熊 飛，趙坪銳，帥一丁

CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道在道床板的施工過(guò)程中，軌排結(jié)構(gòu)各部件的微小定位偏差如果沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并整治，將會(huì)加劇軌道幾何形位不平順，進(jìn)而加速無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展和惡化，增加后期精調(diào)工作量[1]。因此，在無(wú)砟軌道施工過(guò)程中，道床板的施工精度和施工質(zhì)量尤為重要[2]。

目前，國(guó)內(nèi)雙塊式無(wú)砟軌道道床板的施工方法一般有2種，分別是工具軌法和軌排框架法[3-4]。傳統(tǒng)的工具軌法整體性差，在道床板施工完成后，軌道易變形，幾何形位易超限，不能滿(mǎn)足高速鐵路的高平順性要求[5-6]。軌排框架法的集成化程度較工具軌法有顯著的提高，軌排框架整體剛度大，穩(wěn)定性好，在運(yùn)輸、安裝以及澆筑混凝土過(guò)程中軌排各部件變形小，施工精度高。多條高速鐵路的施工實(shí)踐證明軌排框架法保證了CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道道床板施工精度和施工質(zhì)量[7-8]，現(xiàn)已被廣泛采用。

本文基于大西(大同—西安)客運(yùn)專(zhuān)線站前九標(biāo)段CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道的施工實(shí)踐，建立軌排框架法有限元模型[9]，分析不同軌排支撐間距和部分支撐失效對(duì)軌排框架法的影響，得到軌排結(jié)構(gòu)在不同支撐狀態(tài)下的受力狀態(tài),據(jù)此提出支撐間距以及部分支撐失效的相關(guān)限值，為進(jìn)一步優(yōu)化CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道道床板的施工提供合理建議。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

軌排框架法的支撐系統(tǒng)是由工具軌、托梁、豎向螺柱支腿、軌向鎖定器等組合而成的框架式體系。螺柱支腿的主要功能是調(diào)節(jié)軌排的水平和高低位置，軌向鎖定器的主要功能是固定和橫向調(diào)整軌排。圖1為軌排框架法示意。

圖1 軌排框架法示意

軌排框架法計(jì)算模型主要涉及鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、托梁、豎向螺柱支腿、軌向鎖定器。取3倍扣件間距作為支撐間距。鋼軌等效為點(diǎn)支承梁；軌枕混凝土采用實(shí)體單元模擬，在軌枕混凝土與桁架鋼筋之間建立約束方程，使兩者之間的位移協(xié)調(diào)一致；SK-2型雙塊式軌枕由桁架鋼筋與軌枕混凝土聯(lián)結(jié)而成，考慮到施工過(guò)程中在軌排自重和道床板鋼筋搭接自重作用下，軌排鋼筋可能產(chǎn)生凹向鋼軌內(nèi)側(cè)的撓曲，選用Beam4單元模擬雙塊式軌枕的鋼筋桁架；托梁、豎向螺柱支腿、軌向鎖定器也用Beam4單元來(lái)模擬；在軌排安裝過(guò)程中，等效地認(rèn)為軌枕通過(guò)扣件懸吊于鋼軌下方，軌排采用Combine14線形彈簧單元模擬，并將扣件自重等效地均布于軌枕上表面對(duì)應(yīng)區(qū)域；在軌排自重作用下，軌枕混凝土和桁架鋼筋之間的黏結(jié)滑移很小，故在本次計(jì)算中不考慮。軌排框架法有限元模型如圖2所示。

圖2 軌排框架法有限元模型

2 不同支撐間距下軌排結(jié)構(gòu)受力與變形

軌排縱向支撐間距與支撐系統(tǒng)的數(shù)量、后期調(diào)整量以及混凝土的澆筑難度密切相關(guān)。支撐間距一般為扣件間距的整數(shù)倍。為探究不同支撐間距下軌排結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)的受力與變形，建立了9塊軌枕的CRTSⅠ型雙塊式軌排，取支撐間距分別為1～7倍扣件間距進(jìn)行比較。

