郭杰 趙坪銳

（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）

隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的提高，輪軌相互作用加劇，加大了車(chē)輛和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)線路質(zhì)量狀態(tài)提出更高的要求。合理的軌道整體剛度對(duì)于滿足列車(chē)平穩(wěn)安全運(yùn)行、保證軌道結(jié)構(gòu)服役壽命、持久保持軌道幾何形位和提高旅客舒適度具有重要意義。

整體剛度是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和維修的重要參數(shù)[1-2]，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)砟軌道整體剛度問(wèn)題高度重視。德國(guó)研發(fā)了可以降低無(wú)砟軌道整體剛度的彈性基板并投入使用，日本采用較小剛度的線下膠墊來(lái)提高乘坐舒適性[3]。文獻(xiàn)[4-5]基于靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)開(kāi)展了無(wú)砟軌道整體剛度優(yōu)化的研究。文獻(xiàn)[6-7]研究了激振頻率對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道整體剛度的影響，結(jié)果表明低頻激勵(lì)下無(wú)砟軌道整體剛度變化較小，高頻激勵(lì)時(shí)無(wú)砟軌道整體剛度顯著增大。

無(wú)砟軌道整體剛度除了受自身結(jié)構(gòu)與材料特性影響外，還與所處的工作狀態(tài)有關(guān)。關(guān)于整體剛度的影響因素目前尚沒(méi)有全面、系統(tǒng)的研究。本文通過(guò)建立有限元模型，計(jì)算不同類(lèi)型、不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道在不同工作狀態(tài)下的整體剛度，分析無(wú)砟軌道所處工作狀態(tài)對(duì)整體剛度的影響。

1 有限元模型

以3種類(lèi)型板式無(wú)砟軌道（CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型）和雙塊式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，其線下基礎(chǔ)包括路基、橋梁、隧道。利用ANSYS軟件建立有限元模型。模型中鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，扣件和基礎(chǔ)采用線性彈簧單元模擬，中間各結(jié)構(gòu)層采用實(shí)體單元模擬。模型長(zhǎng)度取3塊軌道板或相當(dāng)長(zhǎng)度，取中間軌道板作為研究對(duì)象。列車(chē)荷載施加在模型中間扣件正上方。

以路基區(qū)段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為例，建立的有限元模型如圖1所示。軌道板、自密實(shí)混凝土、底座板尺寸（長(zhǎng)×寬×高）分別為5.60m×2.50m×0.21m，5.60 m×2.50 m×0.10 m，5.60 m×3.10 m×0.28 m?？奂g距為630 mm，垂向剛度取50 kN/mm，路基面支承剛度取76 MPa/m，主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。其他無(wú)砟軌道的主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

圖1 路基區(qū)段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道有限元模型

表1 路基區(qū)段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道主要計(jì)算參數(shù)

2 整體剛度的影響因素

無(wú)砟軌道整體剛度K定義為鋼軌承受的荷載P與鋼軌最大位移ymax之比，即

2.1 列車(chē)荷載對(duì)整體剛度的影響

列車(chē)荷載包括靜輪載和動(dòng)輪載。靜輪載的大小與軸重有關(guān)，本文軸重取15 t。動(dòng)輪載的大小與列車(chē)運(yùn)行速度、線路質(zhì)量狀態(tài)等有關(guān)。在脈沖型激擾如鋼軌接頭焊縫凸臺(tái)激擾下，列車(chē)荷載可能達(dá)到靜輪載的10倍左右[9]。列車(chē)荷載為75～ 1 000 kN時(shí)，不同線下基礎(chǔ)條件下，4種無(wú)砟軌道的整體剛度隨列車(chē)荷載的變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)砟軌道整體剛度隨列車(chē)荷載的變化曲線

由圖2可知：①對(duì)于同一種線下基礎(chǔ)，不同類(lèi)型無(wú)砟軌道的整體剛度變化趨勢(shì)一致，均隨列車(chē)荷載的增大而增大。②隨著列車(chē)荷載的增大，不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道整體剛度的增幅不同。列車(chē)荷載從75 kN增至1 000 kN時(shí)，路基區(qū)段增幅為18.1%～20.4%，橋梁區(qū)段增幅為2.4%～2.7%，隧道區(qū)段增幅為1.8%～2.6%。可見(jiàn)，列車(chē)荷載的增大對(duì)路基區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響明顯大于橋隧區(qū)段。

