轨枕局部空吊对轨道结构力学性能的影响分析

高 莹,赵振航

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

目前，重载铁路大多为有砟轨道，有砟轨道具有弹性好、造价低、方便维修等优点[1-2]，但随着轴重的增加，列车速度的提高，有砟轨道的缺点也越来越明显，容易出现道砟粉化、飞砟，轨枕空吊等病害[3-4]。轨枕空吊是有砟轨道最普遍的病害，其形成原因较多，基础不均匀沉降，道砟夯实、捣固不足，列车长期冲击作用，雨水对道砟的洗刷等均会导致道床下沉，从而出现道砟与轨枕接触面积减小，产生轨枕空吊现象。轨枕空吊将引起轨道支撑刚度不均匀，轮轨冲击作用会增大，加快轨枕破坏，道砟粉化，钢轨、扣件伤损，甚至会影响列车运行安全性。

针对轨枕空吊病害的研究，主要采用试验和数值分析的方法，研究轨枕空吊对列车、轨道动力响应的影响及轨枕空吊形成原因等。张健等[5]建立了车辆-轨道耦合动力学模型，分析轨枕空吊对轨枕弯矩、钢轨对轨枕作用力的影响；张大伟等[6]分析不同空吊数量的轨枕对轮轨垂向力的影响；邹春华等[7]提出了路基不均匀沉降引起轨枕临界空吊的计算方法；蔡理平[8]分析了桥上有砟轨道轨枕空吊对轨道动力响应的影响。

综上所述，多数文献研究轨枕空吊对轨道结构力学性能影响均是分析1根轨枕或多根轨枕空吊的影响，而在实际中，轨枕空吊多为局部空吊，并不会出现完全空吊，而是轨枕局部与道砟出现缝隙，形成空吊。因此，为更加真实模拟实际情况，有必要研究轨枕局部空吊对轨道结构力学性能的影响。本文将建立力学模型，选取多个典型工况分析轨枕局部空吊对轨枕弯矩、轨下胶垫和道砟的受力影响。

1 力学模型

本文主要分析轨枕局部空吊对有砟轨道结构力学性能的影响，采用ANSYS有限元软件进行计算，在模型中主要考虑钢轨、扣件、轨枕、道床。钢轨为60 kg/m钢轨，为更加真实地模拟列车荷载通过钢轨向下传递，钢轨采用实体单元solid45模拟。扣件间距为0.6 m，考虑弹条的扣压力及轨下胶垫的作用，将轨下胶垫简化为面弹簧，采用combin14弹簧单元进行模拟。轨枕为Ⅲ型混凝土轨枕，主要分析轨枕局部空吊对轨枕弯矩的影响。因此，为保证计算准确性，轨枕采用实体单元solid45。为模拟道床对轨枕不均匀支撑，将道床与轨枕完好接触处，采用线性弹簧combin14模拟[9]，而轨枕空吊处采用非线性弹簧combin39模拟，如图1所示，δ为空吊高度。

图1 道床支撑弹簧示意图

根据上述说明，力学模型如图2所示，模型中共建立7根轨枕，对中间轨枕施加垂向荷载，考虑30 t轴重重载铁路，根据文献[10-14]，采用《铁路轨道强度检算法》(TB2034—1988)中动载系数，取1.5，其他轨道结构参数参考文献[15]中总结的参数取值，扣件刚度取120 kN/mm，道床刚度取220 kN/mm。

图2 轨枕局部空吊力学模型

选取典型工况分析轨枕局部空吊，将轨枕分为12个区域，宽度方向分2段，长度方向，根据钢轨外侧、轨下、钢轨内侧，分为6段，如图3所示。根据现场可能出现的道砟不均匀沉降，道砟捣固不均匀等，选取典型工况分析，如道砟完全支撑、局部空吊、完全空吊等，具体如表1所示，空吊高度均为2 mm。同时为分析不同空吊高度的影响，根据文献[6，16]，对比分析空吊1、2、3、4 mm对轨道结构力学性能的影响。

图3 轨枕局部空吊模型分区

编号空吊情况工况1全支撑工况21区域空吊工况31、3区域空吊工况41、2区域空吊工况51至4区域空吊工况61、3、5区域空吊工况71至6区域空吊工况8全区域空吊

2 计算结果分析

2.1 道床全支撑

根据上述说明进行建模计算，当道床完全支撑时，在软件后处理中选取多组轨枕横截面，对每个截面中各节点应力面积积分得到截面内力，并对面积重心取矩即可得到轨枕各个截面的弯矩。如图4所示，最大正弯矩出现在钢轨下方的轨枕截面上，弯矩向两侧逐渐减小，在轨枕中间截面处出现最大负弯矩。道床完全支撑时，轨枕弯矩图与文献[17-18]相近，因此，可以说明计算模型的准确性。

