張鵬飛，朱勇，雷曉燕

鋸齒互鎖式沉降自動補償鋼枕強度影響因素分析

張鵬飛，朱勇，雷曉燕

(華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

針對鐵路軌下基礎沉降引發(fā)的軌道不平順問題，提出一種能夠自動補償軌下基礎沉降的鋸齒互鎖式鋼枕。為研究該鋼枕結構參數對鋼枕強度的影響規(guī)律，基于有限元法建立鋼枕的三維空間耦合計算模型，計算不同沉降補償量下鋼枕結構各向強度，并分析鋼枕寬度、高度，以及頂、底板厚度等參數對鋼枕各向強度的影響規(guī)律。研究結果表明：鋼枕整體各向拉、壓應力均大于或等于局部鋸齒處應力；隨著沉降補償量的遞增，鋼枕整體橫向壓應力和鋸齒處各向應力均增大；鋼枕在一定沉降補償量下各向強度均滿足要求；增大鋼枕寬度能夠減小鋼枕整體橫向壓應力和鋸齒處各向應力；隨著鋼枕頂板厚度的遞增，鋼枕整體橫向壓應力和鋸齒處各向應力均顯著增大，建議關注鋼枕升降塊頂部鋸齒與頂板邊緣處的接觸應力；鋼枕高度和底板厚度對鋼枕整體和鋸齒處強度影響均較小。

鋸齒互鎖式；自動補償；鋼枕；強度分析；有限元法

鐵路的發(fā)展必須以安全性、可靠性、舒適性為前提，以線路的高平順性和軌下基礎的高穩(wěn)定性為保證[1]。鐵路線路在運營期間不可避免地會產生局部沉陷、不均勻沉降等問題，如果不及時處理，車輛?軌道相互作用力加劇，導致線路平順性顯著降低，嚴重影響旅客舒適性和行車安全性。因此，開展對鐵路軌下基礎沉降及時、有效的整治技術研究具有重大工程意義。國內外學者對鐵路軌下基礎沉降的整治和控制研究主要集中在加固路基和改善剛度平穩(wěn)過渡上[2?10]。廖進星[11]對高速鐵路松軟地基的地基加固處理技術進行了詳細的介紹，提出了對路橋、路涵過渡段等地段的地基加固措施以及相關原則與施工順序；陳果元等[12]結合秦沈客運專線，針對列車荷載作用下級配碎石路橋過渡段與土工格柵路橋過渡段的沉降規(guī)律進行現場測試及理論分析，得出土工格柵過渡段比級配碎石過渡段更能減小差異沉降的結論；孔祥仲等[13]從靜力學角度對板式軌道與普通軌道之間設置軌道剛度漸變的板式軌道過渡段提出了剛度設計方法，通過剛度的均勻過渡來減少過渡段間的沉降差，并提出采用不同厚度的瀝青混凝土道床寬軌枕軌道結構作為有砟與無砟軌道過渡段型式是具有良好過渡效果的。既有研究對減少線路沉降和降低過渡段兩側剛度變化率具有良好效果，但缺乏自動性和實時性，且整治技術施工工藝復雜，增大了養(yǎng)護維修成本。本文基于已有研究成果，在不改變線路軌下基礎的前提下，提出一種結構簡潔、自動調節(jié)的鋸齒互鎖式鋼枕；該鋼枕可鋪設于鐵路過渡段等地段，自動補償軌下基礎沉降，使線路始終保持平順狀態(tài)；基于有限元法建立鋼枕的三維空間耦合計算模型，計算不同沉降補償量下鋼枕結構強度，并分析鋼枕寬度、高度，以及頂、底板厚度等參數對鋼枕各向強度的影響規(guī)律。

1 鋼枕概況

1.1 鋼枕結構組成

鋸齒互鎖式沉降自動補償鋼枕三維外觀分解圖如圖1所示，鋼枕軌下起始高度為23.0 cm，后隨著鋼枕補償沉降后逐漸增加，其他外部結構尺寸與既有Ⅲ型混凝土枕相同；除承軌槽處外，鋼枕其余部分內置空心，頂板厚2.0 cm，側板厚3.0 cm，底板厚2.0 cm，兩端厚5.0 cm。

