大跨钢桥上合成树脂轨枕轨道受力特性及参数研究

李 健，赵坪锐，刘 观

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

大跨钢桥上合成树脂轨枕轨道受力特性及参数研究

李 健，赵坪锐，刘 观

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

与传统有昨轨道或无昨轨道相比，在大跨钢桥上铺设合成树脂轨枕轨道可大幅度减轻桥梁二期恒载，降低桥梁造价。根据大跨钢桥上合成树脂轨枕轨道的结构特点，建立有限元分析模型，对比分析合成树脂轨枕轨道和有昨轨道的受力特性，对树脂轨枕截面尺寸进行了研究。分析表明：在列车荷载作用下，合成树脂轨枕轨道中钢轨和轨枕的下沉较有昨轨道小，轨距变化量较大，但符合行车要求；树脂轨枕宽度、厚度和支承宽对轨道位移和轨距变化量影响较大，需考虑行车安全和经济性，结合桥梁结构设计方案综合确定。

钢桥；合成树脂轨枕；有限元；有昨轨道

1 合成树脂轨枕轨道的特点

随着我国高速铁路和城市轨道交通的快速发展,出现了很多大跨钢桥,例如京沪高速铁路大胜关长江大桥、京广高速铁路天兴洲长江大桥、黄大线黄河特大桥、重庆轻轨东水门大桥和千厮门大桥等。高速铁路大跨度钢桥由于列车速度高,轨道几何形位要求高,多采用有作轨道,香港青马大桥则采用了板式无作轨道,这些轨道结构中道床或轨道板铺设在钢筋混凝土桥面板上,桥面板支承在纵梁上［1-2],因此桥梁二期恒载较大,对于大跨度桥梁来说会大大增加造价,而且桥上有作轨道道作容易掉落,养护维修量大且困难。对于速度较低的轻轨线路可考虑其他轨道方案,例如合成树脂轨枕轨道［3]。

合成树脂轨枕是一种以玻璃长纤维和硬质聚氨醋树脂为主要成分,并将他们连续成型或在模型中发泡固化成型,生产出的一种板型结构［4-5]。树脂枕与钢桥连接主要分为两类,一种仿造木枕方案,在树脂枕上钻孔,用钩螺栓连接树脂枕与钢桥；另一种通过在桥面上焊接槽钢,将树脂轨枕放入槽内,侧面穿过树脂轨枕插入螺栓实现轨枕与大跨钢桥的连接［6],以钢支承块代替了原有的道作,用于明桥面上,有利于减轻轨道自重,减小大跨钢桥二期恒载,降低桥梁造价；加工性能好,易于维护管理、修补和更换,适用于桥梁等轨道地段；弹性较好,柔韧性强,可大大降低列车振动对桥梁的影响［7-8]。

2 合成树脂轨枕轨道受力特性

2.1 模型的建立

根据合成树脂轨枕轨道和有作轨道的结构特点,分别建立其有限元分析模型,如图1和图2所示。对比分析有作轨道和合成树脂轨枕轨道的受力特性。两种模型钢轨均以弹性点支承梁模型模拟,扣件以及轨枕支座的弹性则以线性弹簧模拟,合成树脂轨枕采用点支承梁模拟,普通有作轨道轨枕采用连续支承梁模拟［9]。模型中,钢轨采用60 kg/m钢轨,扣件刚度取为50 kN/mm,合成树脂轨枕截面尺寸取为0.2 m×0.2 m,普通有作轨道采用Ⅱ型混凝土轨枕,换算为矩形截面宽0.28 m,厚0.18 m,两种模型均假设为等截面梁进行计算［10]。将模拟道作弹性的弹簧下节点全部约束,将钢轨左端点的纵、横向位移约束,同时约束轨枕的纵、横向位移和点头转角位移,在钢轨上按B1型车的轴距、定距施加大小为轴重140 kN的列车静荷载。

