35.7 t轴重重载铁路轨道关键设计参数研究

常卫华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

35.7 t轴重重载铁路轨道关键设计参数研究

常卫华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

我国面临着发展重载铁路和承担海外重载铁路的设计任务,美国、加拿大、澳大利亚等国重载铁路的轴重普遍达到35.7 t,结合海外项目,以35.7 t轴重货车为例,对此轴重条件下的轨道结构主要设计参数进行研究。轴重的提高对重载铁路轨道部件提出更高的要求。采用商业有限元软件ANSYS,建立轨道-路基系统有限元模型,主要研究钢轨类型、轨下垫板刚度、道床状态、路基基床参数对35.7 t轴重货车的轨道结构静力学特性的影响,为轴重35.7 t轨道结构的关键参数选取提供建议。

重载线路；钢轨类型；轨下垫板刚度；道床状态；路基基床状态；设计参数

我国面临着发展重载铁路和承担海外重载铁路的设计任务，美国、加拿大、澳大利亚等国重载铁路的轴重普遍达到35.7 t[1-2]，结合海外项目，以轴重35.7 t货车为例，对此轴重条件下的轨道结构主要设计参数进行研究。

1 建立轨道-路基系统有限元模型

1.1 计算参数

所采用的基准计算参数如下。

钢轨：75 kg/m钢轨，弹性模量为2.0×105MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。

轨枕及扣件：2.6 m长Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕，间距1 667根/km，弹性模量为3.5×104MPa，泊松比0.167，密度2 750 kg/m3；扣件动刚度170 kN/mm。

道床：碎石道砟，顶面宽度3.6 m，道床厚度0.35 m，边坡坡度1∶1.75，弹性模量140 MPa，泊松比0.27，密度2 000 kg/m3。

路基基床：顶面宽度7.7 m，基床表层厚度0.6 m，基床底层厚度1.9 m，边坡坡度1∶1.5。

35.7 t重载铁路轨道关键设计参数方案见表1。

表1 轨道关键设计参数方案

以澳大利亚35.7 t货车荷载列为例，按照最不利荷载作用位置，考虑前车的后转向架和后车的前转向架组成的荷载列，见图1，动力系数取1.66。

图 1 澳大利亚35.7 t货车荷载分布(单位：m)

1.2 计算模型

利用ANSYS有限元软件，钢轨、轨枕采用梁单元模拟；道床、路基采用实体单元模拟，建立钢轨-轨枕-道床-路基空间耦合计算模型，如图2所示。

图2 有砟轨道结构有限元模型

2 重载轨道结构关键参数分析

2.1 钢轨类型分析

在货车轴重为35.7 t的条件下，其他参数采用基准参数，钢轨分别采用60、68、75 kg/m钢轨进行计算分析[6-7]，轨道结构受力结果见表2。

由表2可见，钢轨类型对钢轨应力的影响是最显著的。采用重型钢轨明显的减小钢轨应力。采用75 kg/m的钢轨相对于60 kg/m的钢轨，相同条件下，轨头、轨底应力减小了约14%。能够有效改善钢轨轨头的受力状态，对于由弯矩引起的轨底应力也是有利的。故在钢轨选型上，采用重型钢轨可以降低轮轨接触应力，减少轨头、轨底病害的发生。

表2 钢轨类型的影响

而且，随着钢轨质量的提高，轨枕、道床及路基的受力均有所降低。可以看出，采用重型钢轨对整个轨道结构都是有利的。

对于钢轨位移，鉴于目前没有普速及重载铁路动态验收相关标准，参考国内重载铁路轨道的状况及运营经验并结合高速铁路工程动态验收指导意见(铁建设[2010]214号)中的要求，暂定钢轨挠度限值为2.5 mm。

针对35.7 t轴重货车，从轨道结构静力分析角度上，不建议采用60 kg/m钢轨，因其垂向位移已超出2.5 mm的限值标准，应优先选用75 kg/m的钢轨。这样可以有效地改善轨头、轨底的受力情况。此外，钢轨的材质也需要提高，耐磨性也需要增强。

2.2 轨下垫板刚度分析

轨下胶垫刚度的合理取值是重载线路设计的重要部分。在35.7 t轴重作用下，模型中轨下胶垫动刚度分别取90、130、170 kN/mm及200 kN/mm[8-9]，轨道结构各部件的受力结果见表3。

表3 轨下垫板刚度的影响

由表3可见，随着轨下垫板刚度的增大，变化最明显的是钢轨受力及变形。轨下垫板刚度由90 kN/mm增加到200 kN/mm时，钢轨的垂向位移减小了19.4%；钢轨轨头、轨底应力减小了约9.6%。