圖1 鋼枕三維外觀分解圖

沉降補償裝置內嵌于鋼枕承軌槽內，其斷面示意圖如圖2所示。

①—鋼枕；②—鋼軌；③—升降塊；④—鋼板；⑤—鋸齒；⑥—彈簧塊；⑦—小鋼棒；⑧—螺桿；⑨—鋼環(huán)套；⑩—防塵罩；—防塵套；—道砟；—螺帽

1.2 鋼枕工作原理

2 計算模型及參數

2.1 模型建立

基于有限元法，建立鋼枕三維空間耦合計算模型如圖3所示。鋼枕內彈簧塊采用COMBIN 14彈簧?阻尼器單元模擬，其余部分均采用SOLID 45實體單元模擬。對鋼枕底面采用全約束。

圖3 鋼枕三維空間耦合計算模型

2.2 模型參數

鋼枕模型尺寸為：長×寬×高=260.0 cm×32.0 cm×22.0 cm，本文鋼枕高度取承軌槽頂面高度為基準，高度變化為鋼枕整體同步變化。

與鋼枕匹配扣件選取常用彈條Ⅱ型扣件，依據實際情況并合理簡化，建立2根螺旋道釘錨固在鋼枕的升降塊上；螺旋道釘材質為低碳鋼Q235-A，直徑2.2 cm，長19.0 cm，埋入鋼枕升降塊深度11.0 cm，沿鋼枕承軌槽橫向中心線對稱布置，間距21.4 cm。螺旋道釘模型參數如表1所示。

表1 螺旋道釘模型參數

由于鋼枕材料屬性的各向同性，鋼枕各方向上的彈性模量、泊松比及強度限值均相同。選取鋼枕材質為優(yōu)質碳素結構鋼45號，根據文獻[14]，鋼枕模型參數和計算模型強度限值分別見表2和表3所示，其中，方向和方向拉、壓應力限值均取螺旋道釘抗拉、壓強度值為控制指標，方向拉、壓應力限值取鋼枕抗拉、壓強度值為控制指標。定義為鋼枕寬度方向(橫向)，為鋼枕高度方向(垂向)，為鋼枕長度方向(縱向)，下同。

表2 鋼枕模型參數

表3 計算模型強度限值

3 列車荷載作用下鋼枕強度分析

3.1 荷載工況

考慮到列車荷載工況較多，本文對鋼枕施加列車準靜態(tài)荷載，包括列車垂向、橫向和縱向荷載。

根據文獻[15]，列車垂向設計荷載應按式(1)計算，式中：d為軌枕動壓力；j為軌枕靜壓力；，1和2為速度系數，見表4；p為偏載系數，取0.15。

表4 速度系數

考慮列車勻速條件下，車輛與鋼軌作用產生的摩擦力經扣件傳遞到鋼枕，將輪軌間摩擦力近似與扣件受到的縱向水平力等同，列車縱向設計荷載應按式(3)計算，式中1為列車垂向力；為滑動摩擦因數，取0.2。

針對列車垂向荷載，板下膠墊將垂向荷載以均布形式傳遞到鋼枕升降塊上表面，即對鋼枕升降塊上表面施加面均布載荷，作用的垂向設計荷載大小為250 kN(方向)，換算成面均布荷載大小為5.60× 106N/m2；針對列車橫向和縱向荷載，將這2種荷載看作是完全依靠扣件螺紋道釘傳遞到鋼枕上，即分別對4根螺紋道釘半側外表面施加面均布載荷，作用的橫向荷載為115 kN(方向)，換算成面均布荷載大小為8.78×106N/m2；作用的縱向荷載為50 kN(方向)，換算成面均布荷載為3.82×106N/m2。