2.1 軌道幾何形位

在CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道的施工中，軌距是重要指標(biāo)之一。在自重作用下，軌排結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，即向內(nèi)側(cè)“凹陷”，從而引起軌排的橫向位移，進(jìn)而導(dǎo)致軌距減小。軌距變化量為相應(yīng)2個(gè)軌頭橫向位移之和。支撐間距取1～7倍扣件間距時(shí)，軌排的橫向位移和軌距變化量見(jiàn)圖3。其中軌距變化量以減小為正。

圖3 軌排的橫向位移和軌距變化量

圖4 不同支撐間距下軌底坡變化量

由圖3可知，隨支撐間距的增大，軌排的橫向位移和軌距變化量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。軌排橫向位移最大值0.173 mm和軌距變化量最大值0.342 mm均在7倍扣件間距處取得。支撐間距每增加1倍扣件間距，軌排的橫向位移增加0.027 mm左右，軌距減小0.054 mm左右。

不同支撐間距下軌底坡的變化量見(jiàn)圖4。隨支撐間距增加，軌底坡變化量近似線性增加，支撐間距每增加1倍扣件間距，軌底坡變化量增加 0.003 6° 左右。支撐間距為7倍扣件間距時(shí)，軌底坡變化量達(dá)到最大值 0.026 4°。

不同支撐間距下鋼軌軌面高低變化見(jiàn)圖5。隨支撐間距的增加，軌面高低持續(xù)增大，且增大的速度越來(lái)越快。支撐間距為7倍扣件間距時(shí)，軌面高低值為3.217 mm，而軌道平順度鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)為2 mm，此時(shí)軌面高低不滿(mǎn)足精度要求[11]。因此，在施工過(guò)程中，軌排支撐系統(tǒng)的支撐間距不宜超過(guò)6倍扣件間距。

圖5 不同支撐間距下軌面高低

2.2 軌道結(jié)構(gòu)安全性

不同支撐間距下桁架鋼筋的應(yīng)力見(jiàn)圖6。隨支撐間距的增加，桁架鋼筋的拉、壓應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的最大值分別為17.3,30.3 MPa，應(yīng)力水平較低，桁架鋼筋不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

圖6 桁架鋼筋應(yīng)力

2.3 軌排支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性

圖7 不同支撐間距下螺柱支腿和軌向鎖定器彎矩

不同支撐間距下螺柱支腿與軌向鎖定器的彎矩見(jiàn)圖7?？芍?隨支撐間距的增加，螺柱支腿和軌向鎖定器的彎矩均增大。在相同支撐間距下，螺柱支腿所受彎矩大于軌向鎖定器，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需注意螺柱支腿的安裝質(zhì)量。螺柱支腿和軌向鎖定器所受彎矩最大值分別為48.51,38.56 Nm，應(yīng)力水平較低，螺柱支腿和軌向鎖定器均不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

隨支撐間距的增加，托梁的彎矩和軸力均增大，最大值分別為 6 306 Nm和 3 691.86 N。由于托梁的截面尺寸較大，抗彎剛度大，因此在正常使用情況下不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

3 部分支撐失效情況下軌排結(jié)構(gòu)受力與變形

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，由于施工作業(yè)人員或者支撐系統(tǒng)本身的原因，可能導(dǎo)致軌排支撐系統(tǒng)部分失效。支撐失效將會(huì)引起軌排偏移或下沉，嚴(yán)重影響施工精度和軌排結(jié)構(gòu)的受力。為探究部分支撐失效對(duì)軌排結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)受力與變形的影響，建立了9塊軌枕的CRTSⅠ型雙塊式軌排模型，支撐間距取3倍扣件間距，對(duì)完好情況、單個(gè)軌向鎖定器失效、單個(gè)螺柱支腿失效、同側(cè)軌向鎖定器和螺柱支腿失效、1組支撐系統(tǒng)失效和2組支撐系統(tǒng)失效這6種情況進(jìn)行對(duì)比研究。為方便表示，下文采用數(shù)字代表不同的失效情況：1-完好情況；2-單個(gè)軌向鎖定器失效；3-單個(gè)螺柱支腿失效；4-同側(cè)軌向鎖定器和螺柱支腿失效；5-1組支撐系統(tǒng)失效；6-2組支撐系統(tǒng)失效。

