高 瑩,趙振航

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031； 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,成都 610031)

目前，重載鐵路大多為有砟軌道，有砟軌道具有彈性好、造價(jià)低、方便維修等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但隨著軸重的增加，列車速度的提高，有砟軌道的缺點(diǎn)也越來越明顯，容易出現(xiàn)道砟粉化、飛砟，軌枕空吊等病害[3-4]。軌枕空吊是有砟軌道最普遍的病害，其形成原因較多，基礎(chǔ)不均勻沉降，道砟夯實(shí)、搗固不足，列車長(zhǎng)期沖擊作用，雨水對(duì)道砟的洗刷等均會(huì)導(dǎo)致道床下沉，從而出現(xiàn)道砟與軌枕接觸面積減小，產(chǎn)生軌枕空吊現(xiàn)象。軌枕空吊將引起軌道支撐剛度不均勻，輪軌沖擊作用會(huì)增大，加快軌枕破壞，道砟粉化，鋼軌、扣件傷損，甚至?xí)绊懥熊囘\(yùn)行安全性。

針對(duì)軌枕空吊病害的研究，主要采用試驗(yàn)和數(shù)值分析的方法，研究軌枕空吊對(duì)列車、軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響及軌枕空吊形成原因等。張健等[5]建立了車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析軌枕空吊對(duì)軌枕彎矩、鋼軌對(duì)軌枕作用力的影響；張大偉等[6]分析不同空吊數(shù)量的軌枕對(duì)輪軌垂向力的影響；鄒春華等[7]提出了路基不均勻沉降引起軌枕臨界空吊的計(jì)算方法；蔡理平[8]分析了橋上有砟軌道軌枕空吊對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響。

綜上所述，多數(shù)文獻(xiàn)研究軌枕空吊對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響均是分析1根軌枕或多根軌枕空吊的影響，而在實(shí)際中，軌枕空吊多為局部空吊，并不會(huì)出現(xiàn)完全空吊，而是軌枕局部與道砟出現(xiàn)縫隙，形成空吊。因此，為更加真實(shí)模擬實(shí)際情況，有必要研究軌枕局部空吊對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。本文將建立力學(xué)模型，選取多個(gè)典型工況分析軌枕局部空吊對(duì)軌枕彎矩、軌下膠墊和道砟的受力影響。

1 力學(xué)模型

本文主要分析軌枕局部空吊對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，在模型中主要考慮鋼軌、扣件、軌枕、道床。鋼軌為60 kg/m鋼軌，為更加真實(shí)地模擬列車荷載通過鋼軌向下傳遞，鋼軌采用實(shí)體單元solid45模擬?？奂g距為0.6 m，考慮彈條的扣壓力及軌下膠墊的作用，將軌下膠墊簡(jiǎn)化為面彈簧，采用combin14彈簧單元進(jìn)行模擬。軌枕為Ⅲ型混凝土軌枕，主要分析軌枕局部空吊對(duì)軌枕彎矩的影響。因此，為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，軌枕采用實(shí)體單元solid45。為模擬道床對(duì)軌枕不均勻支撐，將道床與軌枕完好接觸處，采用線性彈簧combin14模擬[9]，而軌枕空吊處采用非線性彈簧combin39模擬，如圖1所示，δ為空吊高度。

圖1 道床支撐彈簧示意圖

根據(jù)上述說明，力學(xué)模型如圖2所示，模型中共建立7根軌枕，對(duì)中間軌枕施加垂向荷載，考慮30 t軸重重載鐵路，根據(jù)文獻(xiàn)[10-14]，采用《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》(TB2034—1988)中動(dòng)載系數(shù)，取1.5，其他軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]中總結(jié)的參數(shù)取值，扣件剛度取120 kN/mm，道床剛度取220 kN/mm。

