張凌之，徐 坤，楊榮山

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

無砟軌道具有良好的結(jié)構(gòu)連續(xù)性、平順性、恒定性、穩(wěn)定性、耐久性和少維修性能，其工務(wù)養(yǎng)護(hù)、維修設(shè)施較少，免除了高速條件下有砟軌道的道砟飛濺，有利于適應(yīng)地形選線，減少線路的工程投資等特點(diǎn)，成為高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要形式［1］。雙塊式無砟軌道作為我國(guó)無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一，隨著大量客運(yùn)專線的建設(shè)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。雖然雙塊式無砟軌道整體受力性能較好，但是處于新老混凝土粘結(jié)面的軌枕塊和道床板處對(duì)外界荷載較為敏感，混凝土道床板上的裂紋極易從此處發(fā)展［2-5］，尤其在降雨量較多的地區(qū)，新老混凝土粘結(jié)面處受水影響破壞嚴(yán)重，破壞形式主要表現(xiàn)為軌枕周邊開裂松動(dòng)，即軌枕周邊現(xiàn)澆混凝土碎裂、掉塊，混凝土軌枕周邊冒白漿。軌枕周邊開裂松動(dòng)如圖1所示，軌枕松動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的整體性，使道床板迅速破壞，形成軌枕空吊，軌枕松動(dòng)導(dǎo)致相鄰軌枕承受附加荷載沖擊，這樣會(huì)使軌枕松動(dòng)現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展，影響軌道結(jié)構(gòu)耐久性，行車平穩(wěn)性和安全性［6-9］。因此，開展列車荷載與水耦合作用下的雙塊式無砟軌道軌枕松動(dòng)研究，探明動(dòng)水壓力作用下雙塊式無砟軌道軌枕脫空機(jī)理具有重要意義。

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYSCFX［10-11］，建立了軌枕－水－道床板流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，總結(jié)了軌枕脫空下水體的壓強(qiáng)和流速物理量的變化趨勢(shì)，以期為完善無砟軌道設(shè)計(jì)理論，合理制定無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修方法，延長(zhǎng)使用壽命提供理論依據(jù)。

圖1 軌枕松動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研圖片

1 計(jì)算模型及參數(shù)

主要考慮豎向的輪載作用力而不考慮水平和縱向的作用力，雙塊式無砟軌道實(shí)際受力是從上向下依次傳遞的，鋼軌與車輪直接接觸，它將直接承受列車荷載的沖擊動(dòng)力作用。在輪軌力的作用下，鋼軌將產(chǎn)生變形，通過扣件系統(tǒng)將力傳遞給混凝土軌枕塊并傳遞到道床板，道床板進(jìn)一步將力分散到支撐層、路基或者底座［12］。假設(shè)某根軌枕出現(xiàn)了脫空松動(dòng)的現(xiàn)象，而周邊其余軌枕均正常工作，其豎向受力簡(jiǎn)化如圖2所示，由于只考慮軌枕松動(dòng)的情況下部結(jié)構(gòu)沒有過多考慮直接加全約束。

圖2 雙塊式軌道結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化示意

為了方便研究軌枕脫空處水的一般作用特性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的情況選取列車速度為300 km/h，脫空高度為3 mm，脫空長(zhǎng)度0.5 m，四周裂縫寬度3 mm的情況，分析在此條件下水的壓強(qiáng)、流速特性。在運(yùn)用ANSYSCFX建立軌枕－水－道床板流固耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型時(shí)［6，7］，主要遵循以下基本原則。

(1)由于主要分析水的動(dòng)力特性，不考慮車輛模型，采用簡(jiǎn)化列車荷載。為了研究方便，減少模型計(jì)算時(shí)間，采用輪載作用4次進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)在軌枕脫空前后荷載沒有變化。

(2)根據(jù)問題的需要及計(jì)算方便，采用分層建模思想，不考慮鋼軌，支撐層，路基。根據(jù)軌枕受力來建立軌枕－水－道床板流固耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，自上往下依次為軌枕，水，道床板。

(3)裂縫簡(jiǎn)化為規(guī)則的形狀，脫空及裂縫中水體填充，并假設(shè)脫空及裂縫中填滿水體。

(4)采用實(shí)體模型，根據(jù)對(duì)稱性和分析的主要問題，采用局部模型。為了消除邊界條件的影響，模型選取3根軌枕，分析中間軌枕周邊裂縫及脫空滿水的情況。

