新型钢枕轨道结构受力特性研究

朱勇，张鹏飞

新型钢枕轨道结构受力特性研究

朱勇1，张鹏飞2

(1. 柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616；2. 华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

为研究列车荷载作用下新型钢枕轨道结构受力特性，将混凝土枕轨道作为对比对象，分别建立新型钢枕和混凝土枕轨道-路基空间有限元模型，考虑钢枕处于4种沉降补偿量下的实际工况，对比分析新型钢枕和混凝土枕轨道结构受力特性。研究结果表明：新型钢枕轨道在抵抗变形和抗弯性能方面优于混凝土枕轨道；钢枕沉降补偿量大小对钢轨、钢枕受力影响较为显著，对轨道各部件变形影响不太明显；钢枕轨道和混凝土枕轨道的各部件受力与变形均主要发生在荷载作用位置处，并且2种轨道结构中轨枕的受力特性差异最大、钢轨和道床次之、路基最小。研究成果对新型轨枕的研发及应用具有一定参考价值。

有砟轨道；钢枕；混凝土枕；受力特性；路基沉降

铁路线路的稳定和平顺是保证行车安全与旅客舒适的重要条件。线路在运营期间出现局部沉陷、不均匀沉降等病害时，上部轨道结构将产生同步沉降，导致轨道线路状态恶化，轨面不平顺加剧，严重时发生空吊，直接影响到列车运行的安全性和旅客的舒适性[1−2]。因此开展轨下基础沉降变形控制技术研究具有重大工程意义。国内外学者对轨下基础沉降变形控制措施主要以路基加固或过渡段两侧刚度平稳过渡为主[3−6]，常用方法有土工格栅加筋法[7]、注浆加固法[8]和灰土桩加固法[9]等。狄宏规等[10]对斜向高压旋喷桩加固既有线路基的加固效果进行了探究，结果表明，斜向高压旋喷桩能显著提高路基的强度、刚度和地基承载力；姚建平[11]提出了一套适用于运营高速铁路路基沉降整治的检测评估、设计、特种施工及后评估成套技术；仲新华等[12−13]研发了一种低黏度的改性高聚物注浆材料作为高铁路基加固材料，并通过工程应用，得出了该材料可满足高速铁路路基加固实际需求的结论。已有研究成果对减少基础沉降和降低刚度变化率具有良好效果，但缺乏自动性和实时性，并且技术繁琐，耗费大量人力和财力。张鹏飞等[14]提出了一种具备沉降自动补偿功能的新型钢枕；该钢枕能够实时、自动补偿轨下基础沉降，使线路始终保持平顺状态；为研究列车荷载作用下新型钢枕轨道结构受力特性，分别建立钢枕和混凝土枕轨道−路基空间有限元模型，对比分析新型钢枕轨道和混凝土枕轨道结构受力特性。

1 新型钢枕结构

1.1 基本构造

新型钢枕(以下简称钢枕)是一种由45号优质碳素钢为主要材料，具备基础沉降自动补偿功能的新型轨枕，其结构强度高、耐久性好。钢枕基本构造如图1所示，沉降补偿装置内嵌于钢枕承轨槽内，如图2所示；钢枕除承轨槽处外，其余部分内置空心；钢枕顶板厚2.0 cm，侧板厚3.0 cm，底板厚2.0 cm，端部厚5.0 cm。

钢枕沉降补偿装置主要由升降块、钢板、锯齿、弹簧块、小钢棒、螺杆、圆环套、防尘罩、防尘套、螺帽等部分组成。其中，升降块长、宽、高分别为32.0，15.4和20.0 cm；钢板长、宽、高分别为32.0，3.0和17.0 cm；单个锯齿长、宽、高分别为32.0，0.2和0.2 cm；弹簧块半径为3.0 cm；小钢棒和螺杆的截面半径分别为0.25 cm和1.0 cm。

