温度对双块式无砟轨道道床板及凸台结构的影响分析

杨 斌，钱小益，史青翠

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;2.兰新铁路新疆有限公司，乌鲁木齐 830011)

随着高速铁路的不断发展，新型无砟轨道结构在我国得到了广泛应用。CRTSⅠ型双块式无砟轨道由于其结构简单、对线路适应性好、具有较好的平顺性、施工工艺相对简单等优点逐步成为我国客运专线无砟轨道结构的首选形式之一。经过综合分析研究与比较，新建兰新第二双线某区段拟采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道形式。但是，由于兰新线地处我国西北部，该区气候条件十分恶劣，以往的双块式无砟轨道结构已经无法适应这种严寒、大温差的环境，因此，急需开发出新型的无砟轨道结构以适应西北地区的气候条件。目前，兰新线已经提出了几种新型的无砟轨道结构形式，诸如将道床板结构单元化处理，将原来连续结构的道床板分块浇筑成单元式，道床板下采用不同的凸台设置方式或者直接对道床板设置限位结构，道床板之间设置传力杆机构等。本文旨在对采用单元形式浇筑道床板并设置了凸台结构的Ⅰ型双块式无砟轨道进行数值模拟与计算，通过对所得结果分析，从而检验该种轨道结构形式的合理性，为新型的双块式无砟轨道结构设计提供理论支撑。

1 采用单元式道床板结构的双块式无砟轨道

为适应西北地区大温差等恶劣的气候条件，兰新线双块式无砟轨道以普通CRTSⅠ双块式无砟轨道结构为基础对其进行创新，将连续浇筑的道床板单元化处理，即采用单元式道床板结构取代连续型道床板结构。该种轨道结构形式是兰新线提出的一种新型双块式无砟轨道结构之一，其结构相对简单，对线路适应性好，造价低，施工工艺简单。

温度对连续道床板的影响比较大，因此道床板采用单元板形式设计，将道床板分块浇筑，形成一块块单元板式的结构，这样设计可以避免道床板在温度作用下产生较大的内部应力，通过在道床板与板之间设置伸缩缝，使得道床板在纵向方向能够进行一定的伸缩，从而释放其内部应力。但是道床板的这种单元式结构又使其轨道结构的整体性大大降低，道床板之间无相互作用，因此单个道床板的位移难以控制，易引起无砟轨道结构的不平顺，因此考虑在道床板下设置凸台结构以限制其纵、横向的位移，凸台设置可以多样化，兰新线就采用了多种方式设置，本文采用的方式为将凸台设置于单元式道床板的两端，即道床板下采用两块凸台结构，凸台在板端穿出，道床板与支承层间铺设土工布，目的在于让两者之间能够相对滑移，保证良好的变形协调。

具体轨道结构形式如图1、图2所示。

2 力学模型

考虑到道床板单元板式结构，且相互之间影响较小，本次计算取两块道床板进行分析就能够满足基本要求。

采用有限元分析软件对轨道结构进行模拟，建立其力学模型。钢轨采用梁单元模拟;考虑到重点对道床板结构进行力学分析，因此，轨枕与道床板看成整体结构与支承层均采用实体单元进行模拟;扣件采用弹簧单元模拟;支承层与下部基础的连接采用弹簧单元模拟。道床板与支承层之间因为铺设了土工布，两者之间存在着摩擦，因此采用接触形式进行模拟，考虑两者之间的摩擦系数。

图1 横断面

图2 凸台设置方式

具体力学模型如图3所示。

图3 力学模型

钢轨采用60 kg/m钢轨计算参数，弹性模量2.1×105MPa，泊松比 0.3，钢轨线膨胀系数 11.8×10－6/℃ ，密度7 830 kg/m3。

道床板长6.48 m，宽2.80 m，高0.26 m。弹性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，钢轨线膨胀系数1×10－5/℃ ，密度2 500 kg/m3。

支承层长26.0 m，宽3.4 m，高0.3 m。弹性模量6×103MPa，泊松比 0.2，钢轨线膨胀系数 1×10－5/℃，密度2 500 kg/m3。其中凸台尺寸为线路纵向方向2.740 m，横向1.000 m，高0.045 m，设置于道床板两端下方。

轨枕间距0.65 m，道床板间伸缩缝为0.02 m。道床板与支承层之间摩擦系数取为0.60。

3 不同温度荷载工况下计算结果分析

考虑到兰新线特殊的地理位置，温度是影响轨道结构的主要因素之一，所以应以温度变化对轨道结构的作用为主线进行分析。由于温度的渐变性，轨道结构的温度不是突然达到最低或者最高两种极限情况，所以本文只建立了指定温度下的温度荷载工况，即环境温度设定为10℃，考虑道床板温度梯度以45℃/m变化(上高下低)以及轨道结构整体按10℃变化趋势升降温两种情况。