基于上面的基本原則，建立的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)來模擬計(jì)算，模型中的雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如表1所示。由于模型主要分析軌枕與道床板交界面的水傷損情況，主要考慮軌枕、道床板及以上結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下，雙塊式無砟軌道軌枕脫空傷損情況下水的動(dòng)力性能，故本模型僅僅建到道床板，道床板底部采用全約束。軌枕、扣件、道床板的尺寸和參數(shù)見表1。

表1 雙塊式軌道的尺寸、參數(shù)

為了得到最大輪軌力Pm，應(yīng)用列車－軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，采用德國(guó)不平順譜，列車采用CRH2。為了研究問題的方便，減少計(jì)算時(shí)間和節(jié)約計(jì)算空間，根據(jù)實(shí)際荷載的形式，采用簡(jiǎn)化的沖擊荷載，不同列車車速條件下軌枕受力最大值和作用時(shí)間如表2所示。此問題采用瞬態(tài)分析，時(shí)間步長(zhǎng)取0.002 s。

表2 不同車速最大軌枕作用力及作用時(shí)間

2 軌枕脫空處水的作用特性計(jì)算分析

模型中水體有周邊水和下部水兩部分，考慮研究的主要因素和目的，主要是研究脫空下水體的作用特性情況，而并未對(duì)周邊水進(jìn)行研究分析。為了建模計(jì)算得到軌枕脫空下水流的動(dòng)力特性，即計(jì)算水體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)和流速物理量的數(shù)值大小和變化趨勢(shì)，研究軌枕脫空處水流的作用特性。本模型中設(shè)置了沿軌枕縱向、橫向共18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來研究水流壓強(qiáng)、流速的縱橫向變化規(guī)律。對(duì)于設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，它能夠記錄任意時(shí)刻下該點(diǎn)的物理量，它可以用于輸出壓力、速度等物理量的時(shí)程曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布示意如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

2.1 單個(gè)點(diǎn)水的一般作用特性研究

為了分析水流的作用特性，選取2號(hào)點(diǎn)計(jì)算其壓強(qiáng)、流速，其壓強(qiáng)、流速時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 點(diǎn)2的壓強(qiáng)、流速時(shí)程曲線

由圖5得知，在動(dòng)態(tài)列車荷載的作用下，軌枕脫空處水的壓強(qiáng)和流速均成波動(dòng)變化，壓強(qiáng)流速正負(fù)交替波動(dòng)，并達(dá)到峰值，最大正壓強(qiáng)為43.5 kPa，最大負(fù)壓強(qiáng)為49.6 kPa。當(dāng)列車荷載作用到脫空軌枕時(shí)，對(duì)軌枕施加了一個(gè)向下的瞬時(shí)壓力，軌枕底的水產(chǎn)生了水流具有一定的壓強(qiáng)和流速，并且逐漸達(dá)到峰值，而當(dāng)列車荷載駛離脫空軌枕時(shí)，軌枕向上反彈，恢復(fù)到初始的未受力的狀態(tài)，軌枕底出現(xiàn)負(fù)壓力吸力，水流會(huì)被吸回軌枕脫空出，它們逐漸達(dá)到負(fù)向的最大值。軌枕長(zhǎng)度方向(x坐標(biāo)方向)的流速最大值達(dá)到0.263 m/s，寬度方向(z坐標(biāo)方向)的流速最大為0.06 m/s，軌枕高度方向(y方向)最大流速為0.02 m/s。這說明在列車荷載施加的過程中，軌枕下脫空區(qū)水的流速沿軌枕長(zhǎng)度方向的流速遠(yuǎn)大于軌枕寬度方向的流速，約是寬度方向的4倍;脫空區(qū)水的流速在軌枕寬度方向是其高度方向的3倍，由此可見在軌枕受豎向荷載作用時(shí)，沿軌枕高度方向的流速較小，基本可以不考慮其影響。所以對(duì)于枕下脫空區(qū)域的水體，可以考慮主要因素，主要研究水沿軌枕長(zhǎng)度和寬度方向即xz平面流速變化情況，關(guān)于流速的研究是按照xz平面分析x和z兩個(gè)方向的變化情況而進(jìn)行的。為了分析表述的方便，本文的方向按圖6中的規(guī)定來表述說明的。