图1 合成树脂轨枕轨道有限元计算模型

图2 有昨轨道有限元计算模型

2.2 受力特性分析

合成树脂轨枕轨道和有作轨道在B1型车荷载作用下的变形情况如图3、图4所示。两种情况车辆前后两转向架引起的轨道反应互相不叠加,仅同一转向架上的两轮对相互有影响。所以在后面的合成树脂轨枕轨道参数分析中可单独取一转向架进行分析,以减小分析规模。

图3 B1型车作用下合成树脂轨枕轨道变形情况

图4 B1型车作用下有昨轨道变形情况

从表1可以看出,合成树脂轨枕轨道钢轨最大下沉位移较有作轨道减小约50%,主要是由于道作道床替换为钢支承块,取消了原有道作提供的弹性。同时,树脂轨枕轨下截面处的轨枕转角引起的轨距变化量较有作轨道增大了约14倍,虽然在容许范围内,但对行车的稳定性不利。如图5、图6所示,有作轨道轨枕轨下截面产生最大下沉位移,承受最大正弯矩,轨中截面承受最大负弯矩。而树脂轨枕整体下沉,弯矩分布符合四点弯曲梁分布特点,全截面承受正弯矩,轨中截面处产生最大下沉位移［11]。

表1 B1型车作用下轨道受力变形情况

图5 合成树脂轨枕弯矩分布

图6 有昨轨道轨枕弯矩分布

3 合成树脂轨枕参数对轨道结构的影响［12]

3.1 树脂轨枕宽度的影响

轨枕宽度对系统受力影响如图7、图8所示。可以看出,轨枕宽度主要影响轨枕位移,包括弯曲下沉位移与转角位移,当转角位移较大时将引起轨距的减小,影响列车平稳安全运行,增大轨枕宽度对于保证列车平稳安全运行有益。

以2 mm的动态轨距变化量为标准作为列车平稳安全运行的基准,所分析的几种轨枕尺寸均满足使用要求。轨枕宽度对轨道各部位弯矩影响不大,轨枕弯曲应力最大3 MPa,远小于其材料容许值。因此轨枕宽度在满足扣件安装空间要求的基础上尽量采用较小的宽度,以实现树脂轨枕轨道的经济性。

图7 轨枕宽度对轨道位移的影响

图8 轨枕宽度对轨道弯矩的影响

3.2 树脂轨枕厚度的影响

当轨枕宽度取0.28 m时,轨枕厚度的变化对轨道受力变形的影响如图9、图10所示。

图9 轨枕厚度对轨道位移的影响

图10 轨枕厚度对轨道弯矩的影响

可以看出,树脂轨枕厚度对轨枕位移、弯矩以及动态轨距变化量影响较大,随着轨枕厚度的增加,轨枕抗弯刚度随之增大,从而引起轨枕位移和弯矩的减小。以2 mm的动态轨距变化量为准评价各轨枕方案,研究发现,当轨枕支撑长度为1.7 m时、枕宽度小于0.26 m时,轨枕厚度须0.18 m以上才能满足动态轨距变化量的要求,而轨枕宽度为0.28 m至0.3 m时,0.16 m的轨枕厚度亦可满足要求,当轨枕支撑长度增加时,需相应增加轨枕厚度。

3.3 树脂轨枕支承长度的影响

由上文可知轨枕弯矩分布符合四点弯曲梁特点,轨枕最大弯矩

式中,P为轮重；l0为两钢支承块之间的距离。当l0＞1.5 m时,轨枕承受正弯矩；当l0＜1.5 m时,轨枕出现反弯矩,对轨枕的受力不利；而当支承恰好位于钢轨正下方,即l0=1.5 m时,轨枕弯矩等于0,且轨距变化量最小,对轨枕受力最有利。但是考虑到树脂轨枕与钢桥的连接方式及钢桥的设计原因,扣件下部连接部分的安装可能会冲突,而且不利于检查,需综合考虑支承长度的取值。

