树脂合成轨枕强度分析

蔡敦锦，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)

树脂合成轨枕强度分析

蔡敦锦，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)

基于有限单元法，依据轨枕实际受力情况建立有限元模型，对钢桁梁明桥面上设计铺设的以玻璃纤维与树脂为主要材料的合成轨枕强度进行分析，主要对合成轨枕的横向强度、纵向强度和合成轨枕材料对螺纹道钉的抗拔强度随合成轨枕尺寸变化的规律进行分析，研究结果表明：在合理尺寸范围内，合成轨枕尺寸的变化对其横向强度与纵向强度各方向的应力影响较小；合成轨枕的横向强度与纵向强度能满足规范要求。对合成轨枕纵向强度分析得出，合成轨枕沿玻璃纤维方向的强度预留不足，建议提高合成轨枕沿玻璃纤维方向强度。对合成轨枕抗拔强度分析得出，在合理尺寸范围内，随合成轨枕宽度增加，垂直方向螺纹平均拉应力随之减小，但减小率较小；随厚度增加，轨枕纵向最大拉应力整体为递减趋势；随着合成轨枕尺寸变化，其他各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满抗拔强度的要求。

合成轨枕；树脂；有限元；玻璃纤维

目前在我国钢桁梁桥上大量使用木枕作为轨道结构的一部分。木枕主要是弹性好；易加工；运输、铺设、养护维修方便；与钢轨连接比较简单；有较好的绝缘性等。但木枕要消耗大量优质木材，资源有限，不利于环保，此外木枕易腐朽、磨损，使用寿命短，强度、弹性不完全一致。针对木枕的一些缺点，一些国家尝试研究以高分子为原材料的合成轨枕，并取得了一定的成果。其中日本铁路使用铺设合成轨枕比较广泛，且运营效果良好；我国一些城市地铁也有铺设合成轨枕的先例。

合成轨枕的主要优点有：质量轻、强度高、不易腐蚀；施工方便、易于维修；使用寿命长且环保。缺点主要有：价格高、国内产品尚未成熟；应用于不同运营条件下的扣件系统需要再开发等。国内已经有厂家对合成轨枕进行了一系列的研究，并已经生产出成品。国内生产的树脂合成轨枕见图1。对于以高分子材料为主的合成轨枕的研究有着重要、深远的意义[1-5]。本文是在《钢桁梁明桥面合成轨枕结构初步设计及其受力分析》论文结论：“在钢桁梁上铺设树脂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”[6](以下简称论文结论)与《中华人民共和国城镇建设行业标准-聚氨酯泡沫合成轨枕》相关实验规范基础上[7]，根据圣维南原理简化模型；并基于结构力学有限元法对国内某厂家新开发的以玻璃纤维合成树脂为主要材料的合成轨枕的强度进行分析[8-12]，作为合成轨枕在钢桁梁桥上推广使用的一个参照。

图1 钢桁梁明桥面上使用合成轨枕(有底槽)

1 合成轨枕材料参数

合成轨枕材料参数见表1。定义X方向为沿玻璃纤维的方向，Y方向为合成轨枕的横向，Z为合成轨枕的垂直方向；合成轨枕强度限值见表2。

表1 合成轨枕材料参数

由合成轨枕材料的参数列表可以看出：合成轨枕材料属性为各向异性；其X方向与Y、Z方向的弹性模量、泊松比及剪切弹性模量均不同；Y、Z方向上具有相同的属性。在进行合成轨枕各工况下强度理论分析时，要分别对合成轨枕顺玻璃纤维方向(X方向)和垂直玻璃纤维方向(Y或Z方向)的应力强度进行分析(对合成轨枕材料的X、Y、Z方向分别进行理论应力强度分析)。

由表2可以看出，合成轨枕沿玻璃纤维方向的极限强度要比垂直玻璃纤维方向的极限强度大得多，尤其是其沿玻璃纤维方向的抗拉性能远大于混凝土轨枕与木枕。

表2 合成轨枕的强度限值 MPa

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

采用有限单元法建立合成轨枕与螺栓的实体模型。其中，合成轨枕与螺栓均采用实体单元solid45模拟。采用合成轨枕上配套设计的一种小阻力扣件系统作为模型的实际原型，扣件系统组成为：弹条、轨距挡板、挡板座、轨下垫板、铁垫板、调高垫板、T型螺栓及锚固螺栓等。依据实际情况与合理的简化，建立4个螺栓锚固在合成轨枕上的计算模型，据此模型采用不同的荷载工况并改变模型尺寸，分别分析合成轨枕的横向强度、纵向强度及其抗拔强度随着轨枕尺寸变化的规律。合成轨枕的计算模型见图2。

