李 敏 高 亮 谷呈朋

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.北京交通大學(xué) ， 北京 100044)

重載鐵路橋上無(wú)縫線(xiàn)路斷縫允許值的研究

李 敏1高 亮2谷呈朋1

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.北京交通大學(xué) ， 北京 100044)

鋼軌的斷縫檢算是無(wú)縫線(xiàn)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，橋上無(wú)縫線(xiàn)路的斷縫值與橋上扣件的布置形式及線(xiàn)路縱向阻力取值有關(guān)?；谟邢拊浖嗀BAQUS建立了不同斷縫值的橋上無(wú)縫線(xiàn)路靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析了不同斷縫位置和30 t軸重條件下對(duì)貨物列車(chē)通過(guò)斷縫時(shí)鋼軌的位移和受力等力學(xué)特性以及脫軌系數(shù)等動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，重載鐵路橋上無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)中斷縫值應(yīng)采用70 mm。

重載鐵路 橋上無(wú)縫線(xiàn)路 斷縫允許值 30 t軸重

1 研究背景

鋼軌的斷縫檢算是無(wú)縫線(xiàn)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，橋上無(wú)縫線(xiàn)路的斷縫值與橋上扣件的布置形式及線(xiàn)路縱向阻力有關(guān)。重載鐵路由于列車(chē)軸重大，速度相對(duì)低，與高速鐵路對(duì)軌道平順性、舒適度等要求有著較大的區(qū)別。

鐵科院曾在北京環(huán)形試驗(yàn)基地有砟軌道地段進(jìn)行了列車(chē)通過(guò)鋼軌斷縫的安全試驗(yàn)，試驗(yàn)線(xiàn)路采用50 kg/m鋼軌、木枕、有砟道床。在一股鋼軌設(shè)置斷縫，其大小由20 mm、60 mm、100 mm 逐次擴(kuò)大，最終設(shè)置斷縫138 mm。為保證試驗(yàn)安全，用2 輛軸重210 kN貨物車(chē)輛溜放通過(guò)，車(chē)輛通過(guò)斷縫速度，從20 km/h、40 km/h 逐次提高，最終達(dá)到85 km/h。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定順車(chē)軌與迎車(chē)軌形成的臺(tái)階，順車(chē)軌所受垂向力P、橫向力H，順車(chē)軌的彈性擠開(kāi)量δ，迎車(chē)軌所受橫向力、撓度等6項(xiàng)參數(shù)。

根據(jù)本次試驗(yàn)研究，確定我國(guó)鐵路有砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌斷縫允許值為：一般情況可取70 mm；在滿(mǎn)足一定條件下，斷縫允許值取90 mm。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究思路

主要通過(guò)模擬列車(chē)車(chē)輪通過(guò)斷縫處的輪軌力、脫軌系數(shù)、輪對(duì)橫向力等方面進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化模型，軌下基礎(chǔ)采用彈簧疊加之后的剛度代替。其中，靜力學(xué)著重研究重載列車(chē)對(duì)不同斷縫位置的沖擊影響，考慮斷縫位于沿線(xiàn)路縱向兩個(gè)相鄰扣件的中央與扣件邊緣兩種工況，模擬重載列車(chē)通過(guò)不同長(zhǎng)度斷縫時(shí)的變形與受力。

綜合靜力學(xué)分析得到列車(chē)通過(guò)斷縫時(shí)最不利位置后，進(jìn)行列車(chē)通過(guò)最不利斷縫處的動(dòng)力學(xué)分析，基于不同軸重重載列車(chē)通過(guò)不同長(zhǎng)度斷縫的動(dòng)力仿真研究，為我國(guó)重載鐵路橋上無(wú)縫線(xiàn)路斷縫值的取值提供參考。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

鋼軌采用CHN60斷面，斷面積A=77.45 cm2，質(zhì)量M=60.64 kg/m，水平軸慣性距為3 217 cm4，豎直軸慣性距為524 cm4。材料參數(shù)為：彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3?？奂捎脧椈珊妥枘釂卧M，間距取為600 mm。

重載列車(chē)有限元模型主要包含輪對(duì)等要素，計(jì)算參數(shù)參考我國(guó)C80參數(shù)，輪對(duì)踏面采用LM磨耗型踏面，輪載沖擊系數(shù)取3.0。

3 靜力學(xué)分析

3.1 靜力學(xué)分析模型

基于上述參數(shù)條件，建立靜力學(xué)有限元分析模型。

(1)為分析鋼軌在一節(jié)車(chē)廂靜載下的變形及消除邊界條件的影響，模型中鋼軌長(zhǎng)度取50 m(轉(zhuǎn)向架中心距定為10.15 m，固定軸距2.6 m)。鋼軌采用實(shí)體單元，模型中考慮設(shè)立1∶40的軌底坡。

