锯齿互锁式沉降自动补偿钢枕强度影响因素分析

张鹏飞，朱勇，雷晓燕

锯齿互锁式沉降自动补偿钢枕强度影响因素分析

张鹏飞，朱勇，雷晓燕

(华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

针对铁路轨下基础沉降引发的轨道不平顺问题，提出一种能够自动补偿轨下基础沉降的锯齿互锁式钢枕。为研究该钢枕结构参数对钢枕强度的影响规律，基于有限元法建立钢枕的三维空间耦合计算模型，计算不同沉降补偿量下钢枕结构各向强度，并分析钢枕宽度、高度，以及顶、底板厚度等参数对钢枕各向强度的影响规律。研究结果表明：钢枕整体各向拉、压应力均大于或等于局部锯齿处应力；随着沉降补偿量的递增，钢枕整体横向压应力和锯齿处各向应力均增大；钢枕在一定沉降补偿量下各向强度均满足要求；增大钢枕宽度能够减小钢枕整体横向压应力和锯齿处各向应力；随着钢枕顶板厚度的递增，钢枕整体横向压应力和锯齿处各向应力均显著增大，建议关注钢枕升降块顶部锯齿与顶板边缘处的接触应力；钢枕高度和底板厚度对钢枕整体和锯齿处强度影响均较小。

锯齿互锁式；自动补偿；钢枕；强度分析；有限元法

铁路的发展必须以安全性、可靠性、舒适性为前提，以线路的高平顺性和轨下基础的高稳定性为保证[1]。铁路线路在运营期间不可避免地会产生局部沉陷、不均匀沉降等问题，如果不及时处理，车辆−轨道相互作用力加剧，导致线路平顺性显著降低，严重影响旅客舒适性和行车安全性。因此，开展对铁路轨下基础沉降及时、有效的整治技术研究具有重大工程意义。国内外学者对铁路轨下基础沉降的整治和控制研究主要集中在加固路基和改善刚度平稳过渡上[2−10]。廖进星[11]对高速铁路松软地基的地基加固处理技术进行了详细的介绍，提出了对路桥、路涵过渡段等地段的地基加固措施以及相关原则与施工顺序；陈果元等[12]结合秦沈客运专线，针对列车荷载作用下级配碎石路桥过渡段与土工格栅路桥过渡段的沉降规律进行现场测试及理论分析，得出土工格栅过渡段比级配碎石过渡段更能减小差异沉降的结论；孔祥仲等[13]从静力学角度对板式轨道与普通轨道之间设置轨道刚度渐变的板式轨道过渡段提出了刚度设计方法，通过刚度的均匀过渡来减少过渡段间的沉降差，并提出采用不同厚度的沥青混凝土道床宽轨枕轨道结构作为有砟与无砟轨道过渡段型式是具有良好过渡效果的。既有研究对减少线路沉降和降低过渡段两侧刚度变化率具有良好效果，但缺乏自动性和实时性，且整治技术施工工艺复杂，增大了养护维修成本。本文基于已有研究成果，在不改变线路轨下基础的前提下，提出一种结构简洁、自动调节的锯齿互锁式钢枕；该钢枕可铺设于铁路过渡段等地段，自动补偿轨下基础沉降，使线路始终保持平顺状态；基于有限元法建立钢枕的三维空间耦合计算模型，计算不同沉降补偿量下钢枕结构强度，并分析钢枕宽度、高度，以及顶、底板厚度等参数对钢枕各向强度的影响规律。

1 钢枕概况

1.1 钢枕结构组成

锯齿互锁式沉降自动补偿钢枕三维外观分解图如图1所示，钢枕轨下起始高度为23.0 cm，后随着钢枕补偿沉降后逐渐增加，其他外部结构尺寸与既有Ⅲ型混凝土枕相同；除承轨槽处外，钢枕其余部分内置空心，顶板厚2.0 cm，侧板厚3.0 cm，底板厚2.0 cm，两端厚5.0 cm。

