超重载轨道过渡段力学性能分析

王新明

(中铁十一局集团有限公司，湖北 武昌 430061)

重载铁路以其无可比拟的优势，已成为一些国家经济发展非常重要的物资运输手段[1−4]，尤其是对于那些物资需要长距离转运的国家[5]，如中国、美国和巴西等国重载铁路运输更是显得十分重要[6]。为了尽可能加大重载铁路的运量，各国一直在不断提高列车轴重。目前美国、澳大利亚等国重载货车轴重大都提高到32.5~35.7 t之间[7]，也正在研究和试验轴重为39 t的重载铁路的可行性[8]，相比而言，我国大秦线轴重仅仅是25 t左右[9]，而新建成的山西中南部铁路通道设计轴重也不过才 30 t[10]，正在修建的蒙华铁路的轴重也只有30 t，这与国际先进水平相比差距是相当明显的[11]，提高轴重将是我国重载铁路今后发展的趋势之一。在重载铁路的运输过程中，随着列车的轴重增加，轨道结构的损坏较以往严重，尤其是重载铁路沿线上不同轨道结构形式之间连接处自然成为了其薄弱处[12]，这是因为它们刚度的差异，导致在荷载的作用下不同轨道结构形式之间产生了不同程度的沉降差[13]，从而使得这些部位的损坏较普通的铁路区段更加严重[14]，随着我国重载铁路轴重的提高，使得过渡段的问题变得尤为突出。因此，对于重载铁路轨道过渡段的性能进行分析，以了解超重载轨道过渡段破损的机理与防治措施，提高重载铁路运行的安全性。本文以柘溪水电站过坝轨道系统为研究对象，研究设计轴重高达45 t过渡段处理措施。在理论分析的基础上对超重载轨道过渡段的橡胶~桥梁钢板组合缓冲结构进行数值模拟计算，验证了其适用性，为实际工程中的应用提供依据。

1　工程概况

1.1　工程现状

湖南柘溪水力发电站过坝滑道升船机系统为资江上运输船安全通过电站大坝服务。升船机系统由如下几部分组成：上、下游斜坡轨道、供承船车行走的平面段轨道，转盘及岔道、上下游引航道、卷扬机房及其它附属建筑物和机电设备。过坝的载货船只进入承船车，而承船车又坐落在斜架车上，斜架车由缆绳牵引从上(下)游的水中逐渐上升到坝顶，然后承船车进入坝顶轨道和转盘，转盘改变承船车的方向以后，承船车然后从转盘轨道上进入下(上)游的另外一个斜架车上，由缆绳牵引逐渐下移，进入下(上)游的水中，完成载货船只的过坝的过程。其设计极限运行能力按照180 t计算(其中承船车重40 t，船货共重140 t)，2个转向架，设计轴重为45 t，属于超重载货车。

该升船机系统长期处于超负荷运行工作状态，造成了岔道地段部分轨道已经下沉2~4 cm，尤其是不同轨道形式之间的过渡段处，在长期超重载的冲击作用下轨道结构破坏情况十分严重。钢架转盘与平台轨道的过渡段，图中平台轨道下端安装有钢板顶托，钢板通过焊接在其上的十多根插入轨下混凝土路基的钢筋固定，该钢板顶托的作用即是起到减缓重载冲击下钢轨下部混凝土路基的破坏的作用，但是这些过渡段的处理并不能满足实际需要。实际上，过渡段轨道的磨损比较大，基础部分破坏也比较严重。

1.2　过渡段设计

为了满足提高过坝能力的要求，对轨道过渡段进行了重新设计，以满足改造后超轴重(45 t)承船车在过渡段平稳运行的要求。该过渡段分为2部分：转盘部分和陆地部分，其中转盘部分的刚度和整个转盘的刚度一致，比较大，在承船车的作用下，轨道的竖向变形比较小，因此可以不考虑轨道的竖向沉降；而陆地部分，由于轨道的刚度远远大于地基的刚度，所以在轨道的接口处，竖向变形比较大。同时在承船车通过接口处时，由于地基部分轨道竖向沉降较大，使得接口处轨道的磨损较大。为了减少过渡段的磨损和提高承船车运行的平稳性，对地基部分的过渡段以增加其弹性变形为主，具体设计结构示意图如图1和图2所示。

