钢桁梁明桥面合成轨枕结构初步设计及其受力分析

蔡敦锦，赵东锋，肖杰灵，王　平

(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)

钢桁梁明桥面合成轨枕结构初步设计及其受力分析

蔡敦锦，赵东锋，肖杰灵，王平

(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)

摘要：合成轨枕是一种以玻璃长纤维和硬质聚氨酯树脂为主要成分，通过成型板压缩粘结制造而成的轨枕。通过对明桥面上铺设合成轨枕的结构进行设计与计算，确定了明桥面上合成轨枕的结构形式。基于有限单元法建立由5根轨枕组成的轨排模型，对该模型进行受力分析，并研究合成轨枕厚度和宽度变化时其位移和应力的变化规律。研究结果表明：随着合成轨枕厚度的增加，轨下轨枕垂向位移值将趋于定值；随着合成轨枕宽度的增加，轨下轨枕垂向位移值也将趋于定值。合成轨枕的尺寸对轨枕压应力的影响较大，对轨枕拉应力的影响较小。综合考虑合成轨枕的承载力要求、扣件安装需要的合理尺寸、轨枕安装需要的安装空间、现场施工条件对尺寸的要求及经济性等因素，确定了合成轨枕的合理尺寸为：长度3 000 mm，宽度取值范围为260～300 mm，厚度取值范围为220～280 mm。

关键词：钢桁梁桥；明桥面；合成轨枕；有限元；结构设计

目前，钢桁梁明桥面上铺设的轨枕主要为木枕和合成轨枕。在日本，合成轨枕的应用比较广泛。我国在钢桁梁明桥面上主要使用木枕[1]，少部分地铁钢桁梁明桥面上尝试铺设了合成轨枕，在大铁路钢桁梁明桥面上，国内鲜有报道。另外，经考察发现，当前我国下承式钢梁桥上铺设的木枕破损严重，更换周期短，养护维修的代价高。而由高性能合成树脂材料制作而成的合成轨枕，较木枕有着明显的优势。

合成轨枕是一种以玻璃长纤维和硬质聚氨酯树脂为主要成分，通过成型板压缩粘结制造而成的轨枕[2-6]。合成轨枕相对木枕的优势主要表现在以下几方面，强度：强度高、柔韧性好、能减轻振动及噪声；耐久性：防腐性及耐水性极强，50年以上长期稳定；施工性：质量轻，施工容易，可在现场加工，工期短；修补翻新：钉孔修补容易，可灵活对应轨道位置的变更；生产效率：连续模具法，效率高，质量稳定，交货期短；环境保护：修补翻新后可再利用，可灵活对应轨道位置的变更；经济性：长寿命及其易于施工等，可以降低总成本[7-11]。

近些年，我国一些轨枕厂家开始重视对合成轨枕的研究，并取得了技术突破，生产出的合成轨枕已能满足使用要求。基于此，有关部门开始尝试在轨道上铺设合成轨枕。国内学者也对合成轨枕进行了一些研究，但是对于在钢桁梁明桥面上合成轨枕合理结构尺寸的研究还没有。所以有必要对此进行相关的研究。下面以某钢桁梁明桥面铁路桥为例，探讨钢桁梁明桥面上铺设合成轨枕结构的初步设计及其受力分析。

1钢桁梁明桥面上铺设合成轨枕结构确定

1.1某钢桁梁桥原有轨道结构概况

在钢桁梁桥的两根纵梁上铺设有开底槽的木枕，纵梁宽度为260 mm，木枕尺寸为3 000 mm×220 mm×240 mm，轨枕底槽尺寸为260 mm×220 mm×120 mm，轨枕中心距为420 mm，在角钢处个别最大的轨枕中心距为480 mm。轨枕与钢纵梁用钩头道钉连接，基本轨采用60 kg/m钢轨，护轨采用50 kg/m钢轨，基本轨扣件采用K型扣件，护轨用道钉固定于木枕上。

