閆亞飛 李啟航，3 孫嘉良

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430063；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410075；4.中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 引言

雙塊式無砟軌道在我國鐵路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相較于板式無砟軌道具有造價(jià)較低、養(yǎng)護(hù)維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)。但目前所用的雙塊式無砟軌道其核心技術(shù)不具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[1]，我國鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施必然需求技術(shù)性能穩(wěn)定、掌握核心技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性好的軌道結(jié)構(gòu)形式，因此研發(fā)新型雙塊式無砟軌道需求迫切。

經(jīng)過多年運(yùn)營，雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的病害。鄧小嬌[2]、周會(huì)學(xué)[3]、李清油[4]、曾志平[5]、徐凌雁[6]等均對(duì)雙塊式無砟軌道出現(xiàn)的裂紋病害開展了處理措施研究。

楊松[7]等針對(duì)北京新機(jī)場(chǎng)線雙塊式無砟軌道采用取消底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。胡志鵬[8]針對(duì)高速鐵路橋上雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限元和數(shù)值計(jì)算的方法，運(yùn)用極限狀態(tài)法對(duì)道床板和底座進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)研究。張婭敏[9]針對(duì)穗莞深城際隧道采用設(shè)置減振墊層的雙塊式無砟軌道，通過建立有限元模型對(duì)單元板的合理長(zhǎng)度進(jìn)行了分析。李浩宇[10]針對(duì)雙塊式無砟軌道在施工中的不足，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出針對(duì)性措施。

文獻(xiàn)[1]提出了鋼管混凝土(CFT)軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即采用鋼管混凝土構(gòu)件連接混凝土軌枕塊，形成鋼管混凝土軌枕。采用自主研發(fā)的鋼管混凝土軌枕現(xiàn)澆鋼筋混凝土后形成鋼管混凝土枕式無砟軌道。李啟航[11]對(duì)鋼管混凝土軌枕受力性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求。

基于此，本文針對(duì)研發(fā)的市域鐵路橋上新型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)——鋼管混凝土枕式無砟軌道，開展結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

2 計(jì)算模型分析

2.1 CFT枕式無砟軌道設(shè)計(jì)方案

CFT枕式無砟軌道采用CFT軌枕現(xiàn)澆鋼筋混凝土形成。市域鐵路橋上普通地段取消底座，減振地段增加帶有矩形凸臺(tái)的底座和減振墊，并在道床板上設(shè)置凹槽。鋼軌采用60 kg/m鋼軌，扣件采用WJ-7型；CFT軌枕為廠制C60鋼管混凝土軌枕，道床采用C40混凝土。

2.2 CFT枕式無砟軌道計(jì)算分析模型

根據(jù)《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(T/CRSC 0101－2017)[12]，建立CFT枕式無砟軌道有限元計(jì)算分析模型，考慮列車荷載、溫度荷載和混凝土收縮同時(shí)作用下軌道結(jié)構(gòu)受力和變形。

(1)列車荷載

列車荷載考慮豎向設(shè)計(jì)荷載、橫向設(shè)計(jì)荷載。

豎向設(shè)計(jì)荷載:

式中，Pd為豎向設(shè)計(jì)荷載；α為動(dòng)載系數(shù)，取為2.0；Pi為靜輪載，取 8.5 t。

橫向設(shè)計(jì)荷載:

式中，Q為橫向設(shè)計(jì)荷載。

(2)溫度梯度荷載

采用常用溫度梯度，常用溫度梯度按最大溫度梯度一半取值，即正溫度梯度取為45℃/m，負(fù)溫度梯度取為22.5℃/m。整體道床為分塊結(jié)構(gòu)，不考慮整體溫度作用。

(3)混凝土收縮影響

混凝土收縮以等效降溫10℃取值。

為準(zhǔn)確分析道床板的受力和變形，同時(shí)保證較高的計(jì)算效率，選擇3塊軌道板長(zhǎng)度進(jìn)行建模，模型總長(zhǎng)14.88 m，取中間道床板為研究對(duì)象。鋼管采用Q235鋼材，軌枕塊采用C60混凝土，道床板和底座均采用C40混凝土材料，鋼管灌注抗壓強(qiáng)度達(dá)60 MPa的自密實(shí)砂漿材料。材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 CFT枕式無砟軌道主要計(jì)算參數(shù)

在建立的普通地段CFT枕式無砟軌道有限元計(jì)算模型中，鋼軌、CFT軌枕、道床板均采用實(shí)體單元，扣件采用彈簧單元，橋上支承面剛度取為1 000 MPa/m。