单位：mm

1—钢枕；2—钢轨；3—升降块；4—钢板；5—锯齿；6—弹簧块；7—小钢棒；8—螺杆；9—圆环套；10—防尘罩；11—防尘套；12—道砟；13—螺帽。

1.2 受力分析现状

列车荷载作用下，钢枕主要承受由钢轨往下传递的竖向荷载，其中，沉降补偿装置作为直接承压部件，锯齿形结构面将是受力的薄弱部位。对锯齿形结构面的受力分析得出列车荷载作用下，锯齿形结构面的抗压、抗剪均满足强度要求。

随着沉降补偿量的递增，钢枕各向拉、压应力均增大，特别是钢枕竖向拉、压应力变化范围较大，但在一定沉降补偿范围内，钢枕各向应力均满足强度要求[14]。

既有研究主要是针对单个钢枕在列车荷载作用下的受力分析，然而轨道是由若干个轨枕组成的轨排连接而成，因此，研究由若干个钢枕组成的钢枕轨道结构的受力特性是更接近实际情况的。

2 计算模型及参数

2.1 模型建立

1) CHN60钢轨采用弹性点支承梁，用BEAM 188单元模拟；扣件采用单个线性点支承弹簧，用COMBIN 14单元模拟。

2) 钢枕根据设计的实际尺寸，采用SOLID 45实体单元模拟；混凝土枕采用Ⅲ型混凝土枕，根据其实际尺寸，在不影响计算结果的前提下，对混凝土枕截面尺寸略有简化，如图3所示，采用SOLID 45实体单元模拟。

3) 道床和路基均采用SOLID 45实体单元 模拟。

4) 对轨枕与道床之间、道床与路基之间的节点合并压缩；对钢轨两端纵、横向位移和转角位移约束，同时全约束路基底面。

根据普通有砟轨道结构特点，分别建立钢枕和混凝土枕轨道−路基空间有限元模型，为消除边界效应，建立含24根轨枕的轨道结构，如图4所示。

假定钢枕轨道和混凝土枕轨道模型中除轨枕参数不同，其余参数均相同。轨道结构模型基本参数[15]如表1所示。

单位：mm

表1 基本参数

(a) 钢枕轨道；(b) 混凝土枕轨道

图5 垂向轮轨力时程曲线

2.2 列车荷载

以CRH3型列车为例，基于多体动力学软件UM建立CRH3型列车模型，其参数取值见文献[16]。考虑到我国合武客运专线轨道谱较适合路基有砟轨道结构高低不平顺，因此本文采用我国合武客运专线轨道谱[17]作为系统激励。假定列车以200 km/h的速度通过直线线路，运行距离为1 000 m。经计算，提取第2位轮对右侧轮的垂向轮轨力作为本文计算分析的轮轨力，其垂向轮轨力时程曲线如图5所示。

考虑到车辆前后2转向架引起的轨道反应互相不叠加，本文仅对单一转向架下两轮对的垂向列车荷载进行模拟。由图5可知，CRH3型列车通过直线段的最大轮轨力为96.166 kN，即按列车固定轴距对2股钢轨对称施加共4个数值为96.166 kN的垂向力，模型加载示意图如图6所示。为减小分析规模，取中间12根轨枕范围内的轨道结构进行分析。

单位：mm

3 轨道结构受力特性

针对新型钢枕与混凝土枕轨道结构，计算列车荷载作用下钢轨、轨枕、道床及路基等部件的位移、弯矩及应力最大值，同时提取各轨道部件内不同位置处的弯矩、位移和应力等计算结果绘制图形，对比分析钢枕轨道和混凝土枕轨道结构受力特性。文中位移和应力均分别表示垂向位移和垂向应力。

考虑钢枕处于不同沉降补偿量下的实际情况，取钢枕分别处于补偿量为0，20，40和60 mm时的4种典型工况。钢枕轨道计算工况说明如表2所示。

表2 钢枕轨道计算工况

3.1 轨道结构受力与变形最大值计算

对上述2种轨道结构的钢轨、轨枕、道床及路基等部件的位移、弯矩及应力进行计算，其受力与变形计算结果最大值如表3所示。

表3 轨道结构各部件受力与变形最大值

由表3可知，对钢枕轨道和混凝土枕轨道结构的位移分析结果表明：钢枕轨道各部件位移均小于混凝土枕轨道各部件位移，说明钢枕轨道整体刚度大于混凝土枕轨道；比较钢枕轨道结构在不同工况下的位移值可知，随着钢枕沉降补偿量的递增，轨道各部件位移变化均不明显。