3.2 強度計算結果分析

考慮鋼枕處于不同沉降補償量下的實際工況，本節(jié)對不同沉降補償量下鋼枕整體及局部鋸齒處結構各向最大拉、壓應力進行計算，其計算結果如表5所示。

從表5可以看出，列車荷載作用下，鋼枕整體各向拉、壓應力均大于或等于局部鋸齒處應力，這是因為鋼枕整體最大拉、壓應力大多情況下均發(fā)生在螺旋道釘與鋼枕表面接觸處，并且接觸處產生了應力集中；隨著沉降補償量的增大，鋼枕整體方向最大壓應力逐漸遞增，其余方向上應力變化不明顯，這是因為鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣接觸位置處發(fā)生了應力集中，導致鋼枕整體方向最大壓應力發(fā)生在頂部鋸齒處，且應力值隨沉降補償量的增大而增大。

與此同時，鋼枕局部鋸齒處各向拉、壓應力均隨沉降補償量的增大而增大，但無論是鋼枕整體應力還是局部鋸齒處應力均小于對應強度限值，且有較大安全冗余。因此，鋼枕在一定沉降補償量下各向強度均滿足要求。

表5 鋼枕整體及局部鋸齒處結構各向最大拉、壓應力計算值

4 鋼枕強度影響因素分析

本節(jié)考慮鋼枕處于補償沉降4 cm后的工作狀態(tài)，假定鋼枕沉降補償4 cm后，針對鋼枕寬度、高度，以及頂、底板厚度等參數，分析列車荷載作用下4種參數分別對鋼枕整體及局部鋸齒處各向強度的影響。

4.1 鋼枕寬度的影響

保持其余參數不變，改變鋼枕的寬度，計算列車荷載作用下鋼枕寬度分別為28，30，32，34和36 cm時鋼枕整體及局部鋸齒處的應力，分析鋼枕寬度對鋼枕整體及局部鋸齒處各向強度的影響規(guī)律。其應力計算結果分別如圖4和圖5所示。

圖4 鋼枕整體應力

圖5 鋼枕鋸齒處應力

由圖4和圖5可知，列車荷載作用下鋼枕寬度對鋼枕整體除方向壓應力隨寬度遞增而減小外，其余應力均基本不變；隨著鋼枕寬度的遞增，鋼枕鋸齒處各方向上的拉、壓應力均明顯減小，且近似呈線性變化。

綜上所述，鋼枕寬度變化對鋼枕整體橫向強度和鋸齒處各向強度影響均很明顯；增大鋼枕寬度能夠減小鋼枕整體橫向壓應力和鋸齒處各向應力。

4.2 鋼枕高度的影響

保持其余參數不變，改變鋼枕的高度，計算列車荷載作用下鋼枕高度分別為18，20，22，24和26 cm時鋼枕整體及局部鋸齒處的應力，分析鋼枕高度對鋼枕整體及局部鋸齒處各向強度的影響規(guī)律。其應力計算結果分別如圖6和圖7所示。

圖6 鋼枕整體應力

圖7 鋼枕鋸齒處應力

由圖6和圖7可知，總體上來看，列車荷載作用下鋼枕高度對鋼枕整體的各向強度影響較?。浑S著鋼枕高度的遞增，鋼枕鋸齒處強度變化較為明顯，其方向壓應力和方向壓應力均隨之略微遞增，其余方向上應力均隨之略微遞減。

綜合上述，鋼枕高度變化對鋼枕整體和鋸齒處強度影響均較小。

4.3 鋼枕頂板厚度的影響

保持其余參數不變，改變鋼枕頂板的厚度，計算列車荷載作用下鋼枕頂板厚度分別為1，2，3，4和5 cm時鋼枕整體及局部鋸齒處的應力，分析鋼枕頂板厚度對鋼枕整體及局部鋸齒處各向強度的影響規(guī)律。其應力計算結果分別如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知，列車荷載作用下鋼枕頂板厚度對鋼枕整體方向壓應力影響顯著，隨著頂板厚度的遞增，方向壓應力顯著增大，這是由于隨著頂板厚度的增加，鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣處發(fā)生了較多處的應力集中，此外，鋼枕整體其余方向應力基本不變；與此同時，鋼枕鋸齒處各向應力均隨頂板厚度遞增而明顯增大。值得注意的是，當鋼枕頂板厚度大于3 cm時，鋼枕整體及鋸齒處方向壓應力均大于強度限值。

