蔡敦錦，趙東鋒，肖杰靈，王　平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都　610031)

鋼桁梁明橋面合成軌枕結構初步設計及其受力分析

蔡敦錦，趙東鋒，肖杰靈，王平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031)

摘要：合成軌枕是一種以玻璃長纖維和硬質聚氨酯樹脂為主要成分，通過成型板壓縮粘結制造而成的軌枕。通過對明橋面上鋪設合成軌枕的結構進行設計與計算，確定了明橋面上合成軌枕的結構形式?；谟邢迒卧ń⒂?根軌枕組成的軌排模型，對該模型進行受力分析，并研究合成軌枕厚度和寬度變化時其位移和應力的變化規(guī)律。研究結果表明：隨著合成軌枕厚度的增加，軌下軌枕垂向位移值將趨于定值；隨著合成軌枕寬度的增加，軌下軌枕垂向位移值也將趨于定值。合成軌枕的尺寸對軌枕壓應力的影響較大，對軌枕拉應力的影響較小。綜合考慮合成軌枕的承載力要求、扣件安裝需要的合理尺寸、軌枕安裝需要的安裝空間、現場施工條件對尺寸的要求及經濟性等因素，確定了合成軌枕的合理尺寸為：長度3 000 mm，寬度取值范圍為260～300 mm，厚度取值范圍為220～280 mm。

關鍵詞：鋼桁梁橋；明橋面；合成軌枕；有限元；結構設計

目前，鋼桁梁明橋面上鋪設的軌枕主要為木枕和合成軌枕。在日本，合成軌枕的應用比較廣泛。我國在鋼桁梁明橋面上主要使用木枕[1]，少部分地鐵鋼桁梁明橋面上嘗試鋪設了合成軌枕，在大鐵路鋼桁梁明橋面上，國內鮮有報道。另外，經考察發(fā)現，當前我國下承式鋼梁橋上鋪設的木枕破損嚴重，更換周期短，養(yǎng)護維修的代價高。而由高性能合成樹脂材料制作而成的合成軌枕，較木枕有著明顯的優(yōu)勢。

合成軌枕是一種以玻璃長纖維和硬質聚氨酯樹脂為主要成分，通過成型板壓縮粘結制造而成的軌枕[2-6]。合成軌枕相對木枕的優(yōu)勢主要表現在以下幾方面，強度：強度高、柔韌性好、能減輕振動及噪聲；耐久性：防腐性及耐水性極強，50年以上長期穩(wěn)定；施工性：質量輕，施工容易，可在現場加工，工期短；修補翻新：釘孔修補容易，可靈活對應軌道位置的變更；生產效率：連續(xù)模具法，效率高，質量穩(wěn)定，交貨期短；環(huán)境保護：修補翻新后可再利用，可靈活對應軌道位置的變更；經濟性：長壽命及其易于施工等，可以降低總成本[7-11]。

近些年，我國一些軌枕廠家開始重視對合成軌枕的研究，并取得了技術突破，生產出的合成軌枕已能滿足使用要求。基于此，有關部門開始嘗試在軌道上鋪設合成軌枕。國內學者也對合成軌枕進行了一些研究，但是對于在鋼桁梁明橋面上合成軌枕合理結構尺寸的研究還沒有。所以有必要對此進行相關的研究。下面以某鋼桁梁明橋面鐵路橋為例，探討鋼桁梁明橋面上鋪設合成軌枕結構的初步設計及其受力分析。

1鋼桁梁明橋面上鋪設合成軌枕結構確定

1.1某鋼桁梁橋原有軌道結構概況

在鋼桁梁橋的兩根縱梁上鋪設有開底槽的木枕，縱梁寬度為260 mm，木枕尺寸為3 000 mm×220 mm×240 mm，軌枕底槽尺寸為260 mm×220 mm×120 mm，軌枕中心距為420 mm，在角鋼處個別最大的軌枕中心距為480 mm。軌枕與鋼縱梁用鉤頭道釘連接，基本軌采用60 kg/m鋼軌，護軌采用50 kg/m鋼軌，基本軌扣件采用K型扣件，護軌用道釘固定于木枕上。

