陳方舟

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

從20世紀(jì)60年代美國(guó)重載鐵路24.9t的軸重到現(xiàn)今35.7t的最大重載鐵路軸重，再到正積極研究的39t軸重，國(guó)外鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)提高貨車(chē)軸重的研究從未間斷，取得了較多成果，并推動(dòng)了世界重載鐵路的發(fā)展[1,2]。然而在我國(guó)重載鐵路最大軸重僅為25t，與眾多發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距。因此，在我國(guó)建設(shè)30t軸重重載鐵路已成為必然趨勢(shì)[3]。列車(chē)軸重的增加會(huì)加大對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞作用，并會(huì)使線路產(chǎn)生較大變形[4,5]。為此，本文將針對(duì)30t軸重的重載軌道結(jié)構(gòu)，利用有限元方法，從靜力學(xué)的角度研究軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)曲線路段重載軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律，為30t軸重重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取提供理論參考。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

本文運(yùn)用有限元ANSYS軟件進(jìn)行建模。其中，鋼軌按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，并采用梁?jiǎn)卧M，以便計(jì)算鋼軌的軌頭與軌底的應(yīng)力；對(duì)軌下的膠墊，選用彈簧單元對(duì)其進(jìn)行模擬建模；在混凝土軌枕建模時(shí)，為了減少計(jì)算量并在保證模型仿真計(jì)算結(jié)果正確的前提下，簡(jiǎn)化了混凝土軌枕的幾何尺寸，選用梁?jiǎn)卧M；由于道床厚度、路基基床的頂面和底層均需考慮在內(nèi)，故采用實(shí)體單元對(duì)道床和路基進(jìn)行模擬。

本文建立的重載鐵路曲線路段的鋼軌-軌枕-道床-路基三維有限元計(jì)算模型如圖1所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)

本文研究一般條件下、設(shè)計(jì)速度為100km/h的重載鐵路。

鋼軌的彈性模量為 2.11×105MPa，泊松比為0.3。扣件的間距為570mm，采用混凝土Ⅲ型軌枕，軌枕的間距為1760根/公里，軌枕長(zhǎng)度為2600mm。道床的泊松比為0.27，密度為2000kg/m2，道床厚度為35cm，道床頂寬為3.3m，道床坡度為1:1.75。路基基床的彈性模量為180MPa，密度為1950kg/m2，泊松比為 0.25，路基基床以下部分的彈性模量為110MPa，密度為 1900 kg/m2，泊松比為 0.25，路基頂寬為6.5m，路基坡度為1:1.5。圓曲線半徑600m、最大坡度8‰。30t軸重采用南非30t貨車(chē)荷載列進(jìn)行加載，如圖2所示。

圖2 南非30噸貨車(chē)荷載

靜力荷載的取值：

考慮動(dòng)力影響，列車(chē)運(yùn)行速度采用100km/h，欠超高為90mm。

將代入公式：中，計(jì)算可得集中荷載： 。

2 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的分析

參與敏感性分析的主要軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)取值與所研究的軌道結(jié)構(gòu)的靜力性能見(jiàn)表1。

表1 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)取值與軌道結(jié)構(gòu)的靜力性能

2.1 鋼軌類(lèi)型的影響

道床彈性模量 200 MPa、扣件垂向剛度 10×107N/m，當(dāng)鋼軌采用60kg/m鋼軌時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 采用60kg/m鋼軌時(shí)軌道結(jié)構(gòu)靜力性能云圖

由圖3可知，鋼軌承受的最大彎矩為40930.5N·m，由于曲線半徑為600m，故f取1.60。

鋼軌軌頭壓應(yīng)力

鋼軌軌底壓應(yīng)力

故鋼軌為60 kg/m軌時(shí)，曲線地段鋼軌軌頭所承受的最大壓應(yīng)力為165.38MPa，鋼軌軌底所承受的最大壓應(yīng)力為193.18MPa；鋼軌垂向變形的最大值為3.294mm；軌枕彎矩的最大值為1269.99N·m；道床應(yīng)力的最大值為74.980KPa，該值小于道床應(yīng)力的允許值 500KPa；路基面應(yīng)力的最大值為65.596KPa，該值小于新建線路路基表面的允許壓應(yīng)力130KPa。

當(dāng)模型中鋼軌采用75 kg/m鋼軌時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鋼軌類(lèi)型對(duì)軌道結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

