楊斌，亓偉，陳江

(1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京100844;2.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，四川成都610031)

無砟軌道防風(fēng)沙設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)性能的影響分析

楊斌1，2，亓偉2，陳江2

(1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京100844;2.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，四川成都610031)

蘭新二線防水沙設(shè)計(jì)通過加高軌枕承軌臺、增大鋼軌下過沙空間避免風(fēng)區(qū)沙石堆積，同時(shí)降低支承層厚度以保證結(jié)構(gòu)整體高度不變。通過建立軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析加高承軌臺、降低支承層厚度對軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。分析結(jié)果表明:承軌臺厚度的增加將引起軌枕擋肩混凝土拉應(yīng)力增大;支承層厚度的減小將增加軌道各結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力幅值，增大軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的豎向位移。這一防風(fēng)沙設(shè)計(jì)方案基本滿足無砟軌道設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。此外，有必要對軌枕增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，避免軌枕開裂破壞。

鐵道工程 雙塊式無砟軌道 防風(fēng)沙 軌枕 支承層

蘭新第二雙線(以下簡稱蘭新二線)地處我國西北地區(qū)，該地區(qū)風(fēng)沙較大，既有鐵路線路常年遭受沙石侵襲，沙石在軌道上堆積(如圖1所示)嚴(yán)重影響列車正常運(yùn)行［1］。為防止風(fēng)沙侵蝕鐵路線路，國內(nèi)外采取了多種預(yù)防措施，目前主要是在線路外側(cè)設(shè)置防風(fēng)沙設(shè)施。如:建立防風(fēng)林帶［2］，設(shè)立土工合成材料沙障［3］、擋風(fēng)墻［4-7］或者防風(fēng)明洞等［8-14］。這些措施可以單獨(dú)使用，也可以幾種措施綜合使用。蘭新二線為解決線路風(fēng)沙問題，除了采取傳統(tǒng)的防風(fēng)沙措施外，還對線上軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了防風(fēng)沙優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 沙石掩埋軌道

蘭新二線軌道結(jié)構(gòu)防風(fēng)沙設(shè)計(jì)主要是將軌枕承軌臺加高35 mm以增大鋼軌軌下的過沙空間，利用自然風(fēng)與列車風(fēng)將軌道上的沙石清除。為保證軌道結(jié)構(gòu)整體高度不變，減小支承層厚度35 mm，軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖2所示。由于軌枕承軌臺厚度增加，在相同的列車橫向載荷作用下，軌枕擋肩應(yīng)力發(fā)生變化。支承層起到支承并分散道床板豎向荷載的作用，同時(shí)約束道床板的縱向和橫向位移。支承層厚度變化會改變道床板下部支承剛度，影響鋼軌豎向位移、道床板應(yīng)力與支承層應(yīng)力等。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)防風(fēng)沙設(shè)計(jì)

為了分析蘭新二線防風(fēng)沙設(shè)計(jì)對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，本文建立了雙塊式無砟軌道力學(xué)模型，分析承軌臺、支承層厚度改變對軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

1 力學(xué)模型

路基上雙塊式無砟軌道從上至下依次為鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、支承層等。鋼軌為60 kg/m鋼軌，扣件采用福斯羅300-B型，豎向剛度取值30 kN/mm。道床板縱向采用單元式，長19 500 mm，寬2 800 mm，厚260 mm，材料為C40混凝土。支承層縱向連續(xù)鋪設(shè)，寬3 400 mm，厚度為200～300 mm，材料為C15混凝土?；脖韺涌v向連續(xù)鋪設(shè)，寬度取為4 200 mm，厚取400 mm。計(jì)算分析中建立雙塊式無砟軌道實(shí)體模型，采用歐拉梁模擬鋼軌，忽略剪力作用;采用豎向彈簧模擬扣件，忽略扣件阻尼;道床板、支承層和基床表層均采用實(shí)體模擬。道床板與支承層之間摩擦滑動，層間摩擦系數(shù)取0.65，支承層與基床表層層間粘結(jié)。

除軌道主體結(jié)構(gòu)外，本文還將對軌枕展開細(xì)化模擬，為此針對雙塊式軌枕單獨(dú)建立力學(xué)模型。軌枕選用C60混凝土，承軌臺加高厚度為0～100 mm，模型中各結(jié)構(gòu)部件計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)模型相關(guān)材料參數(shù)

參照我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009J 971—2009)，豎向設(shè)計(jì)荷載在設(shè)計(jì)時(shí)速250 km的線路上取靜荷載的2.5倍，列車靜軸重取170 kN，計(jì)算中列車豎向荷載取212.5 kN。針對軌枕局部展開受力分析時(shí)，還須考慮列車橫向荷載的作用。參照高鐵規(guī)范，橫向荷載取靜輪重的0.8倍，本文計(jì)算分析時(shí)取68 kN，靜輪重取85 kN。