為重點(diǎn)分析斷縫處的變形和受力情況，斷縫處單元沿縱向長(zhǎng)度取50 mm，遠(yuǎn)離斷縫處的網(wǎng)格長(zhǎng)度逐漸變大。模擬斷縫處的局部網(wǎng)格如圖1所示。

(2)扣件及軌下基礎(chǔ)分別簡(jiǎn)化為具有縱、橫、垂向剛度的彈簧阻尼單元，扣件間距取600 mm。

(3)靜力學(xué)分析考慮輪子和鋼軌之間的接觸，輪子受靜載450 kN。計(jì)算分3步進(jìn)行，第一步為輪子和鋼軌的接觸，第二步為輪子受450 kN載荷，第三步為在受載同時(shí)輪子向迎車(chē)軌方向移動(dòng)。靜力學(xué)分析模型如圖1所示。

圖1 斷縫處?kù)o力有限元分析模型

3.2 靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果示例

靜力學(xué)計(jì)算中分別考慮以下兩種工況：工況一，斷縫位于沿線(xiàn)路縱向兩個(gè)相鄰扣件的中央；工況二，斷縫位于扣件邊緣。斷縫值考慮70 mm、80 mm、90 mm、100 mm和110 mm等五種情況。

以迎車(chē)軌條件為例，給出六種不同斷縫值條件下兩種工況的鋼軌的最大垂向位移、最大橫向位移、最大Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的對(duì)比(如圖2至圖5所示)。

圖2 不同工況迎車(chē)軌最大垂向位移對(duì)比

圖3 不同工況迎車(chē)軌最大橫向位移對(duì)比

圖4 不同工況迎車(chē)軌最大Mises應(yīng)力對(duì)比

圖5 不同工況迎車(chē)軌最大接觸應(yīng)力對(duì)比

3.3 靜力學(xué)分析小結(jié)

通過(guò)30 t軸重條件下對(duì)不同斷縫位置、不同斷縫值條件下順車(chē)軌和迎車(chē)軌的垂向和橫向位移、Mises應(yīng)力及接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算，得到結(jié)論如下：

①斷縫位置對(duì)列車(chē)安全通過(guò)斷縫具有重要影響，當(dāng)斷縫位于扣件邊緣時(shí)較斷縫位于扣件中間時(shí)顯然更不安全。

②斷縫值為100 mm時(shí)，鋼軌的接觸應(yīng)力有明顯增加，但受扣件處約束作用垂橫向位移相較有所降低。橋上無(wú)縫線(xiàn)路斷縫值的允許值設(shè)置為70～90 mm均是合理的。

③考慮到靜力學(xué)模型的局限性，無(wú)法體現(xiàn)出重載列車(chē)車(chē)輪通過(guò)斷縫處鋼軌的瞬態(tài)沖擊力，僅能反映列車(chē)通過(guò)不同位置斷縫時(shí)對(duì)鋼軌變形與受力的影響，有必要建立動(dòng)力仿真模型，重點(diǎn)分析研究不同速度條件下，不同軸重車(chē)輛通過(guò)不同斷縫時(shí)的沖擊影響。

4 動(dòng)力學(xué)分析

4.1 動(dòng)力學(xué)分析模型

動(dòng)力學(xué)仿真模型主要分為鋼軌、扣件、軌下基礎(chǔ)和車(chē)輛模型等幾個(gè)要素，鋼軌和扣件的模擬與靜力分析模型一致。

對(duì)于車(chē)輛模型中車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)三大構(gòu)件，運(yùn)動(dòng)主要為剛體運(yùn)動(dòng)，不考慮其內(nèi)部應(yīng)力分布情況，假定車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)都是剛體；對(duì)于車(chē)體和轉(zhuǎn)向架、車(chē)輪和轉(zhuǎn)向架之間均通過(guò)彈簧阻尼單元連接并發(fā)生相互作用。

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中的中央懸掛模型提供三個(gè)方向剛度和阻尼，由橫向減振器提供中央橫向阻尼。軸箱懸掛模型包括由軸箱彈簧提供的三個(gè)方向上的剛度，一系的垂向阻尼由懸掛在軸箱定位彈簧外側(cè)的一系垂向減振器提供。以上的彈簧、阻尼均以剛度和阻尼元件一并予以考慮。

根據(jù)以上的車(chē)體模型、轉(zhuǎn)向架模型和輪對(duì)模型，以及一系、二系彈簧和阻尼情況，建立的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型如圖6和圖7所示。

圖6 動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖7 動(dòng)力學(xué)模型局部放大

4.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果匯總

評(píng)判重載列車(chē)通過(guò)斷縫是否會(huì)出現(xiàn)脫軌，各項(xiàng)指標(biāo)如輪軌垂向作用力、橫向作用力是否會(huì)出現(xiàn)超限的主要標(biāo)準(zhǔn)包括：脫軌系數(shù)Q/P≤0.8、輪對(duì)橫向水平力Q≤80 kN、脫軌系數(shù)超限時(shí)間≤15 ms。