1.2合成軌枕結構設計

根據現有條件，為了提高軌道結構的強度及耐久性，現考慮將鋼桁梁橋軌道結構的木枕更換為合成軌枕，并對其進行基本的結構設計計算。具體結構設計確定如下：基本軌扣件系統(tǒng)擬采用小阻力扣件形式，護軌扣件采用扣板式，護枕更換為合成樹脂玻璃纖維材料的護枕。其他軌道結構零部件保持原有形式不變，但需要采用相應養(yǎng)護維修技術對相關零部件進行養(yǎng)護維修。

2計算模型及參數

2.1計算模型

鋼桁梁明橋面軌道結構主要由鋼軌、護軌、扣件、軌枕、剛縱梁及鉤頭道釘組成。采用有限單元法建立鋼桁梁明橋面上合成軌枕有限元模型，如圖1所示。其中，鋼軌采用梁單元beam188模擬，扣件采用彈簧單元combin14模擬，鐵墊板、合成軌枕及鋼縱梁均采用實體單元solid45模擬，鐵墊板與軌枕，軌枕與鋼縱梁間采用接觸單元。軌枕間中心距取為0.6 m?？紤]到下承式鋼桁梁結構的實際情況，將鋼縱梁兩端面全約束。鋼桁梁橋上兩鋼縱梁間存在支撐梁，不同鋼桁梁橋鋼縱梁間的支撐情況不盡相同。為了偏于安全考慮，本文將模型中的鋼縱梁兩側面的x方向約束。本文中的荷載形式僅為垂向準靜態(tài)荷載，故對扣件和鋼軌的橫向進行了相關約束：①為防止扣件在水平方向發(fā)生異常變化，對扣件x和z方向的扭轉自由度進行約束；②為了防止鋼軌發(fā)生異常而翻轉，將鋼軌梁兩端面的x方向扭轉自由度進行約束，對y方向位移進行約束。

圖1　有限元計算模型

2.2計算參數

(1)合成軌枕強度限值

合成軌枕的強度限值見表1。其中，坐標X方向表示為軌枕長度方向(玻璃纖維方向)，坐標Y方向為軌枕厚度方向，坐標Z方向為軌枕橫向。

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表1　合成軌枕的強度限值　MPa

(2)軌道荷載參數(表2)

表2　車輛參數

參考實際列車軸重，計算時，軸重選為230 kN，當客車速度達到200 km/h時，動荷載按下式計算[12]

式中Pj——靜輪載；

α、α1、α2——速度系數，參見表3；

β——偏載系數，取0.15。

將各參數代入上式得

Pd=0.5×230×(1+0.6×120/100+0.15)×

(1+0.3×40/100)×

(1+0.45×40/100)=284.2kN

表3　速度系數

考慮到軌道結構自身的初始不平順，還會產生一定的動力附加值，本方案中在計算時，豎向設計輪載采用300 kN。

(3)合成軌枕材料參數如表4所示，扣件、合成軌枕及縱梁初始尺寸參數見表5。由于是準靜態(tài)荷載受力分析，扣件主要起到傳遞力的作用，所以扣件剛度對受力分析的影響不大，扣件剛度擬取為3.0×107N/m2。由于本文主要研究軌枕的受力隨其尺寸的變化情況，鋼縱梁默認為剛性的，其變形可以忽略，鋼縱梁彈性模量取為2.11×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。鐵墊板材料參數取與鋼縱梁參數相同。

表4　合成軌枕材料參數

注：合成軌枕尺寸參考滬昆線原有木枕最小尺寸，合成軌枕彈性模量E和密度是通過實驗測算出來的(參考《合成軌枕在日本鐵路上的應用》)。合成軌枕比重大約是Ⅲ型混凝土枕的1/3，則其密度是混凝土枕的1/3。

表5　扣件、合成枕及縱梁尺寸參數　mm

3合成軌枕厚度的影響

保持其他參數不變，改變合成軌枕的厚度，計算在列車豎向設計荷載作用下的合成軌枕的厚度分別為180、200、220、240、260、280 mm時的位移和應力，分析合成軌枕厚度對合成軌枕的位移和應力的影響，結果如圖2、圖3所示。

