基于疲劳寿命理论的无砟轨道脱空等级划分

2020-04-07郭杰毕澜潇赵坪锐屈超广

铁道建筑 2020年3期

郭杰毕澜潇赵坪锐屈超广

（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）

轨道板脱空是无砟轨道的一种典型病害，当脱空程度较大时会对车辆运行安全性和平稳性产生不利影响。为科学合理地指导现场养护维修，学者们开展了脱空维修限值和伤损等级划分的研究。文献［1］基于轮轨系统动力学原理，分析了考虑温度梯度时砂浆脱空对车辆和无砟轨道动力特性的影响，提出砂浆脱空长度不应超过0.8 m。文献［2］基于有限元理论分析了不同脱空状态对道岔区无砟轨道结构变形与受力的影响规律，并提出了板式道岔不同伤损形式的脱空维修级别和判别标准。

无砟轨道发生脱空时轨道结构承力和传力特性发生变化，在列车荷载长期作用下会发生疲劳破坏，从而降低无砟轨道的疲劳寿命，使无砟轨道不再满足服役要求。文献［3］基于P⁃M疲劳累积伤损准则，采用S⁃N曲线分析方法，分析了客车、货车及其交替作用时板端脱空对轨道板疲劳寿命的影响。

脱空会影响无砟轨道疲劳寿命，决定无砟轨道的服役状态。本文先分析不同脱空形式和脱空程度对无砟轨道疲劳寿命的影响程度，再根据具体影响程度划分脱空等级，以便科学合理地指导现场养护维修。

1 有限元分析

1.1 模型的建立

本文以CRTSⅢ型板式无砟轨道为研究对象，模型长度取3块轨道板长度，以中间轨道板为研究对象。CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元模型见图1。

图1 CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元模型

钢轨视为点支承连续梁，采用梁单元模拟；扣件忽略其阻尼和纵、横向阻力，采用线性弹簧单元模拟；轨道板、自密实混凝土和底座板均采用实体单元模拟；路基采用线性弹簧单元模拟，其刚度的计算方法详见文献［4］。扣件垂向刚度为50 kN/mm，路基面支承刚度为76 MPa/m。主要计算参数见表1。

表1 主要计算参数

轨道板脱空形式有板边脱空、板端脱空、板角脱空和板中脱空，见图2。其中：l和w分别为脱空的长度和宽度。

图2 轨道板脱空形式

对于板边脱空假定沿轨道板纵向完全脱空，以脱空宽度表征脱空大小。对于板端脱空假定沿轨道板横向完全脱空，以脱空长度表征脱空大小。板角脱空时脱空宽度为0.8 m，以脱空长度表征脱空大小。板中脱空时脱空长度为2 m，以脱空宽度表征脱空大小。假设脱空区域自密实混凝土沿厚度方向完全脱空。由于CRTSⅢ型板式无砟轨道的轨道板与自密实混凝土间由门形钢筋连接，二者构成复合板，故无砟轨道各结构层间按黏结处理。

1.2 荷载取值及假定

文献［5］的计算结果表明，预应力基本能够抵消温度梯度所产生的拉应力，文献［4］也建议疲劳计算采用列车轮载，故本文不考虑温度梯度和预应力的影响，仅考虑列车荷载作用。列车荷载取常用轮载150 kN。

本文以轨道板和底座板中疲劳寿命较小者代表无砟轨道的疲劳寿命。同时，考虑建模的方便性和计算效率，在计算无砟轨道疲劳寿命时作以下假定：①预应力完全抵消温度梯度所产生的拉应力，不考虑预应力和温度梯度的影响；②在无砟轨道服役期内，不考虑脱空本身的发展，也不对无砟轨道进行维修或更换；③每次疲劳荷载对无砟轨道的损伤程度一样，符合P⁃M损伤理论。

1.3 疲劳方程的选取

无砟轨道主要为混凝土结构，其抗拉强度远低于抗压强度，且轨道结构长期处于弯拉状态［3］，故本文采用混凝土弯拉疲劳方程计算轨道板和底座板的疲劳寿命。弯拉疲劳方程［6］为