保持断面尺寸0.2 m×0.2 m不变,改变轨枕支承长度,其对轨道受力的影响如图11、图12所示。

图11 轨枕支承长度对轨道位移的影响

图12 轨枕支承长度对轨道弯矩的影响

可以看出,轨枕支承长度对树脂轨枕轨道受力影响很大,随着轨枕支承长度的增大,钢轨位移和轨枕位移随之增大,轨枕位移增大的幅度明显快于钢轨位移。轨枕支承长度的增加对轨枕弯矩及轨枕转角引起的轨距变化影响很大,对保证行车安全及轨枕必要的安全储备影响很大,为保证列车的安全运行,列车通过时的轨距动态变化量应小于2 mm,由此确定的0.2 m× 0.2 m的轨枕支承长度在1.8 m以下,当受扣件安装空间的限制,轨枕支承长度需进一步增长时,需在轨枕中部增加支承点,以满足动态轨距变化量的要求。另外轨枕支撑长度增加时,荷载作用下的轨枕位移增大,相当于减小了轨下基础的支撑长度,从而引起弯矩增大,需注意检算无缝线路的强度与稳定性。

3.4 树脂轨枕长度的影响

当树脂轨枕支承长度一定时,改变轨枕长度对于轨道系统受力没有影响,因此在保证轨枕支承长度和轨道配件安装的基础上,为实现树脂轨枕较好的经济性,宜采用较短的树脂轨枕长度。

4 结论

本文针对树脂轨枕的结构特点,建立了树脂轨枕有限元分析模型,同时对比普通有作轨道,分析了树脂轨道受力的影响规律,得到以下结论:

(1)列车荷载作用下,合成树脂轨枕轨道钢轨和轨枕的下沉位移较小；而由轨下截面处转角引起的轨距动态变化量较大,为保证列车平稳安全运行,需限制该变化量；

(2)为得到较好的经济性,在保证扣件安装空间的基础上尽量采用较窄的轨枕宽度；

(3)轨枕厚度对轨枕位移和动态轨距变化量影响较大,为保证列车运行平稳,须保证必要的轨枕厚度,轨枕支承长度增大时,需相应增大轨枕厚度；

(4)轨枕支承长度对轨道刚度、轨枕弯矩、动态轨距变化量影响很大,须对轨枕支撑长度加以限制,当受扣件安装空间限制无法满足时,需加大轨枕断面或在枕中增加支承点。

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Stress State and Parameter Study of Track with Synthetic Resin SleePers on Long-sPan Steel Bridge

LI Jian,ZHAO Ping-rui,LIU Guan
(Ministry of Education's Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Compared with both the traditional ballasted track and ballastless track,the track with synthetic resin sleepers,which are laid on long-span steel bridge,can significantly reduce secondary dead load and bridge cost.In this research,based on the structural characteristic of synthetic resin sleeper track on long-span steel bridge,a finite element model was established；and then the stress characteristics of both the synthetic resin sleeper track and the ballasted track were comparatively analyzed,also the cross-section size of the synthetic resin sleepers was researched.The research results show that under the action of train load,the vertical displacements of both the steel rail and the sleeper in synthetic resin sleeper track are less than those in ballasted track,while the variation of the track gauge isrelatively large but still meets the requirement of safety operation.The research results also show that the width,thickness,and bearing width of synthetic resin sleeper have great influence on track displacement and track gauge variation,therefore they should be comprehensively determined in view of train operation safety and economic efficiency as well as in combination with bridge structure design scheme.

steel bridge；synthetic resin sleeper；finite element；ballasted track

U213.2+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.010

1004-2954(2014)07-0041-04

2013-10-24；

2013-11-11

国家自然科学基金项目(51008258)；中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU12CX065)

李 健(1991―),男,硕士研究生,E-mail:ljswjtu@163.com。