对钢枕轨道和混凝土枕轨道结构的弯矩分析结果表明：钢枕轨道结构的钢轨弯矩和轨枕弯矩均较小于混凝土枕轨道，说明钢枕轨道整体抗弯性能较优于混凝土枕轨道；比较钢枕轨道结构在不同工况下的弯矩值可知，随着钢枕沉降补偿量的递增，钢轨正、负弯矩和钢枕正弯矩均随之增大，而钢枕负弯矩呈略微减小趋势。

对钢枕轨道和混凝土枕轨道结构的应力分析结果表明：钢枕轨道结构中轨枕应力大于混凝土枕应力，但小于钢枕结构强度限值；同时道床应力略大于混凝土枕轨道道床应力，而路基应力两者相差不大；比较钢枕轨道结构在不同工况下的应力值可知，随着钢枕沉降补偿量的递增，钢枕应力呈减小趋势，这是由于钢枕承轨槽处的惯性矩随着沉降补偿量的递增而逐渐增大，从而使得应力减小；同时道床应力随之略微增大，但路基应力变化不明显。

综合上述，钢枕轨道在抵抗变形和抗弯性能方面较优于混凝土枕轨道，且钢枕沉降补偿量大小对钢轨和钢枕的受力影响较显著，对轨道各部件位移影响不太明显。

3.2 钢轨受力特性

选取1号轨枕处的钢轨一端作为坐标原点，提取钢轨沿长度方向上的节点弯矩、位移等计算数据绘制图形，对比分析钢枕轨道和混凝土枕轨道的钢轨受力特性。钢轨弯矩和位移计算结果分别如图7和图8所示。

图7 钢轨弯矩

图8 钢轨位移

由图7和图8可知，钢枕轨道和混凝土枕轨道的钢轨最大正弯矩和最大位移均发生在荷载作用位置处，最大负弯矩均发生在荷载作用位置中间处；钢枕轨道与混凝土枕轨道相比，钢轨弯矩大小基本相等，但钢轨位移前者比后者略小。对钢枕轨道在不同工况下的钢轨弯矩和位移曲线分析表明：钢枕沉降补偿量大小对钢轨受力与变形影响不明显。

3.3 轨枕受力特性

选取4号轨枕作为研究对象，将轨枕中部作为坐标原点，提取轨枕沿长度方向上的截面弯矩及轨枕上半部分节点位移和应力等计算数据绘制图形，对比分析钢枕轨道和混凝土枕轨道的轨枕受力特性。轨枕弯矩、位移和应力计算结果分别如图9，图10和图11所示。

图9 轨枕弯矩

图10 轨枕位移

图11 轨枕应力

由图9~图11可知：

1)钢枕轨道和混凝土枕轨道的轨枕最大截面弯矩均发生在轨下截面处。对钢枕轨道在不同工况下的钢枕弯矩曲线分析表明：随着钢枕沉降补偿量的递增，钢枕最大正弯矩随之略微递增，并且大于混凝土枕最大正弯矩。

2) 钢枕轨道的轨枕位移沿轨枕纵向变化较混凝土枕轨道的轨枕位移小，且钢枕最大位移小于混凝土枕最大位移。对钢枕轨道在不同工况下的钢枕位移曲线分析表明：随着钢枕沉降补偿量的递增，钢枕位移变化不明显。

3) 钢枕轨道和混凝土枕轨道的轨枕拉压应力均主要集中在承轨槽处，且钢枕升降块抬升部分处的最大应力小于混凝土枕对应处的最大应力。对钢枕轨道在不同工况下的钢枕应力曲线分析表明：随着钢枕沉降补偿量的递增，钢枕最大应力随之逐渐减小。

