钢管混凝土轨枕凹槽尺寸优化设计研究

冯利坡，闫亚飞，李启航,3

(1. 金华轨道交通集团有限公司，浙江金华 321000；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；3. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

钢管混凝土轨枕采用钢管混凝土构件来连接混凝土轨枕块，既具有良好的轨道几何形位保持能力，又能减轻轨枕重量、降低结构造价[1-3]，可应用于城市轨道交通和市域铁路。目前，已应用于郑许市域铁路，后期将进一步在台州市域、温州市域、滁宁城际等项目推广应用。为保证道床结构的整体性，加强轨枕块与道床结合能力，在轨枕侧面设计凹槽结构，施工过程中现浇混凝土进入凹槽。凹槽尺寸设计合理与否将影响轨枕在温度荷载和列车荷载的作用下受力。为研究其尺寸取值存在合理范围，使得轨枕受力最小，有必要对轨枕块凹槽尺寸和位置进行计算分析，从而确定凹槽尺寸的最优解。目前，国内外相关学者已对双块式轨枕进行了大量研究。其中，KANG等[4-5]针对轨枕块混凝土的组成材料进行了优化，提高了双块式轨枕的承载能力。DAI 等[6]基于车辆-轨道耦合动力学，建立车辆-轨道-路基垂向耦合模型，对不同轨枕间距对轨道结构动力响应的影响进行了分析。CHEN 等[7]以弹性地基梁理论为基础，研究了轨道结构尺寸等结构参数对无砟轨道受力性能的影响。刘玉祥等[8]借鉴高速铁路双块式轨枕的技术经验，结合城市轨道交通工程的实际情况，提出合理的钢筋桁架轨枕结构形式尺寸及设计技术要求。王建辉等[9]以双块式轨枕施工为例，从混凝土配合比和养护等方面分析了轨枕挡肩裂纹出现的原因，并制定出针对性措施。高增增[10]针对双块式轨枕提出技术合理经济性好的优化设计方案，并与传统双块式无砟轨道在荷载作用下的结构受力进行计算对比分析，为优化设计方案提供了理论指导。袁振华[11]针对双块式轨枕病害，对混凝土配合比进行了优化并阐述了其热损作用机制。褚卫松[12]针对兰州至乌鲁木齐第二双线，结合沿线气候特点造成的病害，提出加高承轨台等措施，解决了气候对双块式轨枕带来的不利影响。杨斌[13]以兰新二线路基双块式无砟轨道为工程背景，通过理论分析与现场试验研究，确定了双块式无砟轨道的温度适应范围，并对其进行优化设计。孙立[14]通过对我国现有的轨道结构形式和技术系统比较，推荐市域铁路宜铺设双块式无砟轨道。以上文献通过开展试验和理论计算对双块式轨枕进行优化设计，并对轨枕受力性能进行研究。钢管混凝土轨枕是近期研发的一种新型轨枕，其凹槽设计尺寸与位置设计合理与否直接影响轨枕块的受力状态以及与道床板的结合性能，关系到无砟轨道的服役性能和疲劳寿命。基于此，本文通过建立有限元分析模型，对CFT 轨枕中凹槽的长度、宽度、深度尺寸及凹槽端部与轨枕端部、凹槽底部与轨枕底部的距离进行计算分析，确定凹槽尺寸及位置的取值范围，从而提高轨枕与道床的黏结性能，为CFT 轨枕的结构设计提供参考。

1 计算分析模型

1.1 轨枕方案

如图1所示，钢管混凝土轨枕块长宽高分别为653，314和190 mm，钢管混凝土构件长1 750 mm，外径42 mm，壁厚3 mm，内径36 mm，管内灌注自密实混凝土材料。为研轨枕凹槽的长度、宽度、深度的尺寸及凹槽端部与轨枕端部距离、凹槽底面与轨枕底面距离的合理值，分别设置不同工况(见表1)进行计算分析，从而得到凹槽的合理尺寸及位置，优化轨枕块的受力与设计。

表1 计算工况Table 1 Working condition of calculation

图1 CFT轨枕尺寸Fig.1 CFT sleeper size drawing

1.2 有限元计算模型

有限元模型中，主要建立部件有：钢轨、钢管混凝土轨枕、道床板和支承层，均采用实体模型。其中，钢管采用Q235 钢材，轨枕块采用C60混凝土，道床板和底座均采用C40混凝土材料，钢管灌注抗压强度达到60 MPa 的自密实砂浆材料，计算参数如表2所示。

表2 模型主要计算参数Table 2 Model mainly calculates parameters

建立的有限元模型如图2 所示。其中，钢轨、CFT 轨枕和道床板均采用C3D8R 实体单元模拟。道床板尺寸借鉴CRTS 双块式无砟轨道，板长为4.88 m，宽为2.8 m，厚度为0.34 m，扣件间距为0.625 m。为准确分析受力情况，同时保证较高的计算效率，选择3块道床板长度进行建模，模型总长度为14.88 m，取中间道床板和轨枕为研究对象。

图2 CFT轨枕无砟轨道有限元模型Fig.2 Finite element model of CFT sleeper ballastless track

钢管混凝土轨枕混凝土块部分与道床板接触部分设置摩擦，钢管混凝土部分直接嵌入至道床板中。

根据《市域铁路设计规范》[15]，列车荷载主要考虑竖、横向列车荷载，温度荷载主要考虑正负温度梯度。其中，静轮载取为170 kN，竖向荷载取为3 倍静轮载，横向荷载取为0.8 倍静轮载；正温度梯度取为90 ℃/m，负温度梯度取为45 ℃/m。

