无缝线路不稳定性力学特性分析

2020-01-01石江

中国设备工程 2019年23期

石江

(朔黄铁路肃宁分公司，河北肃宁，062350)

重载铁路的最主要特点是运量大、轴重大，重载铁路在运营过程中，路基沉降，使得路基变形、动力响应加剧，因此要重视重载铁路路基沉降的影响。路基的沉降控制则是直接关系到车辆运行安全与稳定的关键，因此，路基沉降的控制提出了极其严格的控制标准。路基不均匀沉降发生的病害主要有线路不均匀沉降引起晃车，给行车带来危险性；桥梁过渡段不均匀沉降易加重过渡段线路病害；线路翻浆冒泥易引起车辆晃车，加大线路日常保养的工作量，因此需对路基不均匀沉降进行研究分析。

重载铁路路基沉降通常发生在路桥、路涵等易沉降区域。由于路桥段基础刚度差异、桥后路基填土等原因，导致路桥过渡段产生严重的路基沉降差。过渡段的轨道沉降差导致轨枕空吊，导致钢轨纵向力的重新分布，无缝线路稳定性受到影响。因此，跨区间无缝线路路基不均匀沉降可以集中考虑路桥过渡段，采用具有特殊代表性的区段来进行模型分析。为了更好地研究跨区间无缝线路路基不均匀沉降和稳定性分析，本文采用ANSYS 软件建立了路桥过渡段无缝线路有限元模型，采用静力分析的方法分析了钢轨纵向力的变化，并考虑参数的非线性特点。

1 ANSYS 模型的建立

利用ANSYS 建立有砟轨道路桥过渡段无缝线路模型，有限元分析模型中包括钢轨、扣件、道床、桥梁等部件。

1.1 轨道结构主要参数

在重载无缝线路模型中，采用的钢轨参数如表1 所示。轨枕采用混凝土III 型轨枕，1776 根/km。考虑横向、纵向、竖向三个方向自由度。对于桥上有砟无缝线路，用弹簧模拟扣件阻力。扣件阻力大于道床阻力，以防止钢轨爬行。道床阻力是影响无缝线路稳定性的关键因素，决定着无缝线路抵抗温度力作用下横向变形的能力，受道砟的颗粒级配、粒径大小及密实状态等多种因素影响。在路基地段的无缝线路上，弹簧单元参数选取参考道床阻力参数。在桥上无缝线路中，根据《铁路无缝线路设计规范》，有砟轨道桥上纵向阻力曲线如图1 所示。

1.2 桥梁结构主要参数

采用3×40m 三跨连续梁桥布置。并在两侧路基设置路基上无缝线路各150m。模型设计图及尺寸分别如图2 和图3所示。采用混凝土箱型截面梁，梁高4m，桥面宽4.9m，翼缘厚度300mm，腹板厚度400mm，底板厚度800mm，底板宽度2200mm。中间桥梁墩台纵向刚度值取500.5kN/cm。

表1 钢轨参数

图1 桥上有砟轨道纵向阻力曲线

图2 模型设计图

图3 模型尺寸图（m）

1.3 锁定轨温

铺设无缝线路的关键是选择适当的锁定轨温，锁定轨温对无缝线路的强度和稳定性具有很大的影响。因此，必须准确确定无缝线路锁定轨温，相邻两段单元轨节锁定轨温之差不得大于5℃，左右两股钢轨的锁定轨温差不得大于3℃，同一设计锁定轨温的长轨条最高与最低锁定轨温之差不大于10℃。选择锁定轨温一般采用稍高于本地区的中间轨温作为锁定轨温。由于本文采用理论模型研究，不依托实际工程，锁定轨温可设定为24℃。在计算过程中，钢轨升温取值38.6℃计算。

1.4 ANSYS 模型

钢轨采用3D 弹性BEAM44 单元来模拟，桥梁采用BEAM189单元模拟，在桥梁支座处用弹簧单元约束，采用COMBIN14弹簧单元。活动支座处约束横、竖向自由度，固定支座处约束横、竖、纵3 个方向自由。钢轨与枕轨之间的扣件连接，横、竖向反力特性采用线性弹簧单元COMBINl4 来模拟。在温度力和附加力作用下，轨枕和道床产生位移，考虑到道床阻力-位移的非线性关系，纵向阻力采用非线性弹簧COMBIN39 来模拟。

根据上述单元和尺寸参数，使用EINTF 命令通过弹簧单元连接钢轨和桥梁以及路基，在ANSYS 中建立无缝线路路桥过渡段有限元模型。

2 无缝线路纵向力分析

无缝线路纵向力的大小是影响无缝线路稳定性的直接因素。在路桥过渡段中，由于有附加纵向力的产生，所以要特别考虑纵向附加力对于轨道稳定性的影响。

2.1 挠曲力

在桥上无缝线路中施加列车荷载，通过ANSYS 计算得到无缝线路轨道的分布图。由计算结果可知，在中—活载的作用下，钢轨产生挠曲力。对于桥上无缝线路，钢轨挠曲力正负交替变化，在两边跨中出现受压纵向力极值，在中跨的钢轨中出现受拉纵向力极值。在距最右端活动支座16.5m 处达到最大压力值为57.5kN；距固定支座右端16.5m 处达到最大拉力值为39.4kN。在两端的路基上无缝线路，钢轨纵向力为正，即受拉力，在路基道床纵向阻力的作用下逐渐减小至0。