图1 钢枕三维外观分解图

沉降补偿装置内嵌于钢枕承轨槽内，其断面示意图如图2所示。

①—钢枕；②—钢轨；③—升降块；④—钢板；⑤—锯齿；⑥—弹簧块；⑦—小钢棒；⑧—螺杆；⑨—钢环套；⑩—防尘罩；—防尘套；—道砟；—螺帽

1.2 钢枕工作原理

2 计算模型及参数

2.1 模型建立

基于有限元法，建立钢枕三维空间耦合计算模型如图3所示。钢枕内弹簧块采用COMBIN 14弹簧−阻尼器单元模拟，其余部分均采用SOLID 45实体单元模拟。对钢枕底面采用全约束。

图3 钢枕三维空间耦合计算模型

2.2 模型参数

钢枕模型尺寸为：长×宽×高=260.0 cm×32.0 cm×22.0 cm，本文钢枕高度取承轨槽顶面高度为基准，高度变化为钢枕整体同步变化。

与钢枕匹配扣件选取常用弹条Ⅱ型扣件，依据实际情况并合理简化，建立2根螺旋道钉锚固在钢枕的升降块上；螺旋道钉材质为低碳钢Q235-A，直径2.2 cm，长19.0 cm，埋入钢枕升降块深度11.0 cm，沿钢枕承轨槽横向中心线对称布置，间距21.4 cm。螺旋道钉模型参数如表1所示。

表1 螺旋道钉模型参数

由于钢枕材料属性的各向同性，钢枕各方向上的弹性模量、泊松比及强度限值均相同。选取钢枕材质为优质碳素结构钢45号，根据文献[14]，钢枕模型参数和计算模型强度限值分别见表2和表3所示，其中，方向和方向拉、压应力限值均取螺旋道钉抗拉、压强度值为控制指标，方向拉、压应力限值取钢枕抗拉、压强度值为控制指标。定义为钢枕宽度方向(横向)，为钢枕高度方向(垂向)，为钢枕长度方向(纵向)，下同。

表2 钢枕模型参数

表3 计算模型强度限值

3 列车荷载作用下钢枕强度分析

3.1 荷载工况

考虑到列车荷载工况较多，本文对钢枕施加列车准静态荷载，包括列车垂向、横向和纵向荷载。

根据文献[15]，列车垂向设计荷载应按式(1)计算，式中：d为轨枕动压力；j为轨枕静压力；，1和2为速度系数，见表4；p为偏载系数，取0.15。

表4 速度系数

考虑列车匀速条件下，车辆与钢轨作用产生的摩擦力经扣件传递到钢枕，将轮轨间摩擦力近似与扣件受到的纵向水平力等同，列车纵向设计荷载应按式(3)计算，式中1为列车垂向力；为滑动摩擦因数，取0.2。

针对列车垂向荷载，板下胶垫将垂向荷载以均布形式传递到钢枕升降块上表面，即对钢枕升降块上表面施加面均布载荷，作用的垂向设计荷载大小为250 kN(方向)，换算成面均布荷载大小为5.60× 106N/m2；针对列车横向和纵向荷载，将这2种荷载看作是完全依靠扣件螺纹道钉传递到钢枕上，即分别对4根螺纹道钉半侧外表面施加面均布载荷，作用的横向荷载为115 kN(方向)，换算成面均布荷载大小为8.78×106N/m2；作用的纵向荷载为50 kN(方向)，换算成面均布荷载为3.82×106N/m2。

3.2 强度计算结果分析

考虑钢枕处于不同沉降补偿量下的实际工况，本节对不同沉降补偿量下钢枕整体及局部锯齿处结构各向最大拉、压应力进行计算，其计算结果如表5所示。

从表5可以看出，列车荷载作用下，钢枕整体各向拉、压应力均大于或等于局部锯齿处应力，这是因为钢枕整体最大拉、压应力大多情况下均发生在螺旋道钉与钢枕表面接触处，并且接触处产生了应力集中；随着沉降补偿量的增大，钢枕整体方向最大压应力逐渐递增，其余方向上应力变化不明显，这是因为钢枕升降块顶部锯齿与钢枕顶板边缘接触位置处发生了应力集中，导致钢枕整体方向最大压应力发生在顶部锯齿处，且应力值随沉降补偿量的增大而增大。