3.1 温度梯度对道床板结构的影响

计算结果如图4、图5所示。

图4 道床板最大应力分布

图5 道床板竖向位移分布

对道床板应力进行分析，为方便建模，凸台及道床板边缘处未进行圆滑，因此道床板对应于凸台处边缘及角落产生了一定的应力集中，在实际施工过程中可以对凸台以及道床板边缘进行圆滑，所以，不考虑应力集中对结构的影响，从道床板整体受力来看，其底部平均拉应力为2.0 MPa左右，略微超限。

因为温度梯度导致道床板下部受拉，所以在温度上高下低的情况下，凸台结构对上部结构作用效果甚微，这种工况下可以忽略其影响。

对道床板结构变形进行分析，道床板在温度梯度的作用下中部会向上微微凸起，道床板发生了一定程度的翘曲，其中部凸起的最大位移为0.24 mm，道床板与支承层之间发生了分离，形成了离缝。

综上所述，温度梯度作用下，支承层对道床板的约束作用比较弱，不能有效地控制道床板的翘曲，道床板下中部会产生离缝现象，道床板底部拉应力易超限，轨道结构的受力及使用功能受到了一定的影响。

3.2 整体升降温对道床板结构的影响

根据以往资料，兰新线极限温度取为 －41.5℃(最低)和47.7℃(最高)，道床板初始温度设定为10℃，计算分析升降温10℃，20℃，30℃以及极限温度下的道床板应力应变规律。

道床板随温度变化发生沿线路纵向方向的伸缩，根据分析结果，道床板最大应力主要由拉应力控制，压应力均满足结构的抗压要求，所以只给出了道床板随温度变化的最大拉应力图示。由图6可以看出，道床板在温度降低的过程中，结构满足混凝土抗拉设计要求，其中极限温度下最大拉应力为1.02 MPa。在温度升高的过程中，道床板极限温度下拉应力为2 MPa，超限不多，正常温度下也均满足抗拉要求。对道床板板缝处的位移进行分析，凸台设置到道床板板端位置，因此道床板板端处不受凸台的约束，下部支承层对道床板结构的约束作用比较小，道床板板端产生了相对于凸台边缘的位移，满足了其释放应力的要求。从图7可以看出道床板纵向方向相对于凸台边缘处最大位移为1.6 mm。

图6 不同温度下道床板最大拉应力

图7 不同温度下道床板板缝处的最大位移

综上所述，在温度变化荷载的作用下，道床板可以在支承层上有效地滑移，从而可以释放其内部产生的应力，保证结构合理受力。同时，板缝的存在，使得道床板能够在板缝处有一定的伸缩空间，也验证了采用单元板式的合理性。

3.3 温度升高条件下凸台的作用

考虑到以下几点原因，所以本文只针对结构整体温度升高时对凸台进行了计算分析，建立整体温度为40℃(即将基础温度为10℃的轨道结构升高30℃)的有限元模型。

1)温度梯度(上高下低)情况下，道床板中部向上翘曲，其底部受拉，所以凸台与道床板产生了分离，对道床板结构受力影响较小;

2)整体温度变化情况下，当温度下降时，由于道床板收缩，凸台与道床板之间产生了分离，所以也不对这种情况下的凸台进行分析。

凸台应力应变情况如图8、图9所示。

图8 凸台应力分布

图9 凸台位移分布

从凸台应力应变分布图可知，凸台在纵向方向对道床板有一定的限制作用，从而可以约束道床板的较大位移变化，道床板中部位置对应的凸台承受道床板对它的挤压力，凸台最大压应力为2.81 MPa，最大位移为0.154 mm。

此外，凸台直接浇筑到道床板的板端，这样设置的目的在于可以让凸台不约束道床板的端部区域，从而可以使其能够在板缝处一定空间内有效伸缩，释放板内部应力。应力图(图8)表明了这一点，板端处凸台应力远小于板中部位置凸台应力。

4 结论

通过对温度作用下的双块式无砟轨道结构进行分析，本文得出以下结论:

1)在温度梯度作用下，由于铺设土工布时，支承层对道床板约束较小，所以道床板的翘曲不能被有效约束，道床板中部易上拱，且下部产生了拉应力超限。设想通过对道床板中部采用黏结设置从而控制道床板翘曲，两侧铺设土工布允许道床板两端伸缩释放应力，此结论可以给兰新线“部分摩擦式双块式无砟轨道”结构的提出提供理论支撑。

2)温差较大地区铺设双块式无砟轨道，应将道床板单元化，板与板之间设置伸缩缝，给道床板提供一定的伸缩空间。

3)单元式道床板下应设置凸台，凸台可以有效地限制道床板纵横向的位移，凸台应穿出道床板的端部，从而减小对其端部的纵向限制，让道床板端部能够有效伸缩，从而释放其内部应力。

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