图2 合成轨枕横向强度实体模型

图2模型中，合成轨枕与螺栓的接触面共面，即合成轨枕与螺栓间采用glue命令粘接。根据《钢桁梁明桥面合成轨枕结构初步设计及其受力分析》的结论，在轨枕合理尺寸范围内分别改变合成轨枕的宽度与厚度，分析其各向强度随宽度和厚度变化的规律；荷载工况均采用实际情况下可能会发生的最不利荷载；根据实际情况模拟轨枕受到的约束，全约束轨枕底面。由于合成轨枕有无底槽对本文所研究的轨枕强度没有影响，所以本模型中忽略了轨枕底槽的影响，模型中轨枕没有底槽。钢桁梁桥上合成轨枕长度较长，建模时建立一半的轨枕进行受力分析;经过检算，对合成轨枕底面全约束与同时全约束合成轨枕底面和两端面;两种约束方法对应的计算结果值相差均小于0.5 MPa，因此取一半的合成轨枕进行受力分析较为合理，这也说明了全约束合成轨枕底面较为合理。

2.2 模型参数

考虑在钢桁梁桥上采用某种小阻力扣件铺设合成轨枕时的合理尺寸宽度最小为260 mm，厚度最小为220 mm，以最小合理尺寸建立一半的轨枕模型，其轨枕模型尺寸为：长×宽×厚=1 500 mm×260 mm×220 mm。

参照《中华人民共和国城镇建设行业标准—聚氨酯泡沫合成轨枕》中试验方案采用的螺栓与配套设计的某种小阻力扣件；螺栓直径为22 mm；螺栓长190 mm；埋入轨枕深度110 mm。某种小阻力扣件的相关尺寸为：螺栓纵向(沿轨枕长度方向)间距为362 mm，其横向(沿轨枕宽度方向)间距为148 mm，按锚固螺栓实际锚固位置，在模型中确定锚固螺栓的位置。

3 合成轨枕尺寸对其横向强度的影响

3.1 荷载工况

由于钢桁梁桥存在梁轨相互作用，为了避免梁轨相互作用带来的不利影响，所以基本轨上扣件选择有两种方案：一是常阻力扣件配合使用伸缩调节器；另一种是使用小阻力扣件。由于分析的是轨枕横向强度，所以选择扣件纵向阻力较大的情况即选择常阻力扣件检算合成轨枕强度是能够满足要求的。拟采用我国弹条Ⅱ型分开式扣件，扣件的纵向阻力为16 kN/组，考虑实际可能的不利情况即钢轨相对铁垫板滑动时产生的纵向阻力全部依靠一根螺栓传递到轨枕上，即在模型中对一根螺栓施加16 kN的横向力(Y方向的力)。

3.2 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，计算锚固螺栓在16 kN横向作用下的合成轨枕的宽度分别为260、270、280、290、300 mm时的应力，分析合成轨枕宽度对合成轨枕横向强度的影响，结果如图3所示。

图3 合成轨枕宽度的影响

由图3可以看出，从总体来看，随着合成轨枕宽度的增加(以下简称“随宽度增加”)，各方向的最大拉、压应力变化较小，均在一个较小的范围内变化。从图3也可以看出，Y方向的最大拉应力比Z方向的最大拉应力大的多，约是2倍关系；这是因为轨枕受到螺栓Y方向的作用力。除在宽度为260 mm时X方向最大拉应力为17.11 MPa，其他宽度时，X方向最大拉应力在12～13 MPa范围变化，远小于极限强度100 MPa；随宽度的增加，最大压应力均在10～12 MPa，远小于极限强度40 MPa；X方向最大拉、压应力均在宽度为280 mm时最小；在合成轨枕宽度从260 mm增加到270 mm时，X方向最大拉应力减少值较大，减少了5.3 MPa，以后随宽度的增加，其最大拉应力变化较为平稳；不同宽度下X方向最大拉应力均比压应力大，约大1.5 MPa。Y方向最大拉应力较最大压应力约大6～8 MPa；随宽度增加，最大拉应力在10～12.5 MPa范围内变化，小于极限强度15 MPa；随宽度增加，最大压应力在4～6 MPa范围内变化，小于极限强度15 MPa。Z方向最大拉应力较最大压应力约大0～1 MPa；随宽度增加，最大拉应力在7 MPa附近；最大压应力在6.5 MPa附近，最大拉、压应力均小于极限强度15 MPa。

3.3 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，计算锚固螺栓在16 kN横向力作用下的合成轨枕的厚度分别为220、240、260、280、300 mm时的应力，分析合成轨枕厚度对合成轨枕横向强度的影响，结果如图4所示。