图1　连接处端部1.2 m范围内横剖面图Fig. 1　Cross section map of connection point in 1.2 m

图2　整体纵向剖面图Fig. 2　Longitudinal profile of whole join point

在设计中，需要校核橡胶板的强度在各种工况条件下是否满足要求，然后进行理论分析，对过渡段受力状况进行数值模拟仿真分析，研究影响变形的各种因素。

设计参数

1) 轮载：承船车有2个转向架，轴距为0.94 m，取安全系数1.2后的单轮压为F=270 kN；

2) 橡胶垫板在静荷载作用下，许用应力σc=(2~5)Δ；在短时间冲击荷载的作用下，许用应力σc=(1.5~5)Δ；其中Δ=(4~5)G，G为橡胶剪切模数，约为0.5 N/mm2。因此，设计的许用应力为σc=1.5×4G=3 MPa；橡胶的弹性模量E=0.007 8 GPa。

图3　工况1Fig. 3　Working condition 1

图4　工况2Fig. 4　Working condition 2

工况 1：承船车的一个车轮刚驶上平台过渡段(见图3)，此时橡胶垫板承受压力为：

工况 2：承船车双轮驶入平台过渡段钢板上后(见图4)，橡胶垫板承受的压力为：

工况3：承船车双轮驶入图6所示区域(轨下无钢板)后(见图5)，橡胶垫板承受压力为：

上述计算表明，橡胶垫板所受压力均小于其许用应力3 MPa，其安全性满足实际运行要求。

图5　工况3Fig. 5　Working condition 3

2　数值模拟仿真分析

2.1　有限元软件简介

本文应用大型商业有限元数值计算软件ABAQUS进行数值模拟仿真分析[15]，该软件可以分析比较复杂的固体力学以及结构力学系统，拥有相当广泛的模拟能力以及十分强大的计算功能，可以较好的模拟和解决相当复杂的高度非线性问题。

2.2　有限元模型及模拟方案

平台过渡段组合结构的网格划分为图 6。在运行过程中，承船车速度较小(仅0.6 m/s)，平台过渡段所承受的是一个超低频的冲击作用，属于瞬态动力相应范畴，故采用 ABAQUS软件的瞬态动力分析模块，得出荷载作用过程中模型内部应力变化过程，从中提取最大的反应值，即为此刻混凝土内部应力状况，对比不同情况下的模拟计算结果得出结论，从而为实际工程的提供参考。

图6　数值模型网格划分Fig. 6　Numerical model grid division

3.3　参数选取

3.3.1材料参数

橡胶参数：密度0.9 g/mm3，泊松比0.47，弹性模量参数分别取：1，5，10，15以及20 MPa，厚度分别为：10，20，30，40以及50 mm进行分析计算。

混凝土参数：密度2 400 kg/m3，弹性模量2.95×1010Pa，泊松比0.2。

混凝土损伤塑性模型所定义的混凝土的压缩特性和拉伸特性，分别见表3和表4。

表1　钢板参数Table 1　Steel plate parameters

表2　混凝土损伤塑性模型参数Table 2　Parameters of plasticity model of concrete damage

表3　混凝土损伤塑性模型中压缩特性Table 3　Compression properties of plasticity model of concrete damage

表4　混凝土损伤塑性模型中拉伸特性Table 4　Tensile properties of plasticity model of concrete damage

2.3.3荷载参数

升船机系统运营时，承船车对过渡段的荷载作用时间为0.2 s，由于钢板、橡胶及混凝土是通过预埋件进行连接，相互之间的摩擦应该是能量损失的主要因素，根据以往模拟经验，取 5%为一阶振型的临界阻尼，承船车在平台段上的极限荷载轮压为22.5 t，取安全系数1.2后的单轮压为F=270 kN。

2.4　模拟结果分析

为了考察过渡段受载后瞬态力学反应，特提取5个不同位置点进行分析(见图7。)。

2.4.1橡胶弹性模量对过渡段处理的影响

橡胶不同弹性模量对过渡段的影响见图 11~15，ABAQUS中规定：压应力为负值，拉应力为正。无橡胶钢轨底部有1层10 mm厚30 mm宽的钢板时各点应力见表5。

图7　数值计算点位置图Fig. 7　Location map of point of numerical calculation

图8　不同橡胶弹性模量下点1应力值Fig. 8　Point 1 stress value of different elastic modulus of rubber

表5　无橡胶一层钢板时各点应力值Table 5　Stress values on the lacations only one steel and no-rubber

从表5及图8~12，可以得到如下结果：

1) 设置平台过渡段由桥梁钢板、橡胶和混凝土构成的组合结构后，混凝土中各点应力值均有一定的减小，由此可见，组合结构在一定程度上减小了荷载对轨下混凝土的作用；

2) 设置组合结构后承受压应力的点1，2和5的应力值均有所减小，但是幅度不大，故而组合结构对混凝土受压影响不大；

3) 设置组合结构后承受拉应力的点 3应力值减小到未设置时的应力值的50%，同样受拉应力作用的点4的应力值也比未设置时小1个数量级，组合结构对混凝土中拉应力的减小作用相当明显，而混凝土受拉能力较低，一般混凝土都是受拉破坏，因此组合结构对缓解混凝土的破坏有一定的作用；