圖8 鋼枕整體應力

圖9 鋼枕鋸齒處應力

綜合上述，鋼枕頂板厚度變化對鋼枕整體橫向強度和鋼枕鋸齒處各向強度的影響顯著，并且當鋼枕頂板厚度大于3 cm時，鋼枕橫向壓應力超過強度限值。建議關注鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣處的接觸應力。

4.4 鋼枕底板厚度的影響

保持其余參數不變，改變鋼枕底板厚度，計算列車荷載作用下鋼枕底板厚度分別為1，2，3，4和5 cm時鋼枕整體及局部鋸齒處的應力，分析鋼枕底板厚度對鋼枕整體及局部鋸齒處各向強度的影響規(guī)律。其應力計算結果分別如圖10和圖11 所示。

圖10 鋼枕整體應力

圖11 鋼枕鋸齒處應力

由圖10和圖11可知，列車荷載作用下鋼枕底板厚度對鋼枕整體強度和局部鋸齒處強度影響均較??；隨著底板厚度的遞增，鋼枕整體除方向和方向拉應力出現較小波動外，其余方向上應力均基本不變；與此同時，鋼枕鋸齒處各向應力均隨底板厚度遞增而略微增大。

總體上來看，鋼枕底板厚度變化對鋼枕整體和鋸齒處強度影響均較小。

5 結論

1) 列車荷載作用下，鋼枕整體各向拉、壓應力均大于或等于局部鋸齒處應力；隨著沉降補償量的遞增，鋼枕整體橫向壓應力逐漸增大，其余方向上應力變化不明顯；與此同時，鋼枕局部鋸齒處各向拉、壓應力均隨沉降補償量的遞增而增大；鋼枕在一定沉降補償量下各向強度均滿足要求。

2) 鋼枕寬度對鋼枕整體橫向強度和鋸齒處各向強度影響均很明顯；增大鋼枕寬度能夠減小鋼枕整體橫向壓應力和鋸齒處各向應力。鋼枕高度變化對鋼枕整體和鋸齒處強度影響均較小。

3) 鋼枕頂板厚度對鋼枕整體橫向強度和鋸齒處各向強度影響顯著，隨著頂板厚度的遞增，鋼枕整體橫向壓應力和鋸齒處各向應力均顯著增大。當鋼枕頂板厚度大于3 cm時，鋼枕橫向壓應力超過強度限值，建議關注鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣處的接觸應力。鋼枕底板厚度變化對鋼枕整體和鋸齒處強度影響均較小。

[1] 郭積程. 高速鐵路路基上有砟軌道與無砟軌道過渡段研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2009. GUO Jicheng. Research on transition section between the ballasted track and ballastless track on subgrade of high-speed railway[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2009.

[2] 王楚發(fā). 高速鐵路路橋過渡段地基加固技術研究[D].成都: 西南交通大學, 2017. WANG Chufa. A study on foundation reinforcement technology of the bridge-subgrade transition section of high-speed railway[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2017.

[3] 趙利民. 鐵路客運專線路橋過渡段處置技術研究[D].長沙: 中南大學, 2006. ZHAO Limin. Research on disposal technology for bridge-subgrade transition section of the passenger dedicated railway line[D]. Changsha: Central South University, 2006.

[4] Stoyanovich G M, Pupatenko V V, Maleev D Y, et al. Solution of the problem of providing railway track stability in joint sections between railroad facilities and subgrade[J]. Procedia Engineering, 2017, 189: 587?592.

[5] 趙新益, 李時亮, 汪瑩鶴. 鐵路軟土地基路基沉降控制技術研究[J]. 鐵道工程學報, 2015, 32(5): 18?22. ZHAO Xinyi, LI Shiliang, WANG Yinghe. Settlement control technology of railway subgrade on soft soil foundation[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2015, 32(5): 18?22.

[6] 尤昌龍, 李殿龍. 鐵路客運專線路基沉降特性及其對策[J]. 鐵道科學與工程學報, 2005(5): 9?12. YOU Changlong, LI Dianlong. Settlement and deformation of passenger dedicated line and its countermeasure[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2005(5): 9?12.

[7] Kennedy T B. Symposium on grouting: Research in foundation grouting with cement[J]. Journal of the Soil Mechanics & Foundations Division, 2015.

