无砟轨道防风沙设计对结构性能的影响分析

杨斌，亓伟，陈江

(1.中国铁路总公司工程管理中心，北京100844;2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031)

无砟轨道防风沙设计对结构性能的影响分析

杨斌1，2，亓伟2，陈江2

(1.中国铁路总公司工程管理中心，北京100844;2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031)

兰新二线防水沙设计通过加高轨枕承轨台、增大钢轨下过沙空间避免风区沙石堆积，同时降低支承层厚度以保证结构整体高度不变。通过建立轨道结构力学模型，分析加高承轨台、降低支承层厚度对轨道结构力学性能的影响。分析结果表明:承轨台厚度的增加将引起轨枕挡肩混凝土拉应力增大;支承层厚度的减小将增加轨道各结构层最大拉应力幅值，增大轨道结构在列车荷载作用下的竖向位移。这一防风沙设计方案基本满足无砟轨道设计规范的要求。此外，有必要对轨枕增设补强钢筋，避免轨枕开裂破坏。

铁道工程 双块式无砟轨道 防风沙 轨枕 支承层

兰新第二双线(以下简称兰新二线)地处我国西北地区，该地区风沙较大，既有铁路线路常年遭受沙石侵袭，沙石在轨道上堆积(如图1所示)严重影响列车正常运行［1］。为防止风沙侵蚀铁路线路，国内外采取了多种预防措施，目前主要是在线路外侧设置防风沙设施。如:建立防风林带［2］，设立土工合成材料沙障［3］、挡风墙［4-7］或者防风明洞等［8-14］。这些措施可以单独使用，也可以几种措施综合使用。兰新二线为解决线路风沙问题，除了采取传统的防风沙措施外，还对线上轨道结构进行了防风沙优化设计。

图1 沙石掩埋轨道

兰新二线轨道结构防风沙设计主要是将轨枕承轨台加高35 mm以增大钢轨轨下的过沙空间，利用自然风与列车风将轨道上的沙石清除。为保证轨道结构整体高度不变，减小支承层厚度35 mm，轨道结构优化如图2所示。由于轨枕承轨台厚度增加，在相同的列车横向载荷作用下，轨枕挡肩应力发生变化。支承层起到支承并分散道床板竖向荷载的作用，同时约束道床板的纵向和横向位移。支承层厚度变化会改变道床板下部支承刚度，影响钢轨竖向位移、道床板应力与支承层应力等。

图2 轨道结构防风沙设计

为了分析兰新二线防风沙设计对轨道结构受力的影响，本文建立了双块式无砟轨道力学模型，分析承轨台、支承层厚度改变对轨道结构力学性能的影响。

1 力学模型

路基上双块式无砟轨道从上至下依次为钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、支承层等。钢轨为60 kg/m钢轨，扣件采用福斯罗300-B型，竖向刚度取值30 kN/mm。道床板纵向采用单元式，长19 500 mm，宽2 800 mm，厚260 mm，材料为C40混凝土。支承层纵向连续铺设，宽3 400 mm，厚度为200～300 mm，材料为C15混凝土。基床表层纵向连续铺设，宽度取为4 200 mm，厚取400 mm。计算分析中建立双块式无砟轨道实体模型，采用欧拉梁模拟钢轨，忽略剪力作用;采用竖向弹簧模拟扣件，忽略扣件阻尼;道床板、支承层和基床表层均采用实体模拟。道床板与支承层之间摩擦滑动，层间摩擦系数取0.65，支承层与基床表层层间粘结。

除轨道主体结构外，本文还将对轨枕展开细化模拟，为此针对双块式轨枕单独建立力学模型。轨枕选用C60混凝土，承轨台加高厚度为0～100 mm，模型中各结构部件计算参数如表1所示。

表1 力学模型相关材料参数

参照我国《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009J 971—2009)，竖向设计荷载在设计时速250 km的线路上取静荷载的2.5倍，列车静轴重取170 kN，计算中列车竖向荷载取212.5 kN。针对轨枕局部展开受力分析时，还须考虑列车横向荷载的作用。参照高铁规范，横向荷载取静轮重的0.8倍，本文计算分析时取68 kN，静轮重取85 kN。

2 承轨台厚度改变对轨道结构性能的影响

列车纵横向荷载作用下，轨枕挡肩处将承受一定的拉应力，改变承轨台厚度对挡肩承受的拉应力幅值的影响如图3所示。

图3 轨枕挡肩拉应力曲线

增加轨枕承轨台厚度将引起轨枕挡肩局部拉应力幅值增加，随着承轨台厚度的不断增加，挡肩局部拉应力增幅变缓。轨枕混凝土设计抗拉强度为2.14 MPa，承轨台厚度超过100 mm时轨枕挡肩局部拉应力接近该指标。为避免承轨台加高造成轨枕挡肩破坏，有必要对轨枕增设补强钢筋，如图4所示。

图4 轨枕补强钢筋设置示意

3 支承层厚度改变对轨道结构性能的影响

列车荷载作用下，轨道各结构层主要承受竖向弯矩，支承层厚度的改变将引起各结构层竖向弯矩的改变。弯矩的改变直接表现为轨道各结构层弯曲应力的改变，不同支承层厚度对应的道床板、支承层最大拉应力如图5所示。

图5 最大拉应力曲线

道床板、支承层最大拉应力幅值均随着支承层厚度的增加而降低，在支承层厚度减小的情况下，道床板与支承层最大拉应力幅值有小幅增加。支承层厚度降低至200 mm时，道床板、支承层最大拉应力幅值均小于各结构层混凝土材料的设计抗拉强度。

支承层厚度的降低，将使得轨道结构整体竖向抗弯刚度有所减小。列车荷载作用下，轨道结构竖向变形将有所改变，支承层厚度改变对列车荷载作用下钢轨最大竖向位移的影响如图6所示。

图6 钢轨最大竖向位移变化曲线

钢轨最大竖向位移随着支承层厚度的增加呈线性降低，支承层厚度由300 mm降低至200 mm时，钢轨最大竖向位移变化幅值远小于设计规范中规定的钢轨最大竖向位移1 mm，对列车运营基本无影响。降低支承层厚度35 mm后，结构力学性能依旧满足设计要求。

4 结论

为解决线路积沙问题，兰新二线对轨道结构进行了防风沙优化:加高轨枕承轨台35 mm，减小支承层厚度35 mm。本文分别对承轨台厚度、支承层厚度改变对结构受力的影响展开了分析，得出如下结论:

1)轨枕承轨台厚度的增加将引起轨枕挡肩局部拉应力增加，承轨台厚度若超过100 mm，挡肩部位可能出现局部破坏。

2)支承层厚度的增加会引起道床板、支承层最大拉应力幅值的降低，支承层厚度的降低将引起钢轨竖向位移的增加。

参照无砟轨道设计规范，无砟轨道采用的防风沙设计方案满足设计要求。为保障轨枕安全稳定，建议对轨枕增设补强钢筋。

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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

(责任审编赵其文)

2014-04-11;

2014-12-05

杨斌(1974—)，男，辽宁大连人，高级工程师，博士研究生。