基于靜力學(xué)分析結(jié)果得到：當(dāng)斷縫位于扣件邊緣時(shí)更不利列車(chē)安全通過(guò)；斷縫在60 mm以下時(shí)，列車(chē)車(chē)輪比較容易跨過(guò)斷縫。因此動(dòng)力學(xué)分析將在上述結(jié)論基礎(chǔ)上進(jìn)行，分別得到了30 t軸重列車(chē)速度從80 km/h、100 km/h增加到120 km/h，通過(guò)不同斷縫值時(shí)的輪軌力、脫軌系數(shù)、垂向位移、Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力等的時(shí)程曲線(xiàn)，計(jì)算結(jié)果如表1～表4所示。

表1斷縫值70 mm輪軌垂橫向力、脫軌系數(shù)等仿真計(jì)算結(jié)果

速度/(km/h)垂向力P1/kN垂向力P2/kN橫向力Q/kN脫軌系數(shù)Q/P脫軌系數(shù)超限時(shí)間/ms8040222452.70.1531.110041227656.70.1551.212044022264.40.2067

表2 斷縫值70 mm輪軌垂橫向位移、最大mises應(yīng)力等仿真計(jì)算結(jié)果

表3斷縫值90 mm輪軌垂橫向力、脫軌系數(shù)等仿真計(jì)算結(jié)果

速度/(km/h)垂向力P1/kN垂向力P2/kN橫向力Q/kN脫軌系數(shù)Q/P脫軌系數(shù)超限時(shí)間/ms8042622867.40.161.310045022862.30.1631.412047022864.90.2011.6

表4 斷縫值90 mm輪軌垂橫向位移、最大mises應(yīng)力等仿真計(jì)算結(jié)果表

4.3 動(dòng)力學(xué)分析小結(jié)

基于30 t軸重及本文所列參數(shù)條件下，得到如下結(jié)論：

①重載列車(chē)以80 km/h、100 km/h、120 km/h通過(guò)不同斷縫值時(shí)，輪軌力、鋼軌最大垂向力等增加較小，列車(chē)以不同速度通過(guò)斷縫時(shí)的輪軌力變化、接觸應(yīng)力等時(shí)程變化趨勢(shì)大致相同。輪軌沖擊斷縫后，均出現(xiàn)較為頻繁的持續(xù)沖擊，沖擊時(shí)間間隔較短，前一次沖擊響應(yīng)尚未衰減完成，接著又疊加新一輪的沖擊。

②斷縫值從70 mm增加到90 mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)90 mm斷縫時(shí)其各項(xiàng)指標(biāo)均在安全限度以?xún)?nèi)。但大于90 mm時(shí)，輪軌橫向力等均在安全限值以?xún)?nèi)，但輪軌脫離時(shí)間較大，最多可到12 ms，較為接近限值15 ms。

③基于本文參數(shù)條件，從有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)看，30 t軸重條件下，橋上無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)檢算時(shí)最大斷縫檢算可設(shè)置為90 mm。

5 結(jié)論及建議

基于本文中的各項(xiàng)參數(shù)條件，綜合列車(chē)通過(guò)斷縫時(shí)的靜力及動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

①當(dāng)斷縫小于90 mm時(shí)，列車(chē)速度小于120 km/h時(shí)都可以安全通過(guò)，基于此認(rèn)為30 t軸重條件下，目前橋上無(wú)縫線(xiàn)路檢算時(shí)斷縫值取為70 mm是偏于安全的。

②從運(yùn)營(yíng)實(shí)踐來(lái)看，由于斷軌時(shí)的軌溫一般高于設(shè)計(jì)所采用的歷年最低軌溫，實(shí)際斷縫值小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。對(duì)于大跨度橋梁，且氣溫變化較大的地區(qū)，設(shè)置小阻力扣件有可能出現(xiàn)斷縫值大于70 mm的情況，該種情況應(yīng)設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。但鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器由于其固有的結(jié)構(gòu)特性，尖軌斷面有不同程度的削弱，其尖軌、基本軌接頭是最薄弱的環(huán)節(jié)，若布置于橋梁橫梁、橋臺(tái)胸墻和支座中心等地段，在輪軌動(dòng)力作用下，將導(dǎo)致病害增多，甚至折斷。重載鐵路上應(yīng)慎用伸縮調(diào)節(jié)器，建議在該種條件下，橋上無(wú)縫線(xiàn)路的斷縫檢算值應(yīng)設(shè)置為90 mm。

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ResearchontheAllowableWidthofRailBrokenGapsofCWRonBridgeinHighSpeedRailway

LI Min1GAO Liang2GU Chengpeng1

2013-11-21

李 敏(1982—)，女，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，E-mail：jerry.lmin@gmail.com。

1672-7479(2014)01-0110-04

U211.4；U213.42

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