与此同时，钢枕局部锯齿处各向拉、压应力均随沉降补偿量的增大而增大，但无论是钢枕整体应力还是局部锯齿处应力均小于对应强度限值，且有较大安全冗余。因此，钢枕在一定沉降补偿量下各向强度均满足要求。

表5 钢枕整体及局部锯齿处结构各向最大拉、压应力计算值

4 钢枕强度影响因素分析

本节考虑钢枕处于补偿沉降4 cm后的工作状态，假定钢枕沉降补偿4 cm后，针对钢枕宽度、高度，以及顶、底板厚度等参数，分析列车荷载作用下4种参数分别对钢枕整体及局部锯齿处各向强度的影响。

4.1 钢枕宽度的影响

保持其余参数不变，改变钢枕的宽度，计算列车荷载作用下钢枕宽度分别为28，30，32，34和36 cm时钢枕整体及局部锯齿处的应力，分析钢枕宽度对钢枕整体及局部锯齿处各向强度的影响规律。其应力计算结果分别如图4和图5所示。

图4 钢枕整体应力

图5 钢枕锯齿处应力

由图4和图5可知，列车荷载作用下钢枕宽度对钢枕整体除方向压应力随宽度递增而减小外，其余应力均基本不变；随着钢枕宽度的递增，钢枕锯齿处各方向上的拉、压应力均明显减小，且近似呈线性变化。

综上所述，钢枕宽度变化对钢枕整体横向强度和锯齿处各向强度影响均很明显；增大钢枕宽度能够减小钢枕整体横向压应力和锯齿处各向应力。

4.2 钢枕高度的影响

保持其余参数不变，改变钢枕的高度，计算列车荷载作用下钢枕高度分别为18，20，22，24和26 cm时钢枕整体及局部锯齿处的应力，分析钢枕高度对钢枕整体及局部锯齿处各向强度的影响规律。其应力计算结果分别如图6和图7所示。

图6 钢枕整体应力

图7 钢枕锯齿处应力

由图6和图7可知，总体上来看，列车荷载作用下钢枕高度对钢枕整体的各向强度影响较小；随着钢枕高度的递增，钢枕锯齿处强度变化较为明显，其方向压应力和方向压应力均随之略微递增，其余方向上应力均随之略微递减。

综合上述，钢枕高度变化对钢枕整体和锯齿处强度影响均较小。

4.3 钢枕顶板厚度的影响

保持其余参数不变，改变钢枕顶板的厚度，计算列车荷载作用下钢枕顶板厚度分别为1，2，3，4和5 cm时钢枕整体及局部锯齿处的应力，分析钢枕顶板厚度对钢枕整体及局部锯齿处各向强度的影响规律。其应力计算结果分别如图8和图9所示。

由图8和图9可知，列车荷载作用下钢枕顶板厚度对钢枕整体方向压应力影响显著，随着顶板厚度的递增，方向压应力显著增大，这是由于随着顶板厚度的增加，钢枕升降块顶部锯齿与钢枕顶板边缘处发生了较多处的应力集中，此外，钢枕整体其余方向应力基本不变；与此同时，钢枕锯齿处各向应力均随顶板厚度递增而明显增大。值得注意的是，当钢枕顶板厚度大于3 cm时，钢枕整体及锯齿处方向压应力均大于强度限值。

图8 钢枕整体应力

图9 钢枕锯齿处应力

综合上述，钢枕顶板厚度变化对钢枕整体横向强度和钢枕锯齿处各向强度的影响显著，并且当钢枕顶板厚度大于3 cm时，钢枕横向压应力超过强度限值。建议关注钢枕升降块顶部锯齿与钢枕顶板边缘处的接触应力。