軌排自重作用下，支撐系統(tǒng)在不同失效情況下對(duì)軌距變化量、軌底坡變化量、軌枕垂向位移和桁架鋼筋拉、壓應(yīng)力的影響見(jiàn)表1和表2。

表1 不同失效情況下各部件變形值

由表1、表2可知：

1)軌排自重作用下，隨著軌排支撐系統(tǒng)失效部件的增多，軌距和軌底坡變化量逐漸增大。單個(gè)軌向鎖定器失效和單個(gè)螺柱支腿失效對(duì)軌距和軌底坡變化量影響很小，2組支撐系統(tǒng)失效時(shí)軌距和軌底坡變化量取得最大值，分別為0.390 mm和0.031°。施工時(shí)應(yīng)注意檢查支撐系統(tǒng)的安裝質(zhì)量，確保減少支撐部件失效。

表2 不同失效情況下桁架鋼筋拉、壓應(yīng)力 MPa

2)軌排支撐系統(tǒng)失效部件越多，軌枕垂向位移越大。單個(gè)軌向鎖定器或單個(gè)螺柱支腿失效對(duì)軌枕垂向位移的影響很??；同側(cè)軌向鎖定器和螺柱支腿失效及1組支撐系統(tǒng)失效時(shí)軌枕垂向位移分別為1.244，2.105 mm；2組支撐系統(tǒng)失效時(shí)，軌枕垂向位移達(dá)到最大值3.954 mm。

3)在軌排自重作用下，隨失效部件的增多，桁架鋼筋拉、壓應(yīng)力均增大。2組支撐系統(tǒng)失效時(shí)，桁架鋼筋拉、壓應(yīng)力均取得最大值，分別為17.38，30.71 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，因此桁架鋼筋在施工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生塑形變形。

部分支撐失效情況下軌面高低的變化見(jiàn)圖8?？芍S失效部件的增多，軌面高低值也越大。前5種失效情況下的軌面高低值均不超過(guò)軌道平順度鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)2 mm，當(dāng)2組支撐系統(tǒng)失效時(shí)，軌面高低值達(dá)到4.523 mm，遠(yuǎn)大于精度控制標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了線路的平順性[11]。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格檢查軌排支撐系統(tǒng)，避免出現(xiàn)2組支撐系統(tǒng)失效的極端情況。

圖8 部分支撐失效情況下軌面高低

4 結(jié)論

本文對(duì)軌排框架法進(jìn)行了受力分析，考慮不同支撐間距、部分支撐失效對(duì)軌排結(jié)構(gòu)受力的影響，得到以下結(jié)論：

1)在軌排自重作用下，隨支撐系統(tǒng)支撐間距的增大，軌排橫向位移、軌距變化量、軌底坡變化量、桁架鋼筋應(yīng)力和軌面高低均增加。支撐間距為7倍扣件間距時(shí)，軌面高低值超過(guò)2 mm，此時(shí)軌面高低不滿(mǎn)足線路精度要求。因此，建議軌排支撐間距不宜超過(guò)6倍扣件間距。

2)當(dāng)支撐間距為3倍扣件間距時(shí)，單個(gè)軌向鎖定器失效和單個(gè)螺柱支腿失效對(duì)軌排結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生太大影響，隨失效部件的增多，軌距和軌底坡變化量增大。

3)軌排支撐系統(tǒng)失效部件越多，軌枕垂向位移越大。當(dāng)2組支撐系統(tǒng)失效時(shí)，軌枕垂向位移達(dá)到最大值，此時(shí)軌面高低值達(dá)到4.523 mm，不符合精度控制標(biāo)準(zhǔn)值2 mm，嚴(yán)重影響了線路的平順性。因此，建議在施工過(guò)程中嚴(yán)格檢查軌排支撐系統(tǒng)，避免出現(xiàn)2組支撐系統(tǒng)失效的極端情況。