1.2合成轨枕结构设计

根据现有条件，为了提高轨道结构的强度及耐久性，现考虑将钢桁梁桥轨道结构的木枕更换为合成轨枕，并对其进行基本的结构设计计算。具体结构设计确定如下：基本轨扣件系统拟采用小阻力扣件形式，护轨扣件采用扣板式，护枕更换为合成树脂玻璃纤维材料的护枕。其他轨道结构零部件保持原有形式不变，但需要采用相应养护维修技术对相关零部件进行养护维修。

2计算模型及参数

2.1计算模型

钢桁梁明桥面轨道结构主要由钢轨、护轨、扣件、轨枕、刚纵梁及钩头道钉组成。采用有限单元法建立钢桁梁明桥面上合成轨枕有限元模型，如图1所示。其中，钢轨采用梁单元beam188模拟，扣件采用弹簧单元combin14模拟，铁垫板、合成轨枕及钢纵梁均采用实体单元solid45模拟，铁垫板与轨枕，轨枕与钢纵梁间采用接触单元。轨枕间中心距取为0.6 m。考虑到下承式钢桁梁结构的实际情况，将钢纵梁两端面全约束。钢桁梁桥上两钢纵梁间存在支撑梁，不同钢桁梁桥钢纵梁间的支撑情况不尽相同。为了偏于安全考虑，本文将模型中的钢纵梁两侧面的x方向约束。本文中的荷载形式仅为垂向准静态荷载，故对扣件和钢轨的横向进行了相关约束：①为防止扣件在水平方向发生异常变化，对扣件x和z方向的扭转自由度进行约束；②为了防止钢轨发生异常而翻转，将钢轨梁两端面的x方向扭转自由度进行约束，对y方向位移进行约束。

图1　有限元计算模型

2.2计算参数

(1)合成轨枕强度限值

合成轨枕的强度限值见表1。其中，坐标X方向表示为轨枕长度方向(玻璃纤维方向)，坐标Y方向为轨枕厚度方向，坐标Z方向为轨枕横向。

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表1　合成轨枕的强度限值　MPa

(2)轨道荷载参数(表2)

表2　车辆参数

参考实际列车轴重，计算时，轴重选为230 kN，当客车速度达到200 km/h时，动荷载按下式计算[12]

式中Pj——静轮载；

α、α1、α2——速度系数，参见表3；

β——偏载系数，取0.15。

将各参数代入上式得

Pd=0.5×230×(1+0.6×120/100+0.15)×

(1+0.3×40/100)×

(1+0.45×40/100)=284.2kN

表3　速度系数

考虑到轨道结构自身的初始不平顺，还会产生一定的动力附加值，本方案中在计算时，竖向设计轮载采用300 kN。

(3)合成轨枕材料参数如表4所示，扣件、合成轨枕及纵梁初始尺寸参数见表5。由于是准静态荷载受力分析，扣件主要起到传递力的作用，所以扣件刚度对受力分析的影响不大，扣件刚度拟取为3.0×107N/m2。由于本文主要研究轨枕的受力随其尺寸的变化情况，钢纵梁默认为刚性的，其变形可以忽略，钢纵梁弹性模量取为2.11×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3。铁垫板材料参数取与钢纵梁参数相同。

表4　合成轨枕材料参数

注：合成轨枕尺寸参考沪昆线原有木枕最小尺寸，合成轨枕弹性模量E和密度是通过实验测算出来的(参考《合成轨枕在日本铁路上的应用》)。合成轨枕比重大约是Ⅲ型混凝土枕的1/3，则其密度是混凝土枕的1/3。

表5　扣件、合成枕及纵梁尺寸参数　mm

3合成轨枕厚度的影响

保持其他参数不变，改变合成轨枕的厚度，计算在列车竖向设计荷载作用下的合成轨枕的厚度分别为180、200、220、240、260、280 mm时的位移和应力，分析合成轨枕厚度对合成轨枕的位移和应力的影响，结果如图2、图3所示。