图4 合成轨枕厚度的影响

由图4可以看出，随着厚度的增加，除X方向最大拉应力的范围变化较大，在12.5～19 MPa外，但也远小于极限强度100 MPa，其他各方向的最大拉、压应力均在某一值附近波动。X方向最大压应力10～12.5 MPa范围内变化，远小于极限强度40 MPa。Y方向最大拉应力约是最大压应力的2～3倍；随着厚度增加，最大拉应力在10.5～13 MPa范围内变化，最大压应力在4.5 MPa上下波动，均小于极限强度15 MPa。Z方向最大拉应力与最大压应力值较为相近，均在6 MPa左右，最大拉应力相对最大压应力整体大一些，但均小于极限强度15 MPa。

综上，在合理尺寸范围内，合成轨枕尺寸的变化对合成轨枕横向强度影响较小；其各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满足常阻力扣件条件下横向强度的要求，但考虑到行车时的冲击作用，建议采用小阻力扣件。

4 合成轨枕尺寸对其纵向强度的影响

4.1 荷载工况

参照各种轨枕，考虑到预留一定的安全系数，相应的纵向强度模型的荷载取值为：P=30 kN(30 t重载列车的垂向力为300 kN，一侧受力为150 kN，按惯例考虑0.8的系数后得横向力为120 kN，横向力由4根螺栓传递到轨枕上，所以每根螺栓受力为30 kN)。

4.2 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，计算锚固螺栓在30 kN纵向力作用下的合成轨枕的宽度分别为260、270、280、290、300 mm时合成轨枕的应力，分析合成轨枕宽度对合成轨枕纵向强度的影响，结果如图5所示。

图5 合成轨枕宽度的影响

由图5可以看出，随着宽度增加，各方向的最大拉、压应力均在某一值附近波动。由于受到纵向力作用及X方向弹性模量较其他方向大得多，X方向最大拉、压应力较其他方向的拉、压应力要大得多；尤其X方向最大拉应力在75～100 MPa范围内变化，小于其极限强度100 MPa，但最大拉应力接近其极限强度，所以建议进一步研发，以提高合成轨枕沿玻璃纤维方向拉应力限值；X方向最大压应力在25～30 MPa范围内变化，小于其极限强度40 MPa；最大拉应力是最大压应力的2～3倍。Y方向最大拉、压应力值相近，均在2 MPa左右，远小于其极限强度15 MPa。Z方向的最大拉、压应力值也相近，均在4～7 MPa上下波动，小于其极限强度15 MPa。

4.3 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，计算锚固螺栓在30 kN纵向力作用下的合成轨枕的厚度分别为220、240、260、280、300 mm时的应力，分析合成轨枕厚度对合成轨枕纵向强度的影响，结果如图6所示。

图6 合成轨枕厚度的影响

由图6可以看出，随着厚度增加，各方向应力变化不大。X方向最大拉应力较大，在90 MPa上下波动，小于极限强度100 MPa；最大压应力在25 MPa附近波动，小于极限强度40 MPa；Y方向应力均在2 MPa左右，小于极限强度15 MPa。Z方向应力均在5 MPa左右，小于极限强度15 MPa。

综上，在合理尺寸范围内，合成轨枕尺寸的变化对合成轨枕纵向强度影响较小；其各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满足纵向强度的要求。纵向的最大拉应力较为接近极限强度，建议提高合成轨枕沿玻璃纤维方向强度。

5 合成轨枕尺寸对其抗拔强度的影响

5.1 荷载工况

参照《中华人民共和国城镇建设行业标准—聚氨酯泡沫合成轨枕》中的抗拔试验部分，由于主要研究的是轨枕材料对道钉的抗拔能力，即合成轨枕材料能否满足在40 kN抗拔力作用下，合成轨枕所受的大部分应力强度不会达到或超过合成轨枕材料的极限强度。对模型中螺栓施加40 kN垂直向上的力。

5.2 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，计算锚固螺栓在40 kN垂直向上力作用下的合成轨枕的宽度分别为260、270、280、290、300 mm时合成轨枕的应力，分析合成轨枕宽度对合成轨枕抗拔强度的影响，结果如图7所示。

图7 合成轨枕宽度的影响

由图7可以看出，随着宽度增加，Z方向螺纹平均拉应力随之减小;宽度在260～280 mm时，Z方向平均拉应力随着宽度增加降低较快，最大为13.8 MPa，接近极限强度15 MPa；从提高合成轨枕抗拔强度的角度出发，建议合成轨枕宽度不小于270 mm；在宽度增加到280 mm及280 mm之上时，Z方向螺纹平均拉应力趋于平缓，在5 MPa左右;Z方向最大拉应力均发生在轨枕螺栓孔的螺纹尖端部位，最小为15.6 MPa，最大为26.1 MPa，大于极限强度15 MPa，螺纹尖部会破损。除了宽度为260、270 mm时，X、Y方向最大拉应力较大外；随宽度增加，X、Y方向应力均远小于其对应的极限强度；从提高合成轨枕抗拔强度的角度出发，建议合成轨枕宽度不小于270 mm。