3.4 道床受力特性

选取4号轨枕下部道床作为研究对象，将线路中心线作为坐标原点，提取道床沿顶面宽度方向上的节点位移和应力等计算数据绘制图形，对比分析钢枕轨道和混凝土枕轨道的道床受力特性。道床顶面位移和应力计算结果分别如图12和图13所示。

图12 道床顶面位移

图13 道床顶面应力

由图12和图13可知，钢枕轨道和混凝土枕轨道的道床顶面最大位移均发生在轨枕下部位置处，最大应力均发生在轨枕端部处，且轨枕端部处的道床顶面应力由最大拉应力突变为最大压应力，这是由于轨枕端部与道床接触处发生了应力集中；同时，钢枕轨道与混凝土枕轨道相比，道床顶面最大位移前者小于后者，道床顶面最大应力前者大于后者，随着钢枕沉降补偿量的递增，钢枕轨道中道床顶面最大位移和应力变化均不明显。

3.5 路基受力特性

选取4号轨枕下部路基作为研究对象，将线路中心线作为坐标原点，提取路基沿顶面宽度方向上的节点位移和应力等计算数据绘制图形，对比分析钢枕轨道和混凝土枕轨道的路基受力特性。路基顶面位移及应力计算结果分别如图14和图15所示。

图14 路基顶面位移

图15 路基顶面应力

由图14和图15可知，钢枕轨道和混凝土枕轨道的路基顶面最大位移和应力均发生在轨枕下部位置处，且钢枕轨道的路基顶面最大位移和应力均较小于混凝土枕轨道；同时，随着沉降补偿量的递增，钢枕轨道路基顶面位移和应力变化均不明显。

4 结论

1) 列车荷载作用下钢枕轨道各部件位移均小于混凝土枕轨道各部件位移，钢轨弯矩和轨枕弯矩均分别小于混凝土枕轨道钢轨弯矩和轨枕弯矩。由此可见，新型钢枕轨道在抵抗变形和抗弯性能方面优于混凝土枕轨道。

2) 总体上看，钢枕沉降补偿量对轨道各部件变形影响不明显，但对钢轨、钢枕受力影响较为显著；随着沉降补偿量的递增，钢枕应力随之减小，但钢轨弯矩和钢枕正弯矩有所增大。因此钢枕沉降补偿量大小应在合理范围内取值。

3) 由轨道结构各部件受力特性分析可知，钢枕轨道和混凝土枕轨道中各部件受力与变形均主要发生在荷载作用位置处。总体上看，2种轨道结构中轨枕受力特性差异最大、钢轨和道床次之、路基最小。

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Research on mechanical characteristics of new steel sleeper track structure

ZHU Yong1, ZHANG Pengfei2

(1. Liuzhou Railway Vocational Technical College, Liuzhou 545616, China; 2. Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In order to study the mechanical characteristics of the new steel sleeper track structure under the train load, and the concrete sleeper track is used as the comparison object, the track-subgrade space model of the new steel sleeper track and traditional concrete sleeper were established respectively based on the finite element method, considering the actual working condition of the steel sleeper under the four kinds of settlement compensation, the mechanical characteristics of track structure between the new steel sleeper and traditional concrete sleeper under train load were compared and analyzed. The results show that the new steel sleeper track is superior to the traditional concrete sleeper track in resisting deformation and bending resistance. The settlement compensation amount of steel sleeper has a significant influence on the force of the rail and the steel sleeper, but the influence on the displacement of track components is not obvious. The stress and deformation of the track structure’s various components mainly occur at the load position, and the difference in the mechanical characteristics of the sleeper between the two track structures is the largest, the rail and track bed are the second, the subgrade is the smallest. The research results has certain reference value for the development and application of new sleepers.

ballast track; steel sleeper; concrete sleeper; mechanical characteristics; subgrade settlement

U213.3+6

A

1672 − 7029(2020)04− 0866 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190683

2019−07−30

国家自然科学基金资助项目(51768023)；江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ180290)；2020年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2020KY44019)

张鹏飞(1975−)，男，内蒙古赤峰人，副教授，博士，从事轨道结构研究；E−mail：zhangpf4236@163.com

(编辑 涂鹏)