可以看出，轨下垫板刚度的增大，能够减小轨道结构的变形，使钢轨受力减小，对钢轨的使用状态是有利的。

由表3线性插值，轨下垫板动刚度159 kN/mm时，钢轨垂向位移最大值达到2.5 mm。因此，轨下垫板静刚度应满足96 kN/mm以上。

我国既有普速货运重载线路轨下胶垫的刚度为80～120 kN/mm，国外重载线路轨下胶垫刚度值一般都在400 kN/mm，轨下胶垫刚度偏低会使轨道结构的变形较大，从而导致许多问题的出现。建议运量较大的重载铁路应使用刚度较大的轨下胶垫，特别是无缝线路区段，小半径曲线上，钢筋混凝土轨枕地段，铺设刚度较大的轨下垫板有利于线路稳定，有利于维修养护。但不是说轨下胶垫的刚度越大越好，从表3中可以看出，随着轨下胶垫刚度的增加，道床及路基应力会相应变大。因此对轨下胶垫的刚度要进行合理的设计。

2.3 道床厚度分析

道床厚度的合理取值是重载线路设计的重要部分。在35.7 t轴重作用下，模型中道床厚度取30、35 cm[10]，轨道结构各部件的受力结果见表4。

表4 道床厚度的影响

由表4可见，道床厚度的变化对路基表层的受力影响最大。随着道床厚度的增大，钢轨和轨枕的受力影响甚微，主要是使道床和路基的应力降低，路基基床表层应力降低的最为明显。

故在重载线路中保证道床的厚度可以延长路基的使用寿命，控制翻浆冒泥等病害的发生。道床厚度加大也会延长道床的清筛周期，减少日常的维修工作量。

道床厚度增加，轨道变形增大，说明道床刚度减小。由表4推算，道床厚度达到49 cm时，钢轨变形达到限值2.5 mm，因此，道床厚度宜控制在49 cm以下。

适当增加道床厚度，可提高道床弹性，但道床厚度超过40 cm，其作用也不大，反而浪费资源。从这一角度分析，道床厚度以35 cm为宜。

2.4 道床弹性模量分析

碎石道床应具有一定的弹性，若道床刚度过大，会使车辆的冲击振动加剧，钢轨和轨枕的破损加重，甚至危及车辆的运行安全。但道床的刚度过小，轨道结构的变形会变大，对车辆的运行也是不利的。道床弹性模量的合理取值也是轨道结构设计的重要内容。

在35.7 t轴重的作用下，模型中道床弹性模量分别取70、90、110、140 MPa，计算结果见表5。

表5 道床弹性模量的影响

由表5可见，道床弹性模量的变化对轨枕和道床的受力影响最大。当道床弹性模量由70 MPa增加到140 MPa时，钢轨的垂向位移减小了10%。故道床的刚度太小会使道床变形过大，从而引起轨道动位移增大，加大了行车的阻力，对钢轨的使用状态也是不利的。

由表5线性插值，道床弹性模量124 MPa时，达到钢轨垂向位移允许值2.5 mm。故针对建立的轨道模型，道床弹性模量应控制在124 MPa以上，钢轨垂向位移才能满足限值要求。

当道床弹性模量由70 MPa增加到140 MPa时，轨枕和道床的受力增加较明显。轨枕弯矩增加了26.6%；道床应力增加了21.6%，这样会影响其使用状态。

因此，道床刚度的选值要在合理的范围内。为防止道床刚度过大，可以选用优质的道砟，耐磨性好的道砟可以控制其粉化，减小道床的脏污。而且要及时对道床清筛，使道床的级配合理，保持弹性良好的状态。

2.5 路基基床厚度分析

路基基床表层直接承受道床传来的动荷载，基床表层的填料类型及厚度的合理确定直接影响路基本体的使用寿命，同时能够有效防止基床翻浆冒泥、道砟囊袋、冻害等病害。

在35.7 t轴重的作用下，计算分为两种工况，工况1：路基基床厚度2.5 m，其中基床表层厚度0.6 m，基床底层厚度1.9 m；工况2：路基基床表层3.0 m，其中基床表层厚度0.7 m，基床底层厚度2.3 m，计算结果见表6。

表6 路基基床厚度的影响

由表6可见，基床厚度的增加对基床受力有利，基床表层厚度增加0.1 m，表面应力降低2.1%，减幅较小；基床底层厚度增加0.4 m，应力减低5.9%。

随着基床厚度增加，轨枕弯矩增加最显著，约11%，但未超过Ⅲ型轨枕弯矩允许值19.2 kN·m。基床厚度3.0 m，钢轨垂向位移达到2.624 mm，超过钢轨位移限值2.5 mm，可通过增大轨下垫板刚度、道床弹性模量等措施来减小钢轨位移，使其达标。

对于重载铁路，路基基床表层是直接承受道床传来的动荷载，基床表层厚度的合理确定直接影响路基本体的使用寿命。由表6可知，基床表层厚度0.6 m时，路基表面应力133.862 MPa，新建铁路路基面应力允许值为150 MPa，仅剩10%的安全余量，故建议针对35.7 t轴重的重载铁路路基基床表层厚度取0.7 m，基床底层厚度取2.3 m。