图2　合成轨枕厚度对轨道结构垂向位移的影响

由图2可以看出，随着合成轨枕厚度的增加，轨下合成轨枕的垂向位移随之减小，这是由于轨枕厚度的增加轨枕截面厚度增加，从而增加了轨枕抗弯曲的能力。从图中可以看出，随着轨枕厚度的增加其轨下垂向位移的减小速率在相应减小。厚度从180～200 mm的减少率为18.9%，从200～220 mm厚度的减少率为16.2%，从220～240 mm厚度的减少率为13.8%，从240～260 mm厚度的减少率为11.7%，从260～280 mm厚度的减少率为9.3%。由此可看出，减少率随着厚度增加在逐渐降低，其减少值的降低值平均约为2.5%。故可推测当合成轨枕厚度达到一定值时，随着轨枕厚度的增加，轨下轨枕垂向位移值将趋于定值。综合考虑各种因素，特别是考虑到钢桁梁线路厚度的限值，不可能无限制地增加轨枕的厚度，所以轨枕厚度的取值范围建议为220～280 mm。

图3　合成轨枕厚度对合成轨枕应力的影响

由图3可以看出，随着合成轨枕厚度的增加，大体上合成轨枕的最大拉、压应力随之减小。这是由于厚度增加，截面抗弯刚度增加导致的。然而，可以看出，在轨枕厚度从260 mm变化到280 mm时，轨枕的应力突然增大，这可能是由于合成轨枕发生反转失稳引起的。

从图3中也可以看出，在一定范围内，轨枕的最大压应力的减小速率比轨枕最大拉应力的减小速率要大，最大压应力的减小速率平均约为11.3%，而在厚度从260 mm变化到280 mm时其应力增加速率为11%，可见其最大压应力的减小速率与到一定值后的增加速率相仿，所以在设计轨枕厚度时要综合考虑合理选取。从图3中还可以看出，轨枕所受的最大压应力远大于其所受拉应力，且最大压应力主要发生在轨枕底槽内侧面处，这主要是轨枕底槽处发生应力集中。从减小合成轨枕应力的角度讲，在一定范围内，合成轨枕厚度是越大越好。但是，在一定的范围内，合成轨枕的应力一直保持在设计控制值之内。同时，由于合成轨枕厚度过高可能引起轨枕侧翻或超过线路限高等问题，合成轨枕的厚度满足轨道结构的构造要求即可。

综合考虑合成轨枕厚度对轨下垂向位移及对轨枕应力的影响，拟定钢桁梁上合成轨枕厚度范围为220～280 mm。

4合成轨枕宽度的影响

保持其他参数不变，改变合成轨枕的宽度，计算在列车竖向设计荷载作用下合成枕的宽度分别为180、200、220、240、260、280 mm时的应力和位移变化，分析合成轨枕宽度对合成轨枕应力和位移的影响，其结果如图4、图5所示。

图4　合成轨枕宽度对合成枕最大垂向位移的影响

图5　合成轨枕宽度对合成轨枕应力的影响

由图4可以看出，随着合成轨枕宽度的增加，轨下合成轨枕的垂向位移随之减小。这是由于随着轨枕宽度的增加，轨枕截面宽度增加，轨枕抵抗弯曲变形的能力增加引起的。从图4中可以看出，随着轨枕宽度的增加，轨下轨枕垂向位移随之相应减小。宽度从180～200 mm的减少率为10%，从200～220 mm的减少率为9.9%，从220～240 mm的减少率为8.4%，从240～260 mm的减少率为7.6%，从260～280 mm的减少率为6.6%。由此可看出，减少率随着宽度增加在逐渐降低，其减少值的降低值平均约为0.85%。由此可推测，当合成轨枕宽度达到一定值时，随着轨枕宽度的增加，轨下轨枕垂向位移值趋于定值。考虑到钢桁梁上轨枕的施工空间、扣件安装对轨枕宽度的要求、轨枕中心距的值不能太大及经济性等因素，不可能无限制地增加轨枕的宽度。综合考虑各种因素，钢桁梁上合成轨枕宽度取值范围为260～300 mm。