圖2 軌枕局部空吊力學(xué)模型

選取典型工況分析軌枕局部空吊，將軌枕分為12個(gè)區(qū)域，寬度方向分2段，長(zhǎng)度方向，根據(jù)鋼軌外側(cè)、軌下、鋼軌內(nèi)側(cè)，分為6段，如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的道砟不均勻沉降，道砟搗固不均勻等，選取典型工況分析，如道砟完全支撐、局部空吊、完全空吊等，具體如表1所示，空吊高度均為2 mm。同時(shí)為分析不同空吊高度的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[6，16]，對(duì)比分析空吊1、2、3、4 mm對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

圖3 軌枕局部空吊模型分區(qū)

編號(hào)空吊情況工況1全支撐工況21區(qū)域空吊工況31、3區(qū)域空吊工況41、2區(qū)域空吊工況51至4區(qū)域空吊工況61、3、5區(qū)域空吊工況71至6區(qū)域空吊工況8全區(qū)域空吊

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 道床全支撐

根據(jù)上述說明進(jìn)行建模計(jì)算，當(dāng)?shù)来餐耆螘r(shí)，在軟件后處理中選取多組軌枕橫截面，對(duì)每個(gè)截面中各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力面積積分得到截面內(nèi)力，并對(duì)面積重心取矩即可得到軌枕各個(gè)截面的彎矩。如圖4所示，最大正彎矩出現(xiàn)在鋼軌下方的軌枕截面上，彎矩向兩側(cè)逐漸減小，在軌枕中間截面處出現(xiàn)最大負(fù)彎矩。道床完全支撐時(shí)，軌枕彎矩圖與文獻(xiàn)[17-18]相近，因此，可以說明計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

圖4 完全支撐軌枕彎矩

2.2 軌枕局部空吊

根據(jù)上述工況，計(jì)算不同工況下軌枕彎矩，如圖5所示。當(dāng)軌枕出現(xiàn)空吊后，輪重作用下，均會(huì)減小空吊側(cè)軌枕的正彎矩，幾乎表現(xiàn)為隨著空吊面積的增大，空吊側(cè)軌枕正彎矩逐漸較小的變化規(guī)律。從正彎矩變化來看，空吊似乎對(duì)軌枕受力有利，但軌枕局部空吊將會(huì)使軌枕負(fù)彎矩大幅度地增大，而軌枕中間截面尺寸相對(duì)比較薄弱，所以局部空吊容易引起軌枕中間截面上部產(chǎn)生裂紋[1]。從圖5可以看出，并不是空吊面積越大，負(fù)彎矩越大。這是由于空吊面積的改變，會(huì)改變鋼軌對(duì)軌枕的作用力和道床對(duì)軌枕的支撐狀態(tài)，因此，使得軌枕負(fù)彎矩規(guī)律性不明顯。1至4區(qū)域空吊(工況5)軌枕負(fù)彎矩最大，約為道床全支撐的3.9倍；1、2區(qū)域空吊(工況4)和1、3區(qū)域空吊(工況3)軌枕負(fù)彎矩也均較大，由此可以說明軌枕端部局部空吊對(duì)軌枕受力影響較大，會(huì)嚴(yán)重影響軌枕的使用壽命。

圖5 不同空吊區(qū)域軌枕彎矩

為分析空吊引起鋼軌對(duì)軌枕作用力和軌枕對(duì)道床的作用力狀況的影響，計(jì)算了不同工況下軌下膠墊和道床的受力狀況。如圖6可知，空吊側(cè)和支撐側(cè)軌下膠墊的平均應(yīng)力，空吊側(cè)的軌下膠墊隨著空吊面積的增大，應(yīng)力幾乎逐漸減小，可以說明空吊引起鋼軌對(duì)軌枕的作用力減小，使得空吊側(cè)軌枕正彎矩減?。欢蝹?cè)，軌枕的局部空吊對(duì)軌下膠墊受力影響較小，僅完全空吊下，軌下膠墊應(yīng)力將大幅度減小。綜上可以看出，軌枕出現(xiàn)局部空吊，將會(huì)減小鋼軌對(duì)軌枕的作用力。道床最大應(yīng)力如圖7所示，不同工況下道床最大應(yīng)力差異較大，局部空吊下道床應(yīng)力最大值均大于道床完好支撐的工況，其中道床應(yīng)力較大的3種工況為1區(qū)域，1、3區(qū)域，1、3、5區(qū)域空吊，均為軌枕半側(cè)空吊。由此可知，軌枕局部空吊，尤其是半側(cè)空吊將增大道床的受力，在列車荷載反復(fù)沖擊下將加快道砟的粉化。在有砟軌道服役過程中，由于道砟的離散性，道床是不可能全截面支撐軌枕的，容易產(chǎn)生空吊病害，列車荷載作用在空吊軌枕上，對(duì)道床受力相當(dāng)不利。因此，工務(wù)人員應(yīng)盡其所能夯實(shí)、搗固道砟，增加其使用壽命。

