短单元双块式无砟轨道结构的性能分析

梁 敏 上海铁路局建设处

双块式无砟轨道是目前国内外较成熟的一种无砟轨道结构形式，其轨道结构从上到下依次为钢轨、道床板、支撑层（底座板），由于该轨道结构相比其他轨道结构在经济性等方面有较好表现，现特提出一种短单元双块式无砟轨道结构，并对该结构进行力学性能分析，为轨道结构的优化提供参考。

随着我国高速铁路的高速发展，多种类型的无砟轨道结构形式也被广泛地应用于高速铁路建设工程中。双块式无砟轨道正是除了CRTS I 型板式和CRTS II 型板式无砟轨道之外的重要结构形式之一，也是最为经典的结构形式。双块式无砟轨道结构配有成套施工设备，也可以采用人工配合小型机具自上而下的施工方法，和板式无砟轨道结构形式相比，双块式无砟轨道结构形式具有适用范围广、单位造价低、施工工艺简单、轨道精度容易保证等显著优点。

双块式无砟轨道在预制厂内预制的是双块式轨枕，其特点是：轨枕通过钢筋桁架将混凝土块连接在一起。现场利用轨排或螺杆调节器等作为辅助工具将双块式轨枕调整到符合要求的平面位置，最后浇筑混凝土将轨枕连成整体即完成双块式轨枕的施工。

通过这种工艺完成无砟轨道结构的施工过程后，将使整个施工区间内的线路结构形成一整段完整的无砟轨道，少则几公里，多则数十公里。因此我们也不难发现这种形式存在以下的缺点，一是现浇轨道板太长，裂缝控制难度大；二是工具轨的精度及钢轨与扣件组装精度对轨道最终精度影响较大；三是后期维修较为困难。因此，在这里我们引进短单元双块式无砟轨道结构的概念。

1 短单元双块式无砟轨道结构

所谓短单元双块式无砟轨道结构，顾名思义，就是将一个区间内通长的双块式无砟轨道轨道板在施工过程中人为地分成若干或数十米，或上百米的短单元结构，中间采用类似于CRT I 型板式无砟轨道的凸台贯穿连接，轨道板中间部分没有凸台，轨道板与支撑层间铺设土工布，其接触方式为摩擦接触。该类型轨道结构，层间沿线路方向作用力由摩擦力和凸台共同承担，层间横向相互作用力主要由凸台承担。以下简称“摩擦式短板轨道”。

其力学平面模型如图1 所示。

图1 摩擦式短板轨道力学模型

2 力学模型

结合短轨道板力学模型，建立有限元模型，并对不同的荷载工况对轨道结构受力和变形进行分析。有限元模型如图2 所示。

图2 轨道结构整体图示

3 不同荷载下的应力应变分析

3.1 垂向荷载

取机车轴重为17 t，考虑2.5 的动载系数，轨道结构受到的等效荷载为425 000 N，加载位置在轨道板中间轨枕处。垂向荷载作用下两种形式轨道结构应力应变情况如图3、图4所示。

图3 垂向荷载下应力分布图

图4 垂向荷载下变形图

板上荷载位置周围小范围内表现为压应力，其值不超过1.4 MPa，其他部位应力较小，几乎趋于0，从受力情况看，轨道板受力范围较小，且应力扩散较均匀。对于轨道板底层，应力扩散效果较差，与支撑台端部相接处表现为较集中的压应力，最大值可达到4.45 MPa，荷载作用正下方出现最大拉应力，其值为1.05 MPa。由图4 可知，摩擦工况下轨道结构垂向最大位移为0.36 mm。进一步从图4 中可以看到，摩擦工况二者相对位移为0.003 mm。整体来看在列车垂向荷载作用下轨道结构均满足应力应变要求。

3.2 纵向荷载

机车轴重取为17 t。考虑0.1 的制动或启动力系数，轨道结构受到的等效荷载为17 000 N，加载位置在试验轨道板右端中部。沿线路方向纵向荷载作用下两种形式轨道结构应力应变情况如图5、图6 所示。

图5 纵向荷载下应力分布图

图6 纵向荷载下变形图

轨道板受纵向荷载时，板上表面中间部分表现为拉应力，其他部位均表现为压应力，且拉压应力值均小于0.1 MPa。由于摩擦作用支撑台上侧表现为拉应力，同样与施压一侧支撑台根部相接的轨道板部位也表现为拉应力，其值约为0.028 MPa，而板中间由于受到支撑台的阻挡作用表现为压应力，其压力峰值出现在与施压相反一侧支撑台根部相接的轨道板处，其值约为0.054 MPa。从图6 可以看到，轨道板和支撑层相对位移为0.0048 mm。从应力应变情况看，该轨道结构均正常工作。

3.3 左端横向荷载

列车作用于轨道结构的横向等效荷载取为595 000 N，加载位置在轨道板左端，左端横向荷载作用下两种形式轨道结构应力应变情况如图7、图8 所示。

图7 左端横向荷载下应力分布图

图8 左端横向荷载下变形图

横向荷载作用时，荷载作用处出现0.63 MPa 压应力，除轨道板自身作用释放掉一部分荷载外，还有一部分要通过摩擦作用到支撑台上，同时，使得荷载作用边侧出现较大的拉应力，其值可达0.175 MPa。由图8 可以看出，轨道板和支撑层之间有明显的相对位移，其值为0.0032 mm。可见，这种轨道结构能正常工作。

4 结论

(1)短单元双块式无砟轨道由于道床板和支撑层之间铺设了一层土工布，两者可以做相对滑动，故在不同荷载作用下，轨道应力分布较为均匀，且应力值均较小。

(2)在不同荷载作用下，单元轨道板应变均较小，在应变条件许可的条件下，轨道长度可适当增长。

(3)整体来看，短单元双块式轨道结构在不同荷载作用下能够正常工作，各项指标均能满足正常运行条件。