3 CFT枕式無砟軌道力學(xué)性能分析

3.1 普通地段CFT枕式無砟軌道力學(xué)性能分析

(1)列車荷載和負(fù)溫度梯度作用

列車荷載和負(fù)溫度梯度荷載同時(shí)作用時(shí)，CFT枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力和變形云圖分別見圖1、圖2。

圖1 普通地段負(fù)溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力云圖(單位：Pa)

圖2 普通地段負(fù)溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)變形云圖(單位：m)

提取計(jì)算結(jié)果中軌道部件各個(gè)方向受力和變形最大值，見表2。

表2 普通地段負(fù)溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力和變形最大值

由圖1、圖2和表2可知，在列車荷載和負(fù)溫度梯度荷載同時(shí)作用下，軌枕塊三個(gè)方向最大拉應(yīng)力分別為22.00 MPa、16.61 MPa和 10.55 MPa，均出現(xiàn)在鋼管位置。道床板最大橫向和縱向拉應(yīng)力分別為0.89 MPa和1.23 MPa，均出現(xiàn)在道床板頂面；最大垂向拉應(yīng)力為0.36 MPa，出現(xiàn)在道床板的板中軌枕槽位置處。道床板縱向、橫向和垂向位移最大值分別為0.12 mm、0.11 mm和0.42 mm。由于道床板發(fā)生翹曲，垂向位移最大值出現(xiàn)在道床板中心位置處，四角翹曲量為0.01 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應(yīng)力為縱向22.00 MPa，遠(yuǎn)小于鋼管屈服強(qiáng)度235 MPa。道床板最大拉應(yīng)力為縱向1.23 MPa，小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MP，滿足混凝土正常使用條件；最大位移為垂向0.42 mm，變形較小。

(2)列車荷載和正溫度梯度作用

列車荷載和正溫度梯度荷載同時(shí)作用時(shí)，CFT枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形云圖分別見圖3、圖4。

圖3 普通地段正溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力云圖(單位：Pa)

圖4 普通地段正溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)變形云圖(單位：m)

提取計(jì)算結(jié)果中軌道部件各個(gè)方向受力和變形最大值，見表3。

表3 普通地段正溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力和變形最大值

由圖3、圖4和表3可知，在列車荷載和正溫度梯度同時(shí)作用下，軌枕塊三個(gè)方向最大拉應(yīng)力分別為1.30 MPa、1.37 MPa和1.89 MPa。道床板最大橫向和縱向拉應(yīng)力分別為0.99 MPa和1.60 MPa，均出現(xiàn)在道床板的板底；最大垂向拉應(yīng)力為0.34 MPa，出現(xiàn)在道床板板中軌枕槽位置處。道床板橫向、垂向和縱向位移最大值分別為0.17 mm、0.40 mm和0.19 mm。由于道床板發(fā)生上拱，垂向位移最大值出現(xiàn)在道床板四角位置處，上拱量為0.18 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應(yīng)力為垂向1.89 MPa，遠(yuǎn)小于鋼管屈服強(qiáng)度235 MPa。道床板最大拉應(yīng)力為縱向1.60 MPa，小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MP，滿足混凝土正常使用條件；最大位移為垂向0.40 mm，變形較小。

3.2 減振地段CFT枕式無砟軌道力學(xué)性能分析

建立的減振地段CFT枕式無砟軌道計(jì)算模型在道床板底增加減振墊和帶凸臺(tái)的底座，并在道床板底部設(shè)置凹槽。減振墊采用三元乙丙橡膠材料。參數(shù)見表4。

表4 底座和減振墊主要計(jì)算參數(shù)

施加與普通地段相同的列車和溫度荷載，計(jì)算分析無砟軌道受力與變形情況。

(1)列車荷載和負(fù)溫度梯度作用

在列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下，CFT枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形云圖分別見圖5、圖6。

圖5 減振地段負(fù)溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力云圖(單位：Pa)

圖6 減振地段負(fù)溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)變形云圖(單位：m)