由图5可以看出，随着合成轨枕宽度的增加，大体上最大拉、压应力随之减小，这是由于轨枕宽度的增加，截面抗弯刚度增加的原因。然而可以看出，在轨枕宽度从260 mm变化到280 mm时，轨枕的应力突然增大，这可能是由于合成轨枕发生应力集中引起的。从图5中也可以看出，在一定范围内，轨枕的最大压应力的减小速率比轨枕最大拉应力的减小速率要大，最大压应力的减小速率平均约为12.7%，而在厚度从260 mm变化到280 mm时其应力增加速率为7.5%，轨枕的最大拉应力的变化相对较小，不对轨枕强度起控制作用，在设计轨枕宽度时要综合考虑合理选取。从减小合成轨枕应力的角度考虑，宽度在一定范围内，合成轨枕是越宽越好，但是，在一定范围内，合成轨枕的应力一直保持在设计控制值之内，同时轨枕过宽没有足够的施工空间、应力集中会更加明显且经济性较差，合成轨枕的宽度满足构造要求即可。

综合考虑轨枕宽度对轨下垂向位移及轨枕应力的影响，拟定轨枕宽度取值范围为260～300 mm。

5结论及建议

基于有限单元法建立了合成轨枕实体模型，模拟了某地钢桁梁桥上明桥面铺设合成轨枕的受力情况，对合成轨枕在列车荷载作用下的力学行为进行了计算分析，并可得出如下结论。

(1)合成轨枕的尺寸对合成轨枕位移、应力均有一定的影响。随着合成轨枕厚度的增加，轨下轨枕垂向位移值将趋于定值；随着合成轨枕宽度的增加，轨下轨枕垂向位移值也将趋于定值。

(2)合成轨枕尺寸对轨枕压应力的影响较大，对轨枕拉应力的影响较小。轨枕受到的压应力远大于其所受的拉应力，这主要是由于底槽处应力集中引起轨枕所受的压应力比拉应力要大得多。

(3)综合考虑合成轨枕的承载力要求、扣件安装需要的合理尺寸、轨枕安装需要的安装空间、现场施工条件对尺寸的要求及经济性等因素，研究确定了合成轨枕合理尺寸为：长3 m、宽度取值范围为260～300 mm、厚度取值范围为220～280 mm。

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[12]易思蓉，何华武.铁道工程[M].2版.北京：中国铁道出版社，2012.

Structure Design and Stress Analysis of Composite Sleeper on Steel Truss Bridge Deck

CAI Dun-jin， ZHAO Dong-feng， XIAO Jie-ling， WANG Ping

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China)

Abstract：The synthesis sleeper is a kind of sleeper which is mainly consisted of long glass fiber and rigid polyurethane resin and manufactured by compressing with molding plate bonding. With design and calculation of the composite sleeper on the bridge deck， the structural form is determined. A track row model with 5 sleepers is established based on the finite element software ANSYS to analyze the stress of the model and study the displacement and change with the change of the composite sleeper height and width. The results show that with the increase of thickness of synthetic sleeper， the vertical displacement of the sleeper under rail tends to become constant; with the increase of the synthetic sleeper width， the vertical displacement under rail also tends to become constant. The size of the synthesis sleeper has greater effect on the sleeper compressive stress than on the tensile stress. With the comprehensive consideration of the requirements for bearing capacity of the composite sleeper， the reasonable installation dimensions of the fastener， the space for installation of the sleeper， the site construction conditions， the economy and so on; the reasonable size of the sleeper is determined to be 3 000 mm long， 260～300 mm wide and 220～280 mm thick.

Key words：Steel truss bridge; Bridge deck; Composite sleeper; Finite element; Structure design

中图分类号：U213.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.008

文章编号：1004-2954(2015)06-0032-04

作者简介：蔡敦锦(1989—)，男，硕士研究生，E-mail：1198876623@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金(51108392)；四川省科技创新研究团队基金(2011JTD0008)；中央高校基本科研业务费资助项目(SWJTU12CX079)

收稿日期：2014-09-16； 修回日期：2014-10-06