[8] 王哲, 龔曉南, 程永輝, 等. 劈裂注漿法在運營鐵路軟土地基處理中的應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2005(9): 1619?1623. WANG Zhe, GONG Xiaonan, CHENG Yonghui, et al. Application of fracturing grouting method to treat soft foundation of operating railway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005(9): 1619?1623.

[9] 鄭剛, 龔曉南, 謝永利, 等. 地基處理技術發(fā)展綜述[J].土木工程學報, 2012, 45(2): 127?146. ZHENG Gang, GONG Xiaonan, XIE Yongli, et al. State of the art techniques for ground improvement in China[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(2): 127?146.

[10] 王曰國, 王星華, 楊秀竹. 鐵路巖溶路基注漿材料試驗研究[J]. 巖土力學, 2003(增2): 495?498. WANG Yueguo, WANG Xinghua, YANG Xiuzhu. An experimental study of grouting material for railway subbed in karst regions[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003(Suppl 2): 495?498.

[11] 廖進星. 高速鐵路松軟地基沉降控制與測試分析[J]. 鐵道工程學報, 2013, 30(3): 11?15. LIAO Jinxing. Controltest and analysis of soft foundation of high-speed railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2013, 30(3): 11?15.

[12] 陳果元, 唐小弟, 魏麗敏. 客運專線路橋過渡段沉降規(guī)律的對比分析[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2008(2): 151?155. CHEN Guoyuan, TANG Xiaodi, WEI Limin. Comparative analysis of the settlement distribution for road-bridge transition section of the passenger line[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2008(2): 151?155.

[13] 孔祥仲, 劉偉平, 王其昌, 等. 板式軌道過渡段剛度設計計算方法[J]. 鐵道標準設計, 2000(9): 7?9. KONG Xiangzhong, LIU Weiping, WANG Qichang, et al. Calculation method for stiffness design of slab track transition section[J]. Railway Standard Design, 2000(9): 7?9.

[14] GB/T 699—2015, 優(yōu)質碳素結構鋼[S]. GB/T 699—2015, Quality carbon structure steels[S].

[15] 張鵬飛, 羅錕. 鐵路軌道工程[M]. 長沙: 中南大學出版社, 2017. ZHANG pengfei, LUO kun. Railway track engineering [M]. Changsha: Central South University Press, 2017.

Analysis of influence factors on strength for serrated interlocking steel sleeper with settlement compensation automatically

ZHANG Pengfei, ZHU Yong, LEI Xiaoyan

(Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Aiming at the track irregularity problem, caused by the settlement of the below track foundation, a kind of serrated interlocking steel sleeper that can automatically compensate the settlement of the below track foundation has proposed. In order to study the influence of the steel sleeper’s structural parameters on strength, based on the finite element method, the three-dimensional space coupling calculation model of the steel sleeper was established, and the structure strength on all directions of steel sleeper under different settlement compensation was calculated, also the influence of the steel sleeper’s width, height and the top, bottom thickness on all directions strength were analyzed as well. The result shows that the maximum tensile and compressive stresses in all directions of the steel sleeper are greater than or equal to serrate structure stress. With the increase of settlement compensation, the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure increase. The strength in all directions of steel sleeper can meet the requirement under certain settlement compensation. Increasing the width of the steel sleeper can reduce the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure. With the increase of the steel sleeper’s top thickness, the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure increase significantly , and it is recommended to pay attention to the contact stress between the top serrated structure of the steel sleeper lifting block and the edge on the steel sleeper’s top roof plate. The height and bottom thickness of the steel sleeper have little influence on the strength of the overall steel sleeper and steel sleeper’s serrate structure.

serrated interlocking; automatic compensation; steel sleeper; strength analysis; finite element method

U213.3+6

A

1672 ? 7029(2019)08?1905 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.006

2018?10?31

國家自然科學基金資助項目(51768023，51578056)；江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ180290)

張鵬飛(1975?)，男，內蒙古赤峰人，副教授，博士，從事軌道結構研究；E?mail：zhangpf4236@163.com

(編輯 涂鵬)