5.3 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，计算锚固螺栓在40 kN垂直向上力作用下的合成轨枕的厚度分别为220、240、260、280、300 mm时的应力，分析合成轨枕厚度对合成轨枕纵向强度的影响，结果如图8所示。

图8 合成轨枕厚度的影响

由图8可以看出，随厚度增加，X方向最大拉应力整体为递减趋势，最大拉应力为46.3 MPa，小于极限强度。随厚度增加，Z方向螺纹平均拉应力呈递减趋势，但减小率较小。随着厚度增加，其他各方向的应力均在某定值上下波动；可见随厚度增加，对其他方向应力影响可以忽略。X方向最大拉应力在7 MPa上下波动，波动幅度小于1 MPa，小于极限强度40 MPa。Y方向最大拉应力在8 MPa上下波动，波动幅度小于1 MPa，小于极限强度15 MPa；Y方向最大压应力在3.5 MPa上下波动，波动幅度小于0.5 MPa，小于极限强度15 MPa。Z方向最大拉应力最小值为23.0 MPa，最大值为27.6 MPa，远大于极限强度15 MPa；由于最大拉应力均发生在轨枕螺栓孔的螺纹尖端部位，所以尖端容易破坏。Z方向最大压应力在8.5 MPa上下波动，波动幅度小于0.5 MPa，小于极限强度15 MPa；Z方向螺纹平均拉应力在11.5 MPa上下波动，波动幅度小于2.5 MPa，小于极限强度15 MPa，但较为接近极限强度。可以认为合成轨枕的抗拔强度能达到40 kN。

综上，在合理尺寸范围内，随合成轨枕宽度增加，Z方向螺纹平均拉应力随之减小。随厚度增加，X方向最大拉应力整体为递减趋势；Z方向螺纹平均拉应力呈递减趋势，但减小率较小。随着合成轨枕尺寸变化，其他各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满足抗拔强度的要求。

6 结论及建议

(1)由于伸缩调节器施工和养护维修的复杂性，建议钢桁梁明桥面上铺设合成轨枕时在可能的情况下尽量采用小阻力扣件系统，以保证合成轨枕横向强度能满足要求。

(2)横向强度分析得出：在合理尺寸范围内，合成轨枕尺寸的变化对合成轨枕横向强度影响较小；其各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满足横向强度的要求。

(3)纵向强度分析得出：在合理尺寸范围内，合成轨枕尺寸的变化对合成轨枕纵向强度影响较小；其各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满足纵向强度的要求。

(4)合成轨枕纵向强度分析得出：纵向的最大拉应力较为接近极限强度，建议提高合成轨枕沿玻璃纤维方向强度。

(5)抗拔强度分析得出：在合理尺寸范围内，随合成轨枕宽度增加，垂直方向螺纹平均拉应力随之减小。随厚度增加，X方向最大拉应力整体为递减趋势；Z方向螺纹平均拉应力呈递减趋势，但减小率较小。

(6)抗拔强度分析得出：随着合成轨枕尺寸变化，其他各方向的应力变化不明显；合成轨枕能满抗拔强度的要求。

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Strength Analysis of Resin Synthesis Sleeper

CAI Dun-jin， WANG Ping

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

Based on the theory of finite element， the strength of the synthesis sleeper， which is mainly consisted of glass fiber and resin to be paved on the deck of the steel truss bridge， is analyzed. The analysis focuses on the changing of the laws governing the transverse tensile strength， longitudinal strength of the synthesis， and the material of the synthesis against the pull strength of the spike. The results have shown that in the range of reasonable size， the changing of synthesis sleeper rules has little effect on the transverse tensile strength and the longitudinal strength; the transverse tensile strength and the longitudinal strength of the sleeper can meet the specification requirements. The analysis of the sleeper longitudinal strength shows that the reserve strength along the glass fiber direction of the sleeper is not enough， and the strength along the glass fiber direction of the sleeper should be improved. The analysis of the pull strength of the sleeper indicates that the vertical average tensile stress of the sleeper screw thread decreases with the increase of the sleeper width in the range of reasonable size， but the decrease rate is small. With the increase of the sleeper thickness， the maximum longitudinal tensile stress of the sleeper tends to decease. With the changing of synthesis sleeper dimensions， the changing of stress in other directions is not obvious. The sleeper can meet the requirements for the pull strength of the synthesis sleeper．

Synthesis sleeper; Resin; Finite element; Glass fiber

2014-09-26；

2014-11-04

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

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

1004-2954(2015)07-0050-05

U213.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.012