重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

尤瑞林，王继军，杜香刚，刘海涛

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

尤瑞林，王继军，杜香刚，刘海涛

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

弹性支承块式无砟轨道结构整体弹性较好，有利于降低轮轨相互作用力并减缓对隧道基底的振动冲击，是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。但弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨，其保持轨道几何状态，尤其是保持轨距的能力相对较弱。本文通过有限元模型计算，结合室内相关试验结果，研究分析了重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素。结果表明:增大支承块的长度、宽度以及埋深，可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;当支承块埋深不变时，增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利;增大支承块套靴侧向刚度，可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度，轨距扩大不断减小，但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角，对支承块的几何状态影响不大，而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大，对钢轨转角的影响较小。

重载铁路 弹性支承块式无砟轨道 轨距保持能力 影响因素

目前，国内外重载铁路大都采用有砟轨道结构，随着列车轴重和线路运量的提高，轨道的维修工作更趋频繁，但繁忙的货运铁路，天窗兑现率越来越低，可用于线路养护维修的时间较短，难以对线路病害进行及时维修，尤其是在长大隧道内，有砟轨道结构养修作业更加困难。若在长大隧道内采用无砟轨道结构，则具有降低隧道净空，结构耐久性强，维修工作量少，维护费用低，轨道结构稳定性、连续性和平顺性好等优点［1-2］。我国正在研究编制的重载铁路设计规范中也推荐在长大隧道内采用无砟轨道结构。目前，国内外应用的无砟轨道种类较多，经对比分析，弹性支承块式无砟轨道结构综合性能良好，在我国客货混运线路隧道内已有一定规模的应用，施工和养护维修方面已积累了较多经验。从现场调研和国内外试验情况看，弹性支承块式无砟轨道结构整体状态较好，是重载铁路长大隧道内一种较为适宜的轨道结构形式。

弹性支承块式无砟轨道由钢轨、扣件、道床板、混凝土支承块、支承块下橡胶垫板以及橡胶套靴组成，采用两个独立的弹性块体支承钢轨，由于两个弹性支承块相互之间无联系，其保持轨道几何状态，尤其是保持轨距的能力相对较弱［3-5］。本文结合室内相关试验结果，通过有限元模型计算，研究重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素，分析其对于重载条件的适用性，为我国重载弹性支承块式无砟轨道结构的设计提供参考。

图1 单节点弹性支承块式无砟轨道有限元模型

1 有限元模拟与室内试验

1.1 单节点实尺模型计算及室内试验

为准确计算不同荷载条件下弹性支承块式无砟轨道结构轨距保持能力，本文建立有限元模型(图1)进行分析，模型中钢轨、支承块、道床及下部基础均采用实体单元模拟;扣件垂向及横向刚度采用弹簧单元模拟;支承块与道床板之间为接触关系，其四周接触刚度为套靴的侧向刚度，底部接触刚度为块下橡胶垫板的刚度。另外，为更好分析垂向及横向荷载共同作用下钢轨倾翻对轨距变化的影响，在钢轨轨底两侧弹条扣压点位置建立非线性弹簧单元，在钢轨倾翻过程中通过两侧弹簧单元受力方向的变化来模拟弹条的扣压力及轨下垫板的刚度。

根据室内试验实际工况，参考欧洲、澳大利亚以及我国扣件系统的相关试验方法拟定两种荷载方案。方案1采用高度为161 mm的钢轨，两股钢轨上分别施加比值为1∶0.5的垂向与横向荷载［6-7］，如图2(a)所示。方案2采用高度为100 mm的钢轨，两股钢轨上分别施加比值为1∶1的垂向与横向荷载［8］，如图2(b)所示。

图2 两种荷载方案

弹性支承块式无砟轨道轨距变化主要是由于支承块横向间距变化、钢轨以及支承块倾翻等引起。两种加载方案下轨道结构轨距保持能力相关指标的试验及计算结果分别见表1和表2。

表1 单节点实尺模型加载方案1试验及计算结果对比

表2 单节点实尺模型加载方案2试验及计算结果对比

对比表1和表2可以看出:方案1的轨距扩大大于方案2;而方案2支承块横向间距扩大大于方案1;两种加载方案中钢轨转角以及支承块转角差别不大。方案1轨距扩大较大主要是由于试验用钢轨的高度大于方案2;而方案2的横向荷载与垂向荷载比值大于方案1，因此支承块横向间距扩大相对更大。在不同荷载条件下，对于轨道模型轨距扩大、钢轨转角、支承块转角等轨距保持能力指标的理论计算与试验结果变化规律一致，轨距扩大较为接近，验证了计算模型的适用性。

1.2 多节点有限元计算模型

根据单节点实尺模型试验结果，结合重载弹性支承块式无砟轨道结构特点，建立多节点有限元计算模型(图3)，基本计算参数见表3。

图3 多节点有限元计算模型

既有的试验测试数据表明:高速车辆在直线上运行时的轮轨横向力大约是轮轨垂向力的10%～15%;高速车辆在大半径曲线上运行时的轮轨横向力大约是轮轨垂向力的25%～35%;普速车辆在小半径曲线上运行时的轮轨横向力约为轮轨垂向力的30%～45%［9-10］。基于以上试验数据的分析，针对重载线路曲线半径相对较小的特点，在有限元模型计算中将轮轨横向和垂向荷载比值取为0.4，其中单股钢轨承受的横向荷载按100 kN计，相应垂向荷载为250 kN，采用单轴加载方式。

表3 模型基本计算参数

2 影响因素分析

2.1 支承块尺寸对轨距保持能力的影响

在其它参数保持不变的情况下，分别改变支承块长度、宽度、高度及埋深等型式尺寸设计参数，计算出轨距保持能力相关指标，见表4。

表4 支承块尺寸对轨距保持能力的影响

由表4可以看出:

1)随着支承块长度的增加，支承块横向间距扩大、轨距扩大不断减小;钢轨转角和支承块转角有所降低。

2)随着支承块宽度的增加，支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角均呈下降趋势，但影响不明显，支承块宽度在(300±40)mm范围内变化时，轨距扩大的变化率在5%范围内。

3)当支承块埋深不变，增大支承块高度时，支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角不断增大。

4)随着支承块埋深的不断加大，支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角不断减小。

2.2 轨道部件刚度对轨距保持能力的影响

在其它参数保持不变的情况下，分别改变套靴侧向刚度、轨下垫板刚度及支承块下垫板刚度等轨道部件刚度设计参数，计算出轨距保持能力相关指标，见表5。

表5 轨道部件刚度对轨距保持能力的影响

由表5可以看出:

1)随着支承块套靴侧向刚度的增加，支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角不断减小。

2)随着轨下垫板刚度的增加，轨距扩大和钢轨转角不断减小，而支承块横向间距扩大没有变化，支承块转角稍有增大，但影响很小。可见，轨下垫板刚度的变化主要是对轨距扩大及钢轨转角有影响，对支承块几何状态的影响较小。

3)随着支承块下垫板刚度的增加，支承块横向间距扩大和轨距扩大有所降低，支承块转角稍有增大，但影响不大，对钢轨转角的影响较小。

3 结论

本文通过弹性支承块式无砟轨道结构单节点实尺模型计算结果与室内试验结果的对比，验证了模型的正确性，并在此基础上建立多节点实尺模型分析支承块尺寸及轨道部件刚度对其轨距保持能力的影响规律。分析结果表明:

1)增大支承块的长度、宽度以及埋深，可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;而当支承块埋深不变，增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利。

2)增大支承块套靴侧向刚度，可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度，轨距扩大不断减小，但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角，对支承块的几何状态影响不大，而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大，对钢轨转角的影响较小。

通过本文计算，可以看出各种工况中轨道结构的最大轨距扩大均不超过5.5 mm。目前我国并未发布重载铁路轨距限值的相关规范，参考既有相关标准［11］，动态轨距扩大按+8 mm计(Ⅰ级保养;最高速度vmax≤120 km/h)。可见，弹性支承块式无砟轨道轨距扩大值能够满足此要求，且具有一定安全储备。

［1］赵国堂．高速铁路无碴轨道结构［M］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］卢祖文．客运专线铁路轨道［M］．北京:中国铁道出版社，2005．

［3］王继军，尤瑞林，杜香刚，等．重载铁路隧道内无砟轨道结构选型分析［J］．铁道建筑，2013(5):132-136．

［4］徐鹏，蔡成标．山西中南部铁路隧道内无砟轨道结构动力学选型研究［J］．铁道建筑，2013(12):103-105．

［5］高兴江．重载铁路弹性支承块式无砟轨道施工技术［J］．铁道建筑技术，2014(3):43-47．

［6］BritishStandardsInstitution．EN 13146-4—2002Railway Applications-Track-Test Methods for Fastening Systems-Part4: Effect of Repeated Loading［S］．London:British Standards Institution，2010．

［7］Standards Australia International Limited．AS 1085.19—2003 RailwayTrackMaterial-Part19:ResilientFastening Assemblies［S］．Sydney:Standards Australia International Limited，2003．

［8］中华人民共和国铁道部．TB/T 2491—94扣件组装疲劳试验方法［S］．北京:中国铁道出版社，1994．

［9］中国铁道科学研究院，成都铁路局，铁道第二勘察设计院．遂渝线无砟轨道试验段综合试验报告［R］．北京:中国铁道科学研究院，2007．

［10］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，太原铁路局．30吨轴重货车重载线路技术［R］．北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2008．

［11］中华人民共和国铁道部．铁运［2006］146号铁路线路维修规则［S］．北京:中国铁道出版社，2008．

Calculation analysis of gauge-keeping ability of elastic bearing block-type ballastless track on heavy haul railway

YOU Ruilin，WANG Jijun，DU Xianggang，LIU Haitao
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he overall elasticity of elastic ballastless track structure is good and is the appropriate track structure for long tunnel of heavy haul railway，which could reduce the wheel rail interaction forces and slow down the vibration impact on tunnel base．Elastic bearing block-type ballastless track has two independent elastic blocks bearing the rails and has weak ability of keeping track geometric status especially the gauge．T hrough infinite model calculating，the gauge-keeping ability influencing factor of elastic bearing block-type ballastless track under heavy load was studied by combing with the related indoor test results．T he results showed that increasing bearing block's length，width or embedded depth can reduce the bearing block horizontal space widening，the gauge widening，rail angle and bearing block angle，increasing the concrete block's height is not beneficial to the gauge widening and rail angle and concrete block angle control with constant embedded depth，increasing the concrete block's gumshoe lateral stiffness can reduce the concrete block's horizontal space widening，the gauge widening，rail angle and concrete block angle，increasing the stiffness of the rail's pad and the concrete block's pad can reduce the gauge widening，increasing the stiffness of rail's pad is mainly to reduce the rail angle and has little effect on the concrete block's geometric status，and increasing the stiffness of the concrete block's pad is mainly to reduce the concrete block's horizontal space widening and has little effect on the rail angle．

Heavy haul railway;Elastic bearing block-type ballastless track;Gauge-keeping ability;Influencing factor

U213．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．31

1003-1995(2015)03-0110-05

(责任审编葛全红)

2014-05-20;

2014-09-10

铁道部科技研究开发计划项目(2011G028-C)

尤瑞林(1986—)，男，安徽宿州人，助理研究员，硕士。