圖6 不同空吊區(qū)域軌下膠墊平均應(yīng)力

圖7 不同空吊區(qū)域道床最大應(yīng)力

2.3 空吊高度變化

本節(jié)將分析空吊高度的變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，由上一小節(jié)可知1至4區(qū)域空吊引起軌枕負(fù)彎矩最大，因此，選取空吊1至4區(qū)域作為典型工況，對(duì)比不同空吊高度的影響。彎矩圖如圖8所示，隨著空吊高度的增大，空吊側(cè)軌枕正彎矩迅速減小，4 mm空吊時(shí)正彎矩約為完全支撐的1/5。負(fù)彎矩則隨著空吊高度的增大逐漸增大，從完全支撐到1 mm空吊，負(fù)彎矩增大1.9倍，到2 mm空吊增幅仍較大，從3 mm到4 mm空吊，負(fù)彎矩增幅較緩。由此可以說明，一旦出現(xiàn)空吊將迅速增大軌枕負(fù)彎矩，而空吊高度的增加，對(duì)軌枕負(fù)彎矩增幅影響較小。

圖8 不同空吊高度軌枕彎矩

如圖9可知，空吊側(cè)和支撐側(cè)軌下膠墊的平均應(yīng)力，空吊側(cè)的軌下膠墊隨著空吊高度的增大，應(yīng)力逐漸減小，可以說明空吊高度的增大引起鋼軌對(duì)軌枕的作用力減小，因此使得空吊側(cè)軌枕正彎矩減小；空吊高度的變化對(duì)支撐側(cè)軌下膠墊應(yīng)力影響較小。綜上可知，軌枕出現(xiàn)空吊，將會(huì)減小鋼軌對(duì)軌枕的作用力。道床最大應(yīng)力如圖10所示，隨著空吊高度的增大，道床最大應(yīng)力也逐漸增大，軌枕空吊病害對(duì)道床的受力影響較大，會(huì)影響其使用壽命，工務(wù)人員應(yīng)盡其所能夯實(shí)、搗固道砟。

圖9 不同空吊高度軌下膠墊平均應(yīng)力

圖10 不同空吊高度道床最大應(yīng)力

3 結(jié)論

本文為更真實(shí)模擬軌枕服役過程中承受道床不均勻支撐對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，通過建立力學(xué)模型，選取典型工況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)隨著軌枕空吊面積的增大，軌枕負(fù)彎矩先增大后減小，說明軌枕局部空吊對(duì)軌枕受力更不利，更容易引起軌枕產(chǎn)生裂紋，同時(shí)局部空吊會(huì)使道床產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，影響道砟使用壽命。

(2)隨著軌枕空吊高度的增加，軌枕負(fù)彎矩先增加較快，隨后增加較緩；軌枕空吊高度的增加也會(huì)使道床受力逐漸增大。

(3)根據(jù)上述分析，軌枕局部空吊對(duì)軌枕及道床的受力更為不利，因此，建議工務(wù)人員應(yīng)密切關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)軌枕空吊病害，及時(shí)搗固、夯實(shí)道砟，避免出現(xiàn)軌枕局部空吊問題。