2 承軌臺厚度改變對軌道結(jié)構(gòu)性能的影響

列車縱橫向荷載作用下，軌枕擋肩處將承受一定的拉應(yīng)力，改變承軌臺厚度對擋肩承受的拉應(yīng)力幅值的影響如圖3所示。

圖3 軌枕擋肩拉應(yīng)力曲線

增加軌枕承軌臺厚度將引起軌枕擋肩局部拉應(yīng)力幅值增加，隨著承軌臺厚度的不斷增加，擋肩局部拉應(yīng)力增幅變緩。軌枕混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為2.14 MPa，承軌臺厚度超過100 mm時(shí)軌枕擋肩局部拉應(yīng)力接近該指標(biāo)。為避免承軌臺加高造成軌枕擋肩破壞，有必要對軌枕增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，如圖4所示。

圖4 軌枕補(bǔ)強(qiáng)鋼筋設(shè)置示意

3 支承層厚度改變對軌道結(jié)構(gòu)性能的影響

列車荷載作用下，軌道各結(jié)構(gòu)層主要承受豎向彎矩，支承層厚度的改變將引起各結(jié)構(gòu)層豎向彎矩的改變。彎矩的改變直接表現(xiàn)為軌道各結(jié)構(gòu)層彎曲應(yīng)力的改變，不同支承層厚度對應(yīng)的道床板、支承層最大拉應(yīng)力如圖5所示。

圖5 最大拉應(yīng)力曲線

道床板、支承層最大拉應(yīng)力幅值均隨著支承層厚度的增加而降低，在支承層厚度減小的情況下，道床板與支承層最大拉應(yīng)力幅值有小幅增加。支承層厚度降低至200 mm時(shí)，道床板、支承層最大拉應(yīng)力幅值均小于各結(jié)構(gòu)層混凝土材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。

支承層厚度的降低，將使得軌道結(jié)構(gòu)整體豎向抗彎剛度有所減小。列車荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形將有所改變，支承層厚度改變對列車荷載作用下鋼軌最大豎向位移的影響如圖6所示。

圖6 鋼軌最大豎向位移變化曲線

鋼軌最大豎向位移隨著支承層厚度的增加呈線性降低，支承層厚度由300 mm降低至200 mm時(shí)，鋼軌最大豎向位移變化幅值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的鋼軌最大豎向位移1 mm，對列車運(yùn)營基本無影響。降低支承層厚度35 mm后，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能依舊滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

為解決線路積沙問題，蘭新二線對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了防風(fēng)沙優(yōu)化:加高軌枕承軌臺35 mm，減小支承層厚度35 mm。本文分別對承軌臺厚度、支承層厚度改變對結(jié)構(gòu)受力的影響展開了分析，得出如下結(jié)論:

1)軌枕承軌臺厚度的增加將引起軌枕擋肩局部拉應(yīng)力增加，承軌臺厚度若超過100 mm，擋肩部位可能出現(xiàn)局部破壞。

2)支承層厚度的增加會引起道床板、支承層最大拉應(yīng)力幅值的降低，支承層厚度的降低將引起鋼軌豎向位移的增加。

參照無砟軌道設(shè)計(jì)規(guī)范，無砟軌道采用的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。為保障軌枕安全穩(wěn)定，建議對軌枕增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋。

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Analysis on influence of blown-sand-preventing design for ballastless track on track structure performance

YANG Bin1，2，QI Wei2，CHEN Jiang2
(1.Engineering Management Center，China Railway Corporation，Beijing 100844，China; (2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T hrough heightening the sleeper support rail bed，sand-proof design of Lanxin no.2 line increased the space of filtering sand to avoid sand accumulation in fetch and decreased the depth of support layer to remain the whole structural height.Based on mechanical calculation model of track structure，the effect of heightening support rail bed and decreasing the depth of support layer on track structure mechanical properties were analyzed.T he results showed that the concrete tensile stress of the sleeper bumping shoulder increases with the support rail bed depth increasing，and the decrease of the supporting layer depth will increase the max tensile stress amplitude of each track structure layer and the vertical displacement of the track structure under train load.T he sand-proof design scheme basically meets the requirement of the ballastless track design specifications and it is necessary to set reinforcing steel bar for sleepers to avoid cracking.

Railway engineering;Double-block ballastless track;Sand-proof;Sleeper;Support layer

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.28

1003-1995(2015)02-0101-03

(責(zé)任審編趙其文)

2014-04-11;

2014-12-05

楊斌(1974—)，男，遼寧大連人，高級工程師，博士研究生。