图4 完全支撑轨枕弯矩

2.2 轨枕局部空吊

根据上述工况，计算不同工况下轨枕弯矩，如图5所示。当轨枕出现空吊后，轮重作用下，均会减小空吊侧轨枕的正弯矩，几乎表现为随着空吊面积的增大，空吊侧轨枕正弯矩逐渐较小的变化规律。从正弯矩变化来看，空吊似乎对轨枕受力有利，但轨枕局部空吊将会使轨枕负弯矩大幅度地增大，而轨枕中间截面尺寸相对比较薄弱，所以局部空吊容易引起轨枕中间截面上部产生裂纹[1]。从图5可以看出，并不是空吊面积越大，负弯矩越大。这是由于空吊面积的改变，会改变钢轨对轨枕的作用力和道床对轨枕的支撑状态，因此，使得轨枕负弯矩规律性不明显。1至4区域空吊(工况5)轨枕负弯矩最大，约为道床全支撑的3.9倍；1、2区域空吊(工况4)和1、3区域空吊(工况3)轨枕负弯矩也均较大，由此可以说明轨枕端部局部空吊对轨枕受力影响较大，会严重影响轨枕的使用寿命。

图5 不同空吊区域轨枕弯矩

为分析空吊引起钢轨对轨枕作用力和轨枕对道床的作用力状况的影响，计算了不同工况下轨下胶垫和道床的受力状况。如图6可知，空吊侧和支撑侧轨下胶垫的平均应力，空吊侧的轨下胶垫随着空吊面积的增大，应力几乎逐渐减小，可以说明空吊引起钢轨对轨枕的作用力减小，使得空吊侧轨枕正弯矩减小；而支撑侧，轨枕的局部空吊对轨下胶垫受力影响较小，仅完全空吊下，轨下胶垫应力将大幅度减小。综上可以看出，轨枕出现局部空吊，将会减小钢轨对轨枕的作用力。道床最大应力如图7所示，不同工况下道床最大应力差异较大，局部空吊下道床应力最大值均大于道床完好支撑的工况，其中道床应力较大的3种工况为1区域，1、3区域，1、3、5区域空吊，均为轨枕半侧空吊。由此可知，轨枕局部空吊，尤其是半侧空吊将增大道床的受力，在列车荷载反复冲击下将加快道砟的粉化。在有砟轨道服役过程中，由于道砟的离散性，道床是不可能全截面支撑轨枕的，容易产生空吊病害，列车荷载作用在空吊轨枕上，对道床受力相当不利。因此，工务人员应尽其所能夯实、捣固道砟，增加其使用寿命。

图6 不同空吊区域轨下胶垫平均应力

图7 不同空吊区域道床最大应力

2.3 空吊高度变化

本节将分析空吊高度的变化对轨道结构力学性能的影响，由上一小节可知1至4区域空吊引起轨枕负弯矩最大，因此，选取空吊1至4区域作为典型工况，对比不同空吊高度的影响。弯矩图如图8所示，随着空吊高度的增大，空吊侧轨枕正弯矩迅速减小，4 mm空吊时正弯矩约为完全支撑的1/5。负弯矩则随着空吊高度的增大逐渐增大，从完全支撑到1 mm空吊，负弯矩增大1.9倍，到2 mm空吊增幅仍较大，从3 mm到4 mm空吊，负弯矩增幅较缓。由此可以说明，一旦出现空吊将迅速增大轨枕负弯矩，而空吊高度的增加，对轨枕负弯矩增幅影响较小。

图8 不同空吊高度轨枕弯矩

如图9可知，空吊侧和支撑侧轨下胶垫的平均应力，空吊侧的轨下胶垫随着空吊高度的增大，应力逐渐减小，可以说明空吊高度的增大引起钢轨对轨枕的作用力减小，因此使得空吊侧轨枕正弯矩减小；空吊高度的变化对支撑侧轨下胶垫应力影响较小。综上可知，轨枕出现空吊，将会减小钢轨对轨枕的作用力。道床最大应力如图10所示，随着空吊高度的增大，道床最大应力也逐渐增大，轨枕空吊病害对道床的受力影响较大，会影响其使用寿命，工务人员应尽其所能夯实、捣固道砟。

图9 不同空吊高度轨下胶垫平均应力

图10 不同空吊高度道床最大应力

3 结论

本文为更真实模拟轨枕服役过程中承受道床不均匀支撑对轨道结构力学性能的影响，通过建立力学模型，选取典型工况进行分析，得出以下结论。

(1)随着轨枕空吊面积的增大，轨枕负弯矩先增大后减小，说明轨枕局部空吊对轨枕受力更不利，更容易引起轨枕产生裂纹，同时局部空吊会使道床产生应力集中，容易出现粉化现象，影响道砟使用寿命。

(2)随着轨枕空吊高度的增加，轨枕负弯矩先增加较快，随后增加较缓；轨枕空吊高度的增加也会使道床受力逐渐增大。

(3)根据上述分析，轨枕局部空吊对轨枕及道床的受力更为不利，因此，建议工务人员应密切关注现场轨枕空吊病害，及时捣固、夯实道砟，避免出现轨枕局部空吊问题。