4) 随着橡胶弹性模量的增加，混凝土中无论压应力还是拉应力都有一定程度的增加，从1 MPa到20 MPa，应力值增幅大者是点1和点5均增大了1倍，值得注意的是这两点都是承受压应力的，故而可知橡胶弹性模量对混凝土受压的影响较受拉的影响大。

图9　不同橡胶弹性模量下点2应力值Fig. 9　Stress values on point 2 of different elastic modulus of rubber

图10　不同橡胶弹性模量下点3应力值Fig. 10　Stress values on point 3 of different elastic modulus of rubber

图11　不同橡胶弹性模量下点4应力值Fig. 11　Stress values on point 4 of different elastic modulus of rubber

5) 在计算模拟过程中发现，橡胶弹性模量过小时橡胶网格会发生破坏，究其原因是橡胶本身特性：可以承受大变形但是体积几乎不减小，故而在橡胶弹性模量较小时荷载作用后会发生轨道方向的位移，进而导致其与钢板间的连接破坏，会影响组合结构的整体性，据此本工程平台过渡段处理中采用了弹性模量为10 MPa的橡胶。

图12　不同橡胶弹性模量下点5应力值Fig. 12　Stress values on point 5 of different elastic modulus of rubber

2.5.2橡胶厚度对过渡段处理的影响

从表5及图13~17，可以得到如下结果：

1) 混凝土中各点应力值在设置平台过渡段由桥梁钢板、橡胶和混凝土构成的组合结构后都有部分的减小，因此平台段过渡段上平台车荷载对轨下混凝土的作用因为组合结构的存在而有所减小；

2) 点1，2和5承受压应力的值在设置组合结构后承受压应力后都有一定程度的减小但是幅度不大，故而组合结构对混凝土受压影响不是十分明显；

3) 点 3所承受的拉应力的值在设置组合结构后减小到未设置时的应力值的一半，同样受拉应力作用的点4的应力值也比未设置时小一个数量级，由此可知混凝土中拉应力因组合结构的作用而减小的相当明显，众所周知的是，受拉情况下混凝土更容易破坏，即一般混凝土构件都是受拉破坏，因此对与缓解混凝土的破坏设置组合结构时有一定的作用；

4) 随着橡胶厚度的增加，混凝土中无论压应力还是拉应力都有一定程度的减小，从10 mm到50 mm，但是各点的降幅不大，最大的为点 2在橡胶弹性模量为20 MPa时降幅为27%。

5) 分析ABAQUS处理结果时发现，橡胶厚度过大时，组合结构后期会有一定程度的回弹，此回弹效应在橡胶弹性模量较小时尤是明显，故此在本工程平台过渡段处理中采用的橡胶厚度为30 mm。

图13　不同橡胶厚度下点1应力值Fig. 13　Stress values on point 1 of different thickness of rubber

图14　不同橡胶厚度下点2应力值Fig. 14　Stress values on point 2 of different thickness of rubber

图15　不同橡胶厚度下点3应力值Fig. 15　Stress values on point 3 of different thickness of rubber

图16　不同橡胶厚度下点4应力值Fig. 16　Stress values on point 4 of different thickness of rubber

图17　不同橡胶厚度下点5应力值Fig. 17　Stress values on point 5 of different thickness of rubber

3　结论

1) 模拟混凝土结构受压时，采用混凝土损伤塑性模型有一定的精确性，能够较准确的反应荷载作用。

2) 橡胶在荷载作用下能够发生较大的变形，但是其体积的难以压缩性，使得其在密闭条件下弹性模量有较大提高，进而在本过渡段的组合结构中发挥了较好的作用，使得部分应力有较大幅度的降低。

3) 本过渡段的设置对缓解荷载瞬态动力影响有一定的作用，主要体现在混凝土内部拉应力值的降低。

4) 橡胶的弹性模量对过渡段组合结果的作用有一定的影响，即弹性模量越小混凝土内部应力越低，由于橡胶弹性模量过小时橡胶网格会发生破坏，本工程平台过渡段处理中采用了弹性模量为10 MPa的橡胶。

5) 随着橡胶厚度的增加，混凝土中无论压应力还是拉应力都有一定程度的减小，橡胶厚度过大时，组合结构后期会有一定程度的回弹，此回弹效应在橡胶弹性模量较小时尤为明显，故此在本工程平台过渡段处理中采用的橡胶厚度为30 mm。

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