顯然，無(wú)砟軌道整體剛度并非一定值，與線下基礎(chǔ)、列車(chē)荷載均有關(guān)。因此，在描述無(wú)砟軌道整體剛度時(shí)須說(shuō)明其線下基礎(chǔ)類(lèi)型和列車(chē)荷載。

2.2 脫空對(duì)整體剛度的影響

無(wú)砟軌道承受的荷載比較復(fù)雜，且往往是暴露在戶外環(huán)境中，加之受施工不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，常常發(fā)生脫空病害。本文列車(chē)荷載施加在模型中間扣件上，僅研究板中軌道板、底座板/支承層脫空對(duì)無(wú)砟軌道整體剛度的影響。

為避免繁復(fù)的計(jì)算，對(duì)脫空進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。以路基區(qū)段CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道為例，假設(shè)沿軌道板、支承層橫向完全脫空，軌道板脫空時(shí)假設(shè)脫空沿CA砂漿厚度完全傷損，支承層脫空時(shí)刪除對(duì)應(yīng)位置的路基彈簧以模擬脫空，如圖3所示。其中l(wèi)為脫空長(zhǎng)度，取0.5～1.5 m。

圖3 路基區(qū)段CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道脫空簡(jiǎn)化示意

不同類(lèi)型、不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道整體剛度隨軌道板、底座板/支承層脫空長(zhǎng)度的變化曲線見(jiàn)圖4、圖5。列車(chē)荷載取軸重的1.5倍，即115 kN。

圖4 無(wú)砟軌道整體剛度隨軌道板脫空長(zhǎng)度的變化曲線

由圖4可知：①對(duì)于同一種線下基礎(chǔ)，不同類(lèi)型無(wú)砟軌道的整體剛度變化趨勢(shì)一致，均隨軌道板脫空長(zhǎng)度的增大而減小。這主要是由軌道板脫空時(shí)鋼軌最大位移的增大造成的。②隨著軌道板脫空長(zhǎng)度的增大，不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道整體剛度的減幅不同。軌道板脫空長(zhǎng)度增至1.5 m時(shí)，路基區(qū)段CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的整體剛度分別減小 12.7%，2.3%，3.2%；橋梁區(qū)段分別減小24.1%%，4.6%，5.3%；隧道區(qū)段分別減小24.3%，4.9%，5.2%?？梢?jiàn)，軌道板脫空對(duì)橋隧區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響較路基區(qū)段大。

圖5 無(wú)砟軌道整體剛度隨底座板/支承層脫空長(zhǎng)度的變化曲線

由圖5可知：①對(duì)于同一種線下基礎(chǔ)，不同類(lèi)型無(wú)砟軌道的整體剛度變化趨勢(shì)一致，均隨底座板/支承層脫空長(zhǎng)度的增大而減小。②隨著底座板/支承層脫空長(zhǎng)度的增大，不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道整體剛度的減幅不同。底座板/支承層脫空長(zhǎng)度增至1.5 m時(shí)，路基區(qū)段CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的整體剛度減小17.3%，橋梁和隧道區(qū)段分別減小10.7%和10.0%；其他3種類(lèi)型的無(wú)砟軌道，路基、橋梁和隧道區(qū)段分別減小13.0%～13.9%，5.9%～8.4%，5.4%～9.3%?？梢?jiàn)，底座板/支承層脫空對(duì)路基區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響較橋隧區(qū)段大。

綜上，軌道板、底座板/支承層脫空均會(huì)導(dǎo)致無(wú)砟軌道整體剛度減小，且對(duì)于不同的脫空類(lèi)型、無(wú)砟軌道類(lèi)型和線下基礎(chǔ)類(lèi)型，脫空對(duì)無(wú)砟軌道整體剛度的影響程度不同。其中，橋隧區(qū)段的CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道軌道板脫空對(duì)整體剛度影響最大，致使在列車(chē)荷載作用下無(wú)砟軌道位移大幅增加，影響列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性和旅客乘坐舒適性。建議加強(qiáng)對(duì)脫空尤其是橋隧區(qū)段軌道板脫空的日常巡檢，并結(jié)合具體脫空程度確定維修等級(jí)。