图4 中—活载下钢轨纵向力分布图

为了得到最不利的钢轨挠曲力情况，改变列车荷载的加载位置。并通过计算结果，进一步改变列车荷载加载位置，挠曲力分布发生变化。对于桥上无缝线路，钢轨纵向力正负交替变化，在左边跨距活动端18m 处出现受压纵向力极值82.5kN；在中跨和全桥两端的钢轨中出现受拉纵向力极值，最大受拉纵向力值为43.7kN。相对于两跨梁受荷载的情况，在单跨加载情况下，钢轨受压、受拉力均增大，处于受力不利情况。

2.2 伸缩力

在桥上无缝线路中施加温度力荷载，此次模型中梁体采用了混凝土梁，桥面铺设有砟轨道。根据《铁路无缝线路设计规范》，混凝土桥梁温升取值为15℃，通过计算得到无缝线路轨道的分布。并考虑到温度力的组合，在轨道上施加38.6℃的温度力荷载，进而得到无缝线路钢轨纵向力分布。

由计算结果可知，在桥梁升温的伸缩力作用下，桥上无缝线路中间段受拉，两端受压，这是由桥梁支座布置决定的。在15℃桥梁升温作用下，桥梁中间跨钢轨受拉，在固定支座右侧17m 处达到最大值，为279.1kN；在桥梁两端支座处钢轨压力达到极值，分别为270.9kN、354.4kN。在路基段上的钢轨纵向力为受压，在道床纵向阻力的作用下逐渐减小为0。

由计算结果可知，在路基地段，在温度力和附加力的荷载组合的作用下，钢轨纵向力为受压，并且在伸缩力和钢轨温度力荷载的作用下，过渡段钢轨纵向力相对挠曲力的荷载组合较大。

3 路桥过渡段无缝线路纵向力参数分析

钢轨升温产生的钢轨纵向力值是恒定值，与外部条件无关，所以在无缝线路纵向力变化规律中可不考虑钢轨升温引起的纵向力。根据《铁路无缝线路设计规范》，有砟混凝土箱梁升温取15℃计算，以此时的路桥过渡段为研究对象，分析其在不同沉降段长度和不同沉降值的情况下轨道的纵向力变化规律。由于在沉降与道床阻力变化规律方面缺乏研究资料，本文采用改变道床阻力来模拟沉降段的影响。沉降导致轨枕与道床间的接触降低，导致道床横纵向阻力减小，在沉降段影响纵向力分布的因素主要有沉降差的大小以及沉降段的长度。

3.1 不同沉降差对钢轨纵向力影响

轨道从桥梁到路基的连接段中，一般都会设置过渡段，不同的过渡段长度会产生不同的轨道沉降差。一般情况下，过渡段设置越长，路桥刚度变化越缓慢，过渡段沉降差越小，从而道床横纵向阻力值降低越少。所以，本次模拟中采用道床阻力值的减小来模拟路基的不均匀沉降。

取距桥台20m 沉降段，路基段道床纵向阻力分别减小25%、50%、75%时，利用ANSYS 有限元模型计算钢轨纵向力。

由计算结果可知，在路基道床纵向阻力的作用下，钢轨纵向力逐渐减小。当发生沉降差引起道床纵向阻力减小时，纵向力分布发生变化。在20m 沉降段内，沉降差越大，道床纵向阻力减小越大。相对于未沉降段，当纵向阻力减小25%时，在距桥台20m 处钢轨纵向力差值达到最大，钢轨纵向力增大23.4%；当道床纵向阻力减小50%时，20m 处钢轨纵向力增大58.9%；当道床纵向阻力减小75%时，20m 处钢轨纵向力增大110%。由此可知，沉降引起钢轨纵向力的重分布，沉降差越大，钢轨纵向力变化越缓慢，相应的纵向力越大。

3.2 不同沉降段长度对钢轨纵向力影响

在相同的沉降差的情况下，轨枕空吊程度相同，道床纵向阻力减小值也相同。但由于不同的沉降段长度，仍然会影响轨道的纵向力变化。同样，也采用改变道床纵向阻力来模拟沉降。

取道床纵向阻力减小50%，取沉降段长度分别为10m、20m、30m 进行计算。利用ANSYS 有限元模型，计算得到距桥台40m 范围内钢轨纵向力的变化。

由结果可得，沉降段中道床阻力中均减小50%的情况下，未沉降段中，钢轨纵向力随距桥台距离增加而减小。当有10m沉降段时，在距桥台10m 处，钢轨纵向力相对未沉降段增加25.1%；当有20m 沉降段时，在距桥台20m 处，钢轨纵向力相对于未沉降段增加59.5%；当有30m沉降段时，在距桥台30m处，钢轨纵向力相对于未沉降段增加97.0%。因此，沉降段长度越长，钢轨纵向力越大，对无缝线路稳定性越不利。