從計(jì)算結(jié)果中提取軌道部件各個(gè)方向受力和變形最大值，見表5。

表5 減振地段負(fù)溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力和變形最大值

由圖5、圖6和表5可知，在列車荷載和負(fù)溫度梯度荷載同時(shí)作用下，軌枕塊三個(gè)方向最大拉應(yīng)力分別為6.91 MPa、10.20 MPa和14.09 MPa。減振地段道床板最大縱向拉應(yīng)力為0.99 MPa，出現(xiàn)在道床板底面凹槽位置處；最大橫向拉應(yīng)力為1.24 MPa，出現(xiàn)在道床板頂面位置處；最大垂向拉應(yīng)力為1.19 MPa，出現(xiàn)在道床板板中軌枕槽位置處。底座最大縱向力為0.95 MPa，最大橫向應(yīng)力為1.19 MPa，最大垂向應(yīng)力為0.55 MPa，均出現(xiàn)在底面凸臺(tái)位置處。道床板縱向、橫向和垂向位移最大值分別為 0.12 mm、0.06 mm和1.28 mm；底座縱向、橫向和垂向最大位移分別為0.03 mm、0.04 mm和0.52 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應(yīng)力為垂向14.09 MPa，遠(yuǎn)小于鋼管屈服強(qiáng)度235 MPa。道床板最大拉應(yīng)力為縱向1.28 MPa，底座最大拉應(yīng)力為1.19 MPa，均小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MP，滿足混凝土正常使用條件。

(2)列車荷載和正溫度梯度作用

在列車荷載和正溫度梯度作用下，CFT枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形云圖分別見圖7、圖8。

圖7 減振地段正溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力云圖(單位：Pa)

圖8 減振地段正溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)變形云圖(單位：m)

從計(jì)算結(jié)果中提取軌道部件各個(gè)方向受力和變形最大值，見表6。

表6 減振地段正溫度梯度軌道結(jié)構(gòu)受力和變形最大值

由圖7、圖8和表6可知，在列車荷載和正溫度梯度荷載同時(shí)作用下，軌枕塊三個(gè)方向最大拉應(yīng)力分別為1.47 MPa、5.10 MPa和15.25 MPa。減振地段道床板最大縱向拉應(yīng)力為1.70 MPa，出現(xiàn)在道床板底面凹槽位置處；最大橫向拉應(yīng)力為1.32 MPa，出現(xiàn)在道床板上表面位置處；最大垂向拉應(yīng)力為1.46 MPa，出現(xiàn)在道床板板中軌枕槽位置處。底座最大縱向和橫向拉應(yīng)力分別為1.40 MPa和1.48 MPa，均出現(xiàn)在底座底面凸臺(tái)位置處；最大垂向拉應(yīng)力為0.73 MPa，出現(xiàn)在底座頂面凸臺(tái)位置處。道床板縱向、橫向和垂向位移最大值分別為0.24 mm、0.14 mm和1.38 mm；底座縱向、橫向和垂向位移最大值分別為0.04 mm、0.02 mm和0.11 mm。

綜上，軌枕塊最大拉應(yīng)力為垂向15.25 MPa，遠(yuǎn)小于鋼管屈服強(qiáng)度235 MPa。道床板最大拉應(yīng)力為縱向1.70 MPa，底座最大拉應(yīng)力為橫向1.48 MPa，均小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MP，均滿足混凝土正常使用條件。道床板最大位移為垂向1.38 mm，底座最大位移為垂向0.11 mm，變形均較小。

4 結(jié)論

(1)在普通地段，當(dāng)列車荷載和溫度荷載同時(shí)作用時(shí)，軌枕塊最大拉應(yīng)力為負(fù)溫度梯度作用下的縱向拉應(yīng)力22.00 MPa，出現(xiàn)在鋼管位置，遠(yuǎn)小于鋼管的屈服強(qiáng)度235 MPa。道床板最大拉應(yīng)力為正溫度梯度作用下的縱向拉應(yīng)力1.60 MPa，小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa；最大位移為負(fù)溫度梯度作用下的垂向位移0.42 mm，變形較小。以上各部件均滿足正常使用條件。

(2)在減振地段，當(dāng)列車荷載和溫度荷載同時(shí)作用時(shí)，軌枕塊最大拉應(yīng)力為負(fù)溫度梯度作用下的垂向拉應(yīng)力14.09 MPa，出現(xiàn)在鋼管位置，遠(yuǎn)小于鋼管屈服強(qiáng)度235 MPa。對(duì)于道床板和底座，最大拉應(yīng)力分別為正溫度梯度作用下的縱向拉應(yīng)力1.70 MPa和橫向拉應(yīng)力1.48 MPa，均小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa；最大位移分別為正、負(fù)溫度梯度作用下的垂向位移1.38 mm和0.52 mm，變形均較小。以上各部件均滿足正常使用條件。