2.3 扣件剛度突變對(duì)整體剛度的影響

扣件彈條、膠墊失效及施工不當(dāng)?shù)葧?huì)導(dǎo)致扣件剛度發(fā)生突變，嚴(yán)重時(shí)可能達(dá)到正常剛度的10倍以上?？奂偠韧蛔儗?duì)車(chē)輛和軌道動(dòng)力特性均會(huì)帶來(lái)不利影響，其計(jì)算工況如圖6所示?？奂偠攘熊?chē)荷載作用點(diǎn)處的扣件剛度突變值取100 ～1 000 kN/mm[10]，其余扣件剛度不變，均為50 kN/mm，列車(chē)荷載取115 kN。

圖6 扣件剛度突變計(jì)算工況示意

圖7 無(wú)砟軌道整體剛度隨扣件剛度突變的變化曲線

不同類(lèi)型、不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道整體剛度隨扣件剛度突變的變化曲線見(jiàn)圖7。可知：①對(duì)于同一種線下基礎(chǔ)，不同類(lèi)型無(wú)砟軌道的整體剛度變化趨勢(shì)一致，均隨扣件剛度突變的增大而顯著增大，但增大速度逐漸減小。②隨著扣件剛度突變的增大，不同線下基礎(chǔ)的無(wú)砟軌道整體剛度的增幅不同?？奂偠韧蛔冎? 000 kN/mm時(shí)，路基區(qū)段CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的整體剛度增大104.6%，橋梁和隧道區(qū)段分別增大254.0%和261.7%；其他3種類(lèi)型的無(wú)砟軌道，路基、橋梁和隧道區(qū)段分別增大142.4%～153.9%，394.6%～423.6%，401.4%～431.4%?？梢?jiàn)，扣件剛度突變對(duì)橋隧區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響較路基區(qū)段顯著。

整體剛度的增大將加劇輪軌相互作用，從而增大無(wú)砟軌道應(yīng)力水平，降低無(wú)砟軌道使用壽命，故現(xiàn)場(chǎng)扣件施工時(shí)須嚴(yán)格按照扣件各部件安裝順序，詳細(xì)檢查扣件安裝是否合適，并建議加強(qiáng)對(duì)扣件剛度的日常巡檢，發(fā)現(xiàn)有剛度突變的扣件應(yīng)立即進(jìn)行維修。

3 結(jié)論及建議

1）無(wú)砟軌道整體剛度隨列車(chē)荷載增大而增大。列車(chē)荷載的增大對(duì)路基區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響明顯大于橋隧區(qū)段。

2）軌道板、底座板/支承層脫空均會(huì)導(dǎo)致無(wú)砟軌道整體剛度減小，整體剛度隨脫空長(zhǎng)度的增大而減小。對(duì)于不同的無(wú)砟軌道類(lèi)型和線下基礎(chǔ)類(lèi)型，脫空對(duì)無(wú)砟軌道整體剛度的影響程度不同，軌道板脫空對(duì)橋隧區(qū)段的CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道整體剛度影響最大，且對(duì)橋隧區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響較路基區(qū)段大；而底座板/支承層脫空均對(duì)路基區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響較橋隧區(qū)段大。

3）無(wú)砟軌道整體剛度隨扣件剛度突變的增大而顯著增大，但增大速度逐漸減小。對(duì)于不同的無(wú)砟軌道類(lèi)型和線下基礎(chǔ)類(lèi)型，扣件剛度突變對(duì)無(wú)砟軌道整體剛度的影響程度不同，對(duì)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道整體剛度的影響最小?？奂偠韧蛔儗?duì)橋隧區(qū)段無(wú)砟軌道整體剛度的影響較路基區(qū)段顯著。

4）建議加強(qiáng)對(duì)脫空和扣件剛度的日常巡檢，結(jié)合具體脫空程度確定維修等級(jí)，對(duì)剛度突變的扣件立即進(jìn)行維修。

目前，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研制的移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車(chē)已能夠成功檢測(cè)軌道整體剛度并識(shí)別軌道質(zhì)量不良地段[11]。本文研究成果對(duì)基于軌道整體剛度檢測(cè)結(jié)果識(shí)別軌道質(zhì)量不良地段的研究與應(yīng)用具有積極的意義，可為無(wú)砟軌道病害識(shí)別與維護(hù)、線路質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供一定的指導(dǎo)。