土质路基双块式无砟轨道参数影响分析

庄 鹏

双块式无砟轨道是将预制好的双块式轨枕,在现场通过浇筑混凝土将轨枕埋入到混凝土道床中,使轨枕与混凝土道床板成为一个整体的无砟轨道结构形式,高度整体性是双块式无砟轨道区别于其他无砟轨道结构最显著的特点。双块式无砟轨道结构形式在我国也进行了较多的实际铺设。

1 计算模型及参数

路基上双块式无砟轨道系统主要由钢轨、弹性扣件、带有桁架钢筋的双块式轨枕、混凝土道床板及水硬性混凝土支承层组成。

钢轨选用60 kg/m钢轨;扣件间距0.65 m,扣件节点刚度50 kN/mm;轨道板宽度 2.8 m,厚度为 0.24 mm,采用C40混凝土,弹性模量3.40×104MPa;水硬性混凝土支承层(底座板)宽度为3.4 m,厚度为0.3 m,弹性模量15 000 MPa;计算模型选用弹性地基上的梁—板有限元模型(见图1);钢轨采用弹性点支承梁模型来模拟;扣件用弹簧单元来模拟;轨道板与支承层在厚度方向上的尺寸远小于长度和宽度方向上的尺寸,采用板壳单元来模拟;钢轨和道床板间由弹簧单元通过节点相连接,轨道板是浇筑在支承层上的,支撑块上的荷载通过轨道板传递给水硬性支承层,轨道板与支承层之间通过节点自由度耦合来处理。动轮载参照《客运专线无砟轨道铁路设计指南》,取300 kN。为忽略边界对轨道结构的影响,计算模型取30 m轨道结构,以板中为研究对象。

2 双块式无砟轨道参数影响分析

2.1 扣件刚度

保持轨道结构尺寸和其他参数不变,只改变扣件刚度的数值,扣件刚度分别取30 kN/mm,50 kN/mm,70 kN/mm,90 kN/mm计算轨道结构的力学响应。

如表1所示,轨道板和支承层弯矩随扣件刚度的增大逐渐增大。扣件刚度在70 kN/mm～90 k N/mm时,轨道板和支承层的弯矩增长趋势变缓。扣件刚度增大,其抵抗钢轨弯曲的能力增强,荷载的分布范围相对较小,在保持扣件间距不变的情况下,枕上压力随之增大,作用在板上的荷载更为集中,引起轨道板的各项动力学指标增大。

表1 扣件刚度变化对轨道结构力学响应的影响

2.2 轨道板厚度

保持轨道结构尺寸和其他参数不变,只改变轨道板厚度的数值,轨道板厚度分别取0.20 m,0.22 m,0.24 m,0.26 m,0.28 m计算轨道结构的力学响应。

如表2所示,轨道板的纵、横向弯矩随轨道板厚度的增大逐渐增大,支承层纵、横向弯矩随轨道板厚度的增大逐渐减小,轨道板厚度增加其抗弯刚度增大,承受的弯矩增大。

表2 轨道板厚度变化对轨道结构力学响应的影响

2.3 支承层弹性模量

为分析支承层弹性模量变化对轨道结构力学响应的影响,保持轨道结构尺寸和其他参数不变,只改变支承层弹性模量的数值,支承层弹性模量分别取5 000 MPa,10 000 MPa,15 000 MPa,20 000 MPa,25 000 MPa计算轨道结构的力学响应。

表3 支承层弹性模量变化对轨道结构力学响应的影响

如表3所示,轨道板纵、横向弯矩随支承层弹性模量的增大逐渐减小,支承层的纵、横向弯矩随支承层弹性模量的增大逐渐增大。支承层弹性模量的增大相当于增强轨道的支承作用,可以减小轨道板的弯矩。

2.4 支承层厚度

保持轨道结构尺寸和其他参数不变,只改变支承层厚度的数值,支承层厚度分别取0.2 m,0.25 m,0.3 m,0.35 m,0.4 m计算轨道结构的力学响应。

如表4所示,轨道板的纵、横向弯矩随支承层厚度的增大逐渐减小,支承层的纵、横向弯矩随支承层厚度的增大逐渐增大。增大支承层弹性模量,可以减小轨道板弯矩值。

表4 支承层弹性厚度变化对轨道结构力学响应的影响

2.5 地基弹性系数

为分析地基系数变化对轨道结构力学响应的影响,保持轨道结构尺寸和其他参数不变,只改变地基系数的数值,地基系数分别取50 MPa/m,76 MPa/m,100 MPa/m,500 MPa/m,1 000 MPa/m计算轨道结构的力学响应。

结果表明,轨道板和支承层的纵、横向弯矩随地基系数的增大逐渐减小。地基系数在50 MPa/m～76 MPa/m时,轨道板和支承层弯矩变化幅度较大。地基系数在100 MPa/m～500 MPa/m时,轨道板和支承层的弯矩变化幅度较小。由此可见,隧道地段由于基础刚度较土质路基大,对轨道结构整体而言是有利的。

3 结语

1)轨道板和支承层的横向负弯矩为0,且不受主要参数变化的影响。2)轨道板和支承层纵、横向弯矩随扣件刚度的增大逐渐增大,扣件刚度在70 k N/mm～90 kN/mm时,轨道板和支承层的弯矩增长趋势变缓。3)轨道板的纵、横向弯矩随轨道板厚度的增大逐渐增大,支承层的纵、横向弯矩随轨道板厚度的增大逐渐减小。4)轨道板纵、横向弯矩随支承层弹性模量的增大逐渐减小,支承层的纵、横向弯矩随支承层弹性模量的增大逐渐增大。5)轨道板的纵、横向弯矩随支承层厚度的增大逐渐减小,支承层的纵、横向弯矩随支承层厚度的增大逐渐增大。6)轨道板和支承层的纵向正、负弯矩随地基系数的增大逐渐减小。地基系数在50 MPa/m～76 MPa/m时,轨道板和支承层弯矩变化幅度较大。

[1]何华武.无砟轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[2]赵国堂.高速铁路无砟轨道结构[M].北京:中国铁道出版社,2006.

[3]铁建设函[2005]754号,客运专线无砟轨道铁路设计指南[S].