響，例如軸重的變化、偏載等因素。這將有助于我們更好地了解有砟軌道混凝土軌枕的性能和受力特性，為鐵路系統的維護和改進提供有力的支持和指導。

2.2軸重的影響

為了方便對比有砟軌道軌枕在不同的軸重下的受力特性與正常情況下的差異，我們首先計算了在不同軸重下的有砟軌道軌枕的受力特性，如圖4所示。從圖中可以清晰地觀察到，整個有砟軌道軌枕均勻分布受力，應力值在不同軸重下變化，最大值為0.42MPa，這些數值均明顯低于混凝土的破壞極限。此外，有砟軌道軌枕在不同軸重下受力均勻，幾乎沒有明顯的應力集中現象。

這一結果強調了正常情況下有砟軌道軌枕的結構設計和性能的合理性。在這種情況下，有砟軌道軌枕能夠有效分散不同軸重下的列車荷載并保持受力均勻分布，從而降低了軌枕的疲勞損傷和損壞風險。

然而，當有砟軌道軌枕受到更大軸重下的荷載時，其受力特性可能會發生顯著變化，這可能導致不均勻的受力分布和應力集中。因此，圖5中展示了有砟軌道軌枕在不同軸重下的最大應力。從圖中可以看出，隨著軸重的增大，軌枕最大應力顯著增大，在30t軸重時達到了1.2MPa，疊加混凝土內部的預應力，可能會導致局部區域被壓潰，引起軌枕裂紋和斷裂。

2.3偏載的影響

深入的分析對于揭示裝配不良所導致的受力異常至關重要，因為其不僅僅對軌枕的壽命產生負面影響，還可能引發更嚴重的問題，如裂紋、塑性變形，甚至危及列車和鐵路系統的運行安全。裝配不良可能根源于施工質量、設計缺陷或維護不當等多種因素，因此，及時識別和解決軌枕的受力偏載問題，對于維護鐵路系統的可靠性和安全性至關重要。

本節是在第2.1節的基礎上，分析了裝配不良導致混凝土軌枕的受力分布不均，進而導致偏載的情況。研究表明，偏載達到20%時，軌枕的最大應力已達2.2MPa，這已明顯高于混凝土的破壞應力極限。當偏載增至40%時，軌枕的最大應力升至6MPa，超出混凝土的破壞限值。這種非均勻受力分布以及應力值的嚴重超出，對軌枕的結構完整性和性能構成了嚴重威脅。

圖7所示的結果進一步證實了偏載比例對混凝土軌枕受力產生的顯著影響。通過直接觀察該圖，我們可以清晰地發現，隨著偏載比例的增大，混凝土軌枕所承受的最大應力呈現出顯著的上升趨勢。這種上升的趨勢無疑會導致軌枕的壽命縮短，甚至可能導致軌枕出現開裂的情況。這一發現對于理解和解決鐵路工程建設中的負載問題具有重要的實踐價值。

2.4速度的影響

在重載鐵路線路中，由于車輛軸重普遍偏大，不同速度下車輛對軌枕的沖擊效應存在顯著差異，因此有必要深入研究車輛運行速度對軌枕受力特性的影響。首先，圖8展示了不同運行速度下軌枕整體受力情況，從圖中可以觀察到，不同速度下軌枕受力分布基本相似，僅在應力大小上存在一些差異，說明不同速度下軌枕的受力模式沒有明顯的變化。

然而，從圖9中可以明顯看出，隨著速度的增加，軌枕的最大應力呈指數狀增加，車輛的動力沖擊效應逐漸顯著。以80km/h的速度為例，最大應力僅為0.6MPa左右；而當速度達到120km/h時，最大應力卻高達近2.5MPa。在這種情況下，混凝土的一些局部區域可能會因過大的應力而發生壓潰或者拉裂的現象。

這種速度對軌枕受力特性的顯著影響不僅僅表現在整體受力分布上，更體現在最大應力值的劇烈增加上。速度的增加導致了動力沖擊效應的加劇，對軌枕施加的力量更加強大，從而引發了更為嚴重的受力情況。因此，在鐵路設計和維護中，必須充分考慮列車運行速度對軌枕的影響，采取有效的措施來減緩動力沖擊，保障軌枕的穩定性。

因此，車輛運行速度對軌枕受力特性有著顯著的影響，特別是在高速行駛時，軌枕所承受的最大應力急劇增大。為確保鐵路線路的安全和可靠性，需要在設計和維護中考慮速度因素，以減緩動力沖擊效應，保護軌枕結構不受過大的應力影響，確保其長期穩定運行。

3結論

本文建立了有砟軌道混凝土軌枕受力有限元模型，研究了車輛軸重以及車輛偏載對混凝土軌枕受力特性的影響，得到了如下有意義的結論：（1）隨著軸重的增大，軌枕最大應力顯著增大，在30t軸重時達到了1.2MPa。（2）裝配不良導致混凝土軌枕的受力分布不均，進而導致偏載，偏載達到40%時，軌枕的最大應力升至6MPa，超出混凝土的破壞限值。（3）隨速度的增大，軌枕應力指數增大，當速度為120km/h時，最大應力可以達到2.5MPa，有可能引起混凝土破壞。

參考文獻：

［1］王開楊.鐵路預應力混凝土豎孔軌枕抗沖擊性能研究［J］.建筑機械，2023（07）：137140.

［2］康慶濤，尤瑞林.我國預應力混凝土軌枕技術發展總結及展望［J］.鐵道建筑，2023，63（07）：1923.

［3］韓宜康，王俊逸，張睿哲，等.基于數字圖像相關的地聚物混凝土軌枕的力學性能分析［J］.鐵道科學與工程學報，2024，21（01）：116124.

作者簡介：毛實虎（1987—），男，漢族，甘肅天水人，本科，工程師，研究方向：鐵路工務。