式中：Smax为最大应力水平上限，Smax=σmax/fr，σmax为反复应力的最大值，fr为混凝土弯曲抗拉强度，fr=0.62 fcʹ0.5［7］，fcʹ为混凝土标准圆柱体抗压强度，fcʹ=0.8 fcu，k［8］，fcu，k为混凝土标准立方体抗压强度标准值；N为疲劳荷载作用次数。

2 计算结果与分析

2.1 正常状态下轨道结构疲劳寿命

经有限元计算，轨道板和底座板最大拉应力分别为0.391，0.783 MPa，代入弯拉疲劳方程，计算得N分别为1.867×1013，2.198×1011，与文献［9］的计算结果较为接近，验证了本文模型、参数、假定及所选疲劳方程的合理性。

2.2 脱空状态下轨道结构疲劳寿命

无砟轨道结构设计使用年限为60年。根据高速铁路运营特点，天窗时间为6 h，列车追踪间隔时间为3 min，动车编组方式参见文献［10］，计算得N=2.52×108。

不同脱空形式和脱空程度对无砟轨道疲劳寿命的影响见图3。可知，4种脱空形式下随着脱空程度的增大无砟轨道的疲劳寿命均会显著降低，相比较而言板端脱空对无砟轨道疲劳寿命的影响最大。当板边脱空宽度达到0.74 m、板端脱空长度达到0.55 m、板角脱空长度达到0.80 m、板中脱空宽度达到2.34 m时，无砟轨道的疲劳寿命将不再满足60年使用寿命的要求，故应加强对各种脱空形式尤其是板端脱空的检测。

图3 不同脱空形式和脱空程度对无砟轨道疲劳寿命的影响

3 脱空等级划分方法

3.1 划分原则

参考文献［11-12］，提出以下无砟轨道脱空等级划分原则：

1）指导维修工作。划分脱空等级主要是为了便于现场维修人员了解和掌握目前无砟轨道的脱空状态及其对无砟轨道的影响程度，以便制定合理的养护维修计划。

2）脱空等级宜简明。若等级划分太少，则不能详细反映不同脱空形式和脱空程度对无砟轨道的影响程度；若等级划分太多，则脱空等级评定工作复杂，效率不高。

3）定量划分脱空等级。现场调研和检测完脱空状态后，内业处理时应能够定量评价脱空程度，使维修人员明确每处脱空对无砟轨道的影响程度，以便能针对每处脱空制定相匹配的养护维修计划。

4）有利于科学研究。脱空等级划分应易于识别和区分，使不同线路、不同区域的脱空具有可比性，以便揭示无砟轨道脱空的深层机理，指导无砟轨道的优化设计。

3.2 脱空等级划分

基于2.2节的计算结果，对无砟轨道脱空等级进行划分。引入无砟轨道疲劳寿命影响系数λ，其为脱空状态下疲劳荷载作用次数N*与60年疲劳荷载作用次数N的比值。按照2.2节计算，N=2.52×108。

仅考虑疲劳寿命不超过60年的情况，则脱空状态下无砟轨道疲劳寿命影响系数λ取值范围为［0，1］。λ越小表明脱空状态下无砟轨道疲劳寿命越小。

4种脱空形式和脱空程度对无砟轨道疲劳寿命影响系数λ的影响见图4。可知：板角脱空时，随着脱空程度的增大，λ先缓慢降低再快速降低，最后缓慢降低；其他脱空形式下随着脱空程度的增大，λ均先快速降低然后缓慢降低。

图4 不同脱空形式和脱空程度对疲劳寿命影响系数的影响

依据无砟轨道脱空等级划分原则，结合不同脱空状态对λ的影响，并参考其他形式的无砟轨道伤损等级划分方法［13］，将无砟轨道的4种脱空形式划分为3个等级：①λ＞0.67为轻度脱空（Ⅰ级），应做好记录，巡检时注意脱空的发展情况；②0.33≤λ≤0.67为中度脱空（Ⅱ级），应结合脱空具体情况制定相应的维修计划，并适时维修；③λ＜0.33为重度脱空（Ⅲ级），应立即制定维修计划并维修。