4.4 钢枕底板厚度的影响

保持其余参数不变，改变钢枕底板厚度，计算列车荷载作用下钢枕底板厚度分别为1，2，3，4和5 cm时钢枕整体及局部锯齿处的应力，分析钢枕底板厚度对钢枕整体及局部锯齿处各向强度的影响规律。其应力计算结果分别如图10和图11 所示。

图10 钢枕整体应力

图11 钢枕锯齿处应力

由图10和图11可知，列车荷载作用下钢枕底板厚度对钢枕整体强度和局部锯齿处强度影响均较小；随着底板厚度的递增，钢枕整体除方向和方向拉应力出现较小波动外，其余方向上应力均基本不变；与此同时，钢枕锯齿处各向应力均随底板厚度递增而略微增大。

总体上来看，钢枕底板厚度变化对钢枕整体和锯齿处强度影响均较小。

5 结论

1) 列车荷载作用下，钢枕整体各向拉、压应力均大于或等于局部锯齿处应力；随着沉降补偿量的递增，钢枕整体横向压应力逐渐增大，其余方向上应力变化不明显；与此同时，钢枕局部锯齿处各向拉、压应力均随沉降补偿量的递增而增大；钢枕在一定沉降补偿量下各向强度均满足要求。

2) 钢枕宽度对钢枕整体横向强度和锯齿处各向强度影响均很明显；增大钢枕宽度能够减小钢枕整体横向压应力和锯齿处各向应力。钢枕高度变化对钢枕整体和锯齿处强度影响均较小。

3) 钢枕顶板厚度对钢枕整体横向强度和锯齿处各向强度影响显著，随着顶板厚度的递增，钢枕整体横向压应力和锯齿处各向应力均显著增大。当钢枕顶板厚度大于3 cm时，钢枕横向压应力超过强度限值，建议关注钢枕升降块顶部锯齿与钢枕顶板边缘处的接触应力。钢枕底板厚度变化对钢枕整体和锯齿处强度影响均较小。

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Analysis of influence factors on strength for serrated interlocking steel sleeper with settlement compensation automatically

ZHANG Pengfei, ZHU Yong, LEI Xiaoyan

(Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Aiming at the track irregularity problem, caused by the settlement of the below track foundation, a kind of serrated interlocking steel sleeper that can automatically compensate the settlement of the below track foundation has proposed. In order to study the influence of the steel sleeper’s structural parameters on strength, based on the finite element method, the three-dimensional space coupling calculation model of the steel sleeper was established, and the structure strength on all directions of steel sleeper under different settlement compensation was calculated, also the influence of the steel sleeper’s width, height and the top, bottom thickness on all directions strength were analyzed as well. The result shows that the maximum tensile and compressive stresses in all directions of the steel sleeper are greater than or equal to serrate structure stress. With the increase of settlement compensation, the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure increase. The strength in all directions of steel sleeper can meet the requirement under certain settlement compensation. Increasing the width of the steel sleeper can reduce the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure. With the increase of the steel sleeper’s top thickness, the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure increase significantly , and it is recommended to pay attention to the contact stress between the top serrated structure of the steel sleeper lifting block and the edge on the steel sleeper’s top roof plate. The height and bottom thickness of the steel sleeper have little influence on the strength of the overall steel sleeper and steel sleeper’s serrate structure.

serrated interlocking; automatic compensation; steel sleeper; strength analysis; finite element method

U213.3+6

A

1672 − 7029(2019)08−1905 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.08.006

2018−10−31

国家自然科学基金资助项目(51768023，51578056)；江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ180290)

张鹏飞(1975−)，男，内蒙古赤峰人，副教授，博士，从事轨道结构研究；E−mail：zhangpf4236@163.com

(编辑 涂鹏)