2.6 路基基床表层弹性模量分析

目前重载铁路基床表层填料类型主要包括：碎石、渗水土、改良土、A组改良土，主要区别在于材料强度不同，级配碎石强度最高。下面分别研究基床表层弹性模量110、150、190、210 MPa[11-12]情况下轨道结构静力响应，计算结果见表7。

由表7可见，基床表层弹性模量的变化对基床表层的受力影响最大。当基床表层弹性模量由110 MPa增加到210 MPa时，基床表层的垂向位移减小了14.3%。基床表层的刚度增大会减小其垂向变形，对基床使用状态是有利的。路基面的动变形过大，会导致表面防水或铺装层的开裂，降低基床表层的寿命和功能，造成上部轨道结构的疲劳损坏，道床维护困难，以及线路综合刚度平顺性差等问题，从而影响到列车运行。

表7 路基基床表层弹性模量的影响

当基床表层弹性模量由110 MPa增加到210 MPa时，基床表层的受力增加约5.8%，增加幅度不明显。

级配碎石材料弹性模量能达到190 MPa以上，比A组填料强度高，更易保持路基面使用状态，故基床表层材料建议采用强度更高的级配碎石。

3 结论

针对35.7 t轴重货车，分析钢轨类型、轨下垫板刚度、道床厚度、道床弹性模量、路基基床厚度与基床表层弹性模量对重载线路的影响规律，利用了钢轨-轨枕-道床-路基空间耦合模型计算分析，得到以下结论。

(1)重型钢轨明显减小钢轨轨头、轨底应力。随着钢轨质量的提高，轨枕、道床及路基的受力均有所降低。采用75 kg/m的钢轨相对于60 kg/m的钢轨，相同条件下，轨头、轨底应力减小了约14%。

故35.7 t轴重的轨道结构应优先选用75 kg/m的钢轨，不建议采用60 kg/m钢轨，因钢轨垂向位移超过限值。

(2)轨下垫板刚度增大明显减小轨道结构的变形，使钢轨的受力减小，对钢轨的使用状态是有利的。轨下垫板动刚度由90k N/mm增加到200 kN/mm时，钢轨的垂向位移减小了19.4%；钢轨轨头、轨底应力减小了约9.6%。针对本项目模型，轨下垫板静刚度应控制在96 kN/mm以上才能满足钢轨垂向位移限值。

(3)随着道床厚度的增大，钢轨和轨枕的受力影响甚微，主要是使道床和路基的应力降低，路基基床表层应力降低的最为明显。道床厚度增加5 cm，路基基床表层应力减小约5%。

适当增加道床厚度，可提高道床弹性，但道床厚度超过40 cm，其作用也不大，反而浪费资源。从这一角度分析，道床厚度以35 cm为宜。

(4)道床弹性模量增加，轨道结构的位移降低显著，对钢轨的使用状态是有利的。当道床弹性模量由70 MPa增加到140 MPa时，钢轨的垂向位移减小了10%。针对建立的轨道模型，道床弹性模量应控制在124 MPa以上，钢轨垂向位移才能满足限值要求。

道床弹性模量增加，轨枕和道床的应力会明显变大。因此道床刚度的选值要在合理的范围内。为防止道床刚度过大，减小道床的振动，可以选用优质的道砟，而且要及时对道床清筛，使道床的级配合理，保持弹性良好的状态。

(5)对于重载铁路，路基基床表层是直接承受道床传来的动荷载，基床表层厚度的合理确定直接影响路基本体的使用寿命。由表6可知基床表层厚度0.6 m时，路基表面应力133.862 MPa，新建铁路路基面应力允许值为150 MPa，仅剩10%的安全余量，故建议针对35.7 t轴重的重载铁路路基基床表层厚度取0.7 m，基床底层厚度取2.3 m。

(6)当基床表层弹性模量由110 MPa增加到210 MPa时，基床表层的垂向位移减小了14.3%。基床表层的刚度增大会减小其垂向变形，对基床使用状态是有利的。级配碎石材料弹性模量能达到190 MPa以上，比A组填料强度高，更易保持路基面使用状态，故基床表层材料建议采用强度更高的级配碎石。

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Study On Key Parameters of Heavy Haul Railway Track under 35.7t Axle Load

CHANG Wei-hua

(China Railway First Survey and Design Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

China is facing challenges of the development of heavy haul railway of the design for overseas projects. The axle load in heavy haul railways in USA, Canada, Australia and other countries has generally reached 35.7 tons. With reference to overseas projects with 35.7 t axle load of wagon, this paper studies the design parameters for track structures under heavy axle load. ANSYS, the finite element software, is adopted to establish the 3D computation model to identify the impact of the parameters related to rail type, stiffness of rail pad, ballast status, subgrade foundation bed on the static characteristics of track structure under 35.7 t axle load, and offers some suggestions on the design of the track structure under 35.7 t axle load.

Heavy-haul railway; Rail type; Rigidity of rail pad; Track bed status; Subgrade foundation bed status; Design parameter

2015-01-23

常卫华(1985—)，女，工程师，工学硕士，E-mail:275232418@qq.com。

1004-2954(2015)08-0047-04

U213.2+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.011