2.2 水流場(chǎng)的作用特性分析

圖6 枕下脫空區(qū)水體平面示意

為了研究水流場(chǎng)的壓強(qiáng)，流速在脫空區(qū)內(nèi)沿軌枕長(zhǎng)度方向的變化(x方向，坐標(biāo)系參見圖6所示)，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)為1，2，3，4，5，6 的6 個(gè)點(diǎn)分析變化趨勢(shì)。通過整理數(shù)據(jù)，可以得到各個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)、流速的最大值，壓強(qiáng)、流速的最大值沿軌枕長(zhǎng)度方向(x方向)的變化如圖7所示。

由圖7可知，水流的壓強(qiáng)沿軌枕長(zhǎng)度方向(x方向)的變化是先增大，在5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處達(dá)到最大值，最大約為82 kPa，后逐漸減小，這說明在軌枕脫空區(qū)遠(yuǎn)離出口靠近脫空后端的壓強(qiáng)較大。同時(shí)軌枕長(zhǎng)度方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速在脫空區(qū)內(nèi)沿軌枕長(zhǎng)度、寬度方向均在1號(hào)點(diǎn)最大，x方向最大流速約為1.8 m/s，z方向最大流速約為0.2 m/s，z方向流速呈遞減的趨勢(shì)，這說明在軌枕脫空區(qū)靠近脫空前端出口處的水流速度大一些。因?yàn)榱熊嚱?jīng)過前，枕下靜水可視為各處水量都是一樣的，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)靜水由高頻列車荷載影響轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)水向四周擴(kuò)散，而軌枕同時(shí)下壓在出口位置向下的位移最大，即出口處橫截面積減小，出口處速度較大。

為了研究分析水流的壓強(qiáng)，流速在脫空區(qū)內(nèi)沿軌枕寬度方向的變化(z方向，坐標(biāo)系參見圖6所示)，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)為 6，16，17，18，12的6個(gè)點(diǎn)分析變化趨勢(shì)。通過整理數(shù)據(jù)，可以得到各個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)、流速的最大值，壓強(qiáng)、流速基本量的最大值沿z方向的變化如圖8所示。

圖7 壓強(qiáng)、流速的最大值沿軌枕長(zhǎng)度方向(x方向)的變化

圖8 壓強(qiáng)、流速基本量的最大值沿z方向的變化

由圖8可知，水流的壓強(qiáng)沿軌枕寬度方向(z方向)的變化是逐漸遞減的，在6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處達(dá)到最大值，最大約為51 kPa，后逐漸減小，在12號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)減小到約27 kPa，減小了24 kPa，6號(hào)點(diǎn)靠近脫空區(qū)后端中間而12號(hào)點(diǎn)靠近脫空區(qū)邊端，這說明脫空區(qū)水流壓強(qiáng)中間要比邊端大。軌枕寬度方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速在脫空區(qū)內(nèi)沿軌枕長(zhǎng)度有減少趨勢(shì)，但變化不大，而寬度方向的流速具有明顯的增大趨勢(shì)，在6號(hào)點(diǎn)最小，約為 0.03 m/s，在 12號(hào)點(diǎn)最大流速約為0.63 m/s，增加了約為0.6 m/s。這說明靠脫空邊端軌枕寬度方向上的流速較大，而軌枕中部的流速比端部的流速要小。

3 結(jié)論

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS CFX，建立了軌枕－水－道床板流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了軌枕脫空下水體的壓強(qiáng)和流速物理量的數(shù)值大小，總結(jié)了其變化趨勢(shì)。得出以下結(jié)論。

(1)軌枕脫空處水的壓強(qiáng)和流速均成波動(dòng)變化，壓強(qiáng)、流速正負(fù)交替波動(dòng)。軌枕下脫空區(qū)水的流速沿軌枕長(zhǎng)度方向最大，故在軌枕受豎向荷載作用時(shí)，水對(duì)裂紋的深度影響較為嚴(yán)重。

(2)軌枕下脫空區(qū)水的流速沿軌枕長(zhǎng)度方向和寬度方向的流速遠(yuǎn)大于軌枕高度方向的流速，在軌枕受豎向荷載作用時(shí)，沿軌枕高度方向的流速較小，基本可以不考慮其影響。

(3)在高頻列車荷載作用下，軌枕下脫空區(qū)水由靜水轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)水，對(duì)道床板進(jìn)行沖刷，導(dǎo)致道床板裂紋快速發(fā)展。尤其是脫空區(qū)中部，流速和壓強(qiáng)較大，所以裂紋極易從此處發(fā)展。在降雨量較大的地區(qū)，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)由于軌枕松動(dòng)產(chǎn)生的裂紋，防止其受水影響，加速裂紋的發(fā)展。

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