圖2　合成軌枕厚度對軌道結構垂向位移的影響

由圖2可以看出，隨著合成軌枕厚度的增加，軌下合成軌枕的垂向位移隨之減小，這是由于軌枕厚度的增加軌枕截面厚度增加，從而增加了軌枕抗彎曲的能力。從圖中可以看出，隨著軌枕厚度的增加其軌下垂向位移的減小速率在相應減小。厚度從180～200 mm的減少率為18.9%，從200～220 mm厚度的減少率為16.2%，從220～240 mm厚度的減少率為13.8%，從240～260 mm厚度的減少率為11.7%，從260～280 mm厚度的減少率為9.3%。由此可看出，減少率隨著厚度增加在逐漸降低，其減少值的降低值平均約為2.5%。故可推測當合成軌枕厚度達到一定值時，隨著軌枕厚度的增加，軌下軌枕垂向位移值將趨于定值。綜合考慮各種因素，特別是考慮到鋼桁梁線路厚度的限值，不可能無限制地增加軌枕的厚度，所以軌枕厚度的取值范圍建議為220～280 mm。

圖3　合成軌枕厚度對合成軌枕應力的影響

由圖3可以看出，隨著合成軌枕厚度的增加，大體上合成軌枕的最大拉、壓應力隨之減小。這是由于厚度增加，截面抗彎剛度增加導致的。然而，可以看出，在軌枕厚度從260 mm變化到280 mm時，軌枕的應力突然增大，這可能是由于合成軌枕發(fā)生反轉失穩(wěn)引起的。

從圖3中也可以看出，在一定范圍內，軌枕的最大壓應力的減小速率比軌枕最大拉應力的減小速率要大，最大壓應力的減小速率平均約為11.3%，而在厚度從260 mm變化到280 mm時其應力增加速率為11%，可見其最大壓應力的減小速率與到一定值后的增加速率相仿，所以在設計軌枕厚度時要綜合考慮合理選取。從圖3中還可以看出，軌枕所受的最大壓應力遠大于其所受拉應力，且最大壓應力主要發(fā)生在軌枕底槽內側面處，這主要是軌枕底槽處發(fā)生應力集中。從減小合成軌枕應力的角度講，在一定范圍內，合成軌枕厚度是越大越好。但是，在一定的范圍內，合成軌枕的應力一直保持在設計控制值之內。同時，由于合成軌枕厚度過高可能引起軌枕側翻或超過線路限高等問題，合成軌枕的厚度滿足軌道結構的構造要求即可。

綜合考慮合成軌枕厚度對軌下垂向位移及對軌枕應力的影響，擬定鋼桁梁上合成軌枕厚度范圍為220～280 mm。

4合成軌枕寬度的影響

保持其他參數不變，改變合成軌枕的寬度，計算在列車豎向設計荷載作用下合成枕的寬度分別為180、200、220、240、260、280 mm時的應力和位移變化，分析合成軌枕寬度對合成軌枕應力和位移的影響，其結果如圖4、圖5所示。

圖4　合成軌枕寬度對合成枕最大垂向位移的影響

圖5　合成軌枕寬度對合成軌枕應力的影響

由圖4可以看出，隨著合成軌枕寬度的增加，軌下合成軌枕的垂向位移隨之減小。這是由于隨著軌枕寬度的增加，軌枕截面寬度增加，軌枕抵抗彎曲變形的能力增加引起的。從圖4中可以看出，隨著軌枕寬度的增加，軌下軌枕垂向位移隨之相應減小。寬度從180～200 mm的減少率為10%，從200～220 mm的減少率為9.9%，從220～240 mm的減少率為8.4%，從240～260 mm的減少率為7.6%，從260～280 mm的減少率為6.6%。由此可看出，減少率隨著寬度增加在逐漸降低，其減少值的降低值平均約為0.85%。由此可推測，當合成軌枕寬度達到一定值時，隨著軌枕寬度的增加，軌下軌枕垂向位移值趨于定值?？紤]到鋼桁梁上軌枕的施工空間、扣件安裝對軌枕寬度的要求、軌枕中心距的值不能太大及經濟性等因素，不可能無限制地增加軌枕的寬度。綜合考慮各種因素，鋼桁梁上合成軌枕寬度取值范圍為260～300 mm。