2 计算分析

本节基于所建立的有限元模型，分析了在列车荷载和温度荷载同时作用下，凹槽尺寸和位置工况对CFT轨枕和道床板的受力性能的影响。

2.1 凹槽尺寸计算分析

针对凹槽尺寸工况，主要从凹槽长度、宽度和深度3个方面进行分析。

2.1.1 凹槽长度

为消除边界效应，在对凹槽和道床板进行受力分析时，选取模型中间位置处的轨枕凹槽及对应的道床板，如图3所示。

图3 凹槽位置轨枕和道床板分析区域Fig.3 Groove position sleeper and track bed board analysis area

当凹槽长度、宽度、深度、端部距离和底部距离分别为360，55，25，133 和50 mm 时，在列车荷载和温度梯度作用下，凹槽位置的轨枕块和道床板最大主应力分布情况如图4所示。

图4 凹槽位置轨枕块和道床板应力分布Fig.4 Stress distribution diagram of sleeper block and bed slab in groove position

由图4可知，在列车荷载和温度梯度荷载同时作用下，凹槽位置的轨枕块和道床板最大应力均位于中间位置，见图3，且正温度梯度作用下的应力大于负温度梯度作用。

针对凹槽长度，设置100，200，300，320，340，360，380，400 和500 mm 的工况。在列车荷载和温度梯度荷载作用下，凹槽长度对凹槽位置轨枕块和道床板受力的影响如图5所示。

由图5可知，正、负温度梯度作用下，凹槽位置的轨枕块和道床板应力值随长度变化的趋势均相同，且轨枕块的应力最大值和平均值均大于道床板。当凹槽长度值在300～340 mm 范围时，轨枕块和道床板的应力值均较小。

图5 凹槽长度对轨枕块和道床板受力的影响Fig.5 Effect of groove length on the forces acting on sleeper block and slab

2.1.2 凹槽宽度

针对凹槽宽度，设置10，35，45，50，55，60，65，80，100 和150 mm 的工况。此时，凹槽长度、深度、端部距离和底部距离保持不变，分别取为340，25，133 和50 mm。在列车荷载和温度梯度荷载作用下，轨枕块凹槽长度对凹槽位置受力的影响如图6所示。

由图6可知，正、负温度梯度作用下，与长度工况相同，轨枕块应力的平均值和最大值均大于道床板，当凹槽宽度在55～65 mm 范围时，轨枕块和道床板应力均较小。

图6 凹槽宽度对轨枕块和道床板受力的影响Fig.6 Effect of groove width on the forces acting on sleeper block and slab

2.1.3 凹槽深度

针对凹槽深度，设置10，15，20，25，30，40 和60 mm 的工况。此时，凹槽长度、宽度、端部距离和底部距离保持不变，分别取为340，55，133 和50 mm。在列车荷载和温度梯度荷载作用下，轨枕块凹槽长度对凹槽位置受力的影响如图7所示。

由图7可知，正、负温度梯度作用下，轨枕块应力的平均值和最大值均大于道床板，当凹槽深度在20～25 mm 范围时，轨枕块和道床板应力均较小。

图7 凹槽深度对轨枕和道床板受力的影响Fig.7 Effect of groove depth on the forces acting on sleeper block and slab

2.2 凹槽位置计算分析

2.2.1 凹槽端部与轨枕端部距离

针对凹槽端部与轨枕端部距离，由于凹槽一直位于轨枕中心，因此随着凹槽长度的增加而减小。基于凹槽长度的工况，端部距离设置63，113，123，133，143，153，163，213 和263 mm的工况。此时，凹槽长度、宽度、深度、端部距离和底部距离保持不变，分别取为360，55，25，133 和50 mm 时，在列车荷载和温度梯度荷载作用下，轨枕块凹槽端部与轨枕端部距离对凹槽位置受力的影响如图8所示。

由图8可知，正、负温度梯度作用下，轨枕块应力的平均值和最大值均大于道床板，当凹槽端部与轨枕端部距离值在143～163 mm 范围时，轨枕块和道床板应力均较小。

图8 凹槽端部与轨枕端部距离对凹槽和道床板受力的影响Fig.8 Effect of the distance between groove end and sleeper end on the forces acting on groove and slab

2.2.2 凹槽底面与轨枕底面距离

针对凹槽底面与轨枕底面距离，设置10，20，30，40，50，60 和80 mm 的工况。此时，凹槽长度、宽度、深度和端部距离保持不变，分别取为340，55，25 和133 mm。在列车荷载和温度梯度荷载作用下，轨枕块凹槽底面与轨枕底面距离对凹槽位置受力的影响如图9所示。

图9 凹槽底面与轨枕底面距离对轨枕和道床板受力的影响Fig.9 Effect of the distance between groove bottom and sleeper bottom on the forces acting on groove and slab

由图9可知，正、负温度梯度作用下，轨枕块应力的平均值和最大值均大于道床板，当凹槽底面与轨枕底面距离值在40～50 mm 范围时，轨枕块和道床板应力均较小。

3 结论

1) CFT 轨枕凹槽的长度、宽度、深度和凹槽端部与轨枕端部距离、凹槽底面与轨枕底面距离的不同，会对轨枕块和道床板受力性能产生影响。

2)对于凹槽尺寸，长度范围取300～340 mm，宽度范围取55～65 mm，深度范围取20～25 mm时，轨枕块和道床板受力较小。

3) 对于凹槽位置，端部与轨枕端部距离范围取为143～163 mm，底面与轨枕底面距离范围取为40～50 mm时，轨枕块和道床板受力较小。