由表2可知，鋼軌類(lèi)型對(duì)鋼軌應(yīng)力的影響較為顯著。采用重型鋼軌可使鋼軌應(yīng)力明顯減小，在相同條件下，采用75kg/m鋼軌較60kg/m鋼軌的軌頭應(yīng)力減少了17%，軌底應(yīng)力減少了16%。與此同時(shí)，重型鋼軌可以降低軌枕、道床及路基的受力，對(duì)整體的軌道結(jié)構(gòu)十分有利。所以，從軌道結(jié)構(gòu)靜力學(xué)角度分析，對(duì)于30噸軸重的貨車(chē)應(yīng)優(yōu)先選用75 kg/m鋼軌，這樣才能改善鋼軌軌頭與軌底的受力情況，控制病害的產(chǎn)生。

2.2 扣件垂向剛度的影響

采用75kg/m鋼軌、道床彈性模量200 MPa，當(dāng)模型中扣件垂向剛度分別為 4×107、6×107、8×107、10×107、12×107N/m 時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，扣件垂向剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能均有一定影響。當(dāng)扣件垂向剛度從4×107N/m增加至12×107N/m時(shí)，鋼軌垂向位移減少了18%，鋼軌軌頭與軌底應(yīng)力減少了12%。由此可以看出，扣件垂向剛度越大，軌道結(jié)構(gòu)的變形和鋼軌的受力越小，有利于鋼軌的使用。但隨著扣件垂向剛度的增大，軌枕彎矩、道床應(yīng)力與路基面應(yīng)力也相應(yīng)增大，所以扣件垂向剛度并非越大越好，而是應(yīng)該合理設(shè)計(jì)。

2.3 道床彈性模量的影響

采用75kg/m鋼軌、扣件垂向剛度10×107N/m，當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ繛?00MPa時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示：

表3 扣件垂向剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

表4 道床彈性模量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

圖4 道床彈性模量為100MPa時(shí)軌道結(jié)構(gòu)靜力性能云圖

由圖4可知，鋼軌承受的最大彎矩為46444N·m，由于曲線半徑為600m，故取1.60。

鋼軌軌頭壓應(yīng)力

鋼軌軌底壓應(yīng)力

故當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ繛?00MPa時(shí)，曲線地段的鋼軌軌頭所承受的最大壓應(yīng)力為145.99MPa，鋼軌軌底所承受的最大壓應(yīng)力為172.01MPa；軌枕彎矩的最大值為 1238.72N·m；道床應(yīng)力的最大值為65.666KPa，該值小于道床應(yīng)力的允許值500KPa；道床垂向變形的最大值為3.37mm；路基面應(yīng)力的最大值為67.199KPa，該值小于新建線路路基表面的允許壓應(yīng)力130KPa。

當(dāng)模型中道床的彈性模量分別為140、160、180和200MPa時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，道床彈性模量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能均有影響，其中對(duì)道床變形的影響最大。當(dāng)?shù)来驳膹椥阅Ａ繌?00MPa增加到200MPa時(shí)，道床與軌枕的受力增大。其中，道床應(yīng)力增加7%，軌枕彎矩增加2.4%，影響道床的使用狀態(tài)。

當(dāng)?shù)来矎椥阅Ａ繌?00MPa減少到100MPa時(shí)，道床的垂向位移增加了24%，由此可見(jiàn)，道床剛度太小會(huì)使道床的變形過(guò)大，進(jìn)而增大軌道的動(dòng)位移，使行車(chē)阻力增大，同時(shí)還會(huì)對(duì)鋼軌的使用產(chǎn)生不利影響。

因此，在選擇道床彈性模量時(shí)，應(yīng)合理取值，彈性模量既不能太小，也不宜過(guò)大。3結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)60kg/m鋼軌與75kg/m鋼軌軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能對(duì)比研究可知，采用重型鋼軌可以明顯減小鋼軌受力，同時(shí)，其他軌道部件的受力也有相應(yīng)程度的降低。因此，對(duì)于30t軸重重載鐵路，建議采用75kg/m鋼軌。

（2）扣件垂向剛度的增加會(huì)使鋼軌軌頭、軌底以及鋼軌的垂向位移均有所減小，但道床應(yīng)力、軌枕彎矩與路基面應(yīng)力均有所增加。因此，選取扣件垂向剛度時(shí)應(yīng)綜合考慮軌道結(jié)構(gòu)受力特性，合理選擇扣件垂向剛度。

（3）道床彈性模量的增大可以減小道床垂向位移、鋼軌軌頭、軌底應(yīng)力與路基面應(yīng)力，但不利于道床與軌枕的受力，故道床彈性模量既不能太小，也不宜過(guò)大，建議道床彈性模量取160～200MPa。

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