由圖5可以看出，隨著合成軌枕寬度的增加，大體上最大拉、壓應力隨之減小，這是由于軌枕寬度的增加，截面抗彎剛度增加的原因。然而可以看出，在軌枕寬度從260 mm變化到280 mm時，軌枕的應力突然增大，這可能是由于合成軌枕發(fā)生應力集中引起的。從圖5中也可以看出，在一定范圍內，軌枕的最大壓應力的減小速率比軌枕最大拉應力的減小速率要大，最大壓應力的減小速率平均約為12.7%，而在厚度從260 mm變化到280 mm時其應力增加速率為7.5%，軌枕的最大拉應力的變化相對較小，不對軌枕強度起控制作用，在設計軌枕寬度時要綜合考慮合理選取。從減小合成軌枕應力的角度考慮，寬度在一定范圍內，合成軌枕是越寬越好，但是，在一定范圍內，合成軌枕的應力一直保持在設計控制值之內，同時軌枕過寬沒有足夠的施工空間、應力集中會更加明顯且經濟性較差，合成軌枕的寬度滿足構造要求即可。

綜合考慮軌枕寬度對軌下垂向位移及軌枕應力的影響，擬定軌枕寬度取值范圍為260～300 mm。

5結論及建議

基于有限單元法建立了合成軌枕實體模型，模擬了某地鋼桁梁橋上明橋面鋪設合成軌枕的受力情況，對合成軌枕在列車荷載作用下的力學行為進行了計算分析，并可得出如下結論。

(1)合成軌枕的尺寸對合成軌枕位移、應力均有一定的影響。隨著合成軌枕厚度的增加，軌下軌枕垂向位移值將趨于定值；隨著合成軌枕寬度的增加，軌下軌枕垂向位移值也將趨于定值。

(2)合成軌枕尺寸對軌枕壓應力的影響較大，對軌枕拉應力的影響較小。軌枕受到的壓應力遠大于其所受的拉應力，這主要是由于底槽處應力集中引起軌枕所受的壓應力比拉應力要大得多。

(3)綜合考慮合成軌枕的承載力要求、扣件安裝需要的合理尺寸、軌枕安裝需要的安裝空間、現場施工條件對尺寸的要求及經濟性等因素，研究確定了合成軌枕合理尺寸為：長3 m、寬度取值范圍為260～300 mm、厚度取值范圍為220～280 mm。

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Structure Design and Stress Analysis of Composite Sleeper on Steel Truss Bridge Deck

CAI Dun-jin， ZHAO Dong-feng， XIAO Jie-ling， WANG Ping

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China)

Abstract：The synthesis sleeper is a kind of sleeper which is mainly consisted of long glass fiber and rigid polyurethane resin and manufactured by compressing with molding plate bonding. With design and calculation of the composite sleeper on the bridge deck， the structural form is determined. A track row model with 5 sleepers is established based on the finite element software ANSYS to analyze the stress of the model and study the displacement and change with the change of the composite sleeper height and width. The results show that with the increase of thickness of synthetic sleeper， the vertical displacement of the sleeper under rail tends to become constant; with the increase of the synthetic sleeper width， the vertical displacement under rail also tends to become constant. The size of the synthesis sleeper has greater effect on the sleeper compressive stress than on the tensile stress. With the comprehensive consideration of the requirements for bearing capacity of the composite sleeper， the reasonable installation dimensions of the fastener， the space for installation of the sleeper， the site construction conditions， the economy and so on; the reasonable size of the sleeper is determined to be 3 000 mm long， 260～300 mm wide and 220～280 mm thick.

Key words：Steel truss bridge; Bridge deck; Composite sleeper; Finite element; Structure design

中圖分類號：U213.3

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.008

文章編號：1004-2954(2015)06-0032-04

作者簡介：蔡敦錦(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：1198876623@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金(51108392)；四川省科技創(chuàng)新研究團隊基金(2011JTD0008)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(SWJTU12CX079)

收稿日期：2014-09-16； 修回日期：2014-10-06