枕下支撑刚度对轨枕性能影响分析

钟智丰

摘 要：城市轨道交通线路通车运营后碎石道床发生不均匀沉降，枕下支撑刚度发生变化，导致轨枕病害的产生，无法有效保持轨道形位和纵横向阻力，需要深入研究轨枕下支撑刚度对其性能的影响，以便更好地治理轨枕病害问题。采用不同枕下支撑刚度对轨枕的支撑作用模拟碎石道床不均匀沉降，建立有限元模型进行受力计算，分析不同支撑刚度对轨枕变形及弯矩等性能的影响。结果表明，轨枕跨中支撑刚度越大，轨枕变形和受力越小，但轨枕跨中弯矩相应增大;轨枕跨中支撑刚度变小时，轨枕变形增加。由此可见，轨枕跨中若出现道砟缺失，引起轨枕空吊，枕下支撑刚度减小，则轨枕处将产生较大变形，相邻的轨枕也将承受较大的荷载，严重时造成轨枕失效。

关键词：城市轨道交通;碎石道床;支撑刚度;轨枕性能;动力分析

中图分类号：U213.3

0 引言

近几年国内城市轨道交通发展日新月异，不仅缓解了城市公共交通的压力，也极大地方便了市民出行。但城市轨道交通发车间隔短、客运量大，同时养护维修天窗时间短，运营期间车辆通过、轮轨接触等振动对轨下基础也会造成一定影响，尤其是地面碎石道床地段。持续的列车振动及露天环境下的雨水冲刷，容易导致轨枕下道砟支撑刚度降低，严重时甚至会造成局部轨下道床脱空，使轨枕产生较大下沉，不利于轨道形位的保持，同时影响旅客舒适性及行车安全。

目前国内城市轨道交通地面线主要采用碎石道床，配套相应的预应力混凝土轨枕，其主要作用是把上部荷载的作用力均匀传递到道床中，有效保持轨道的几何形位，可见轨枕在碎石道床结构中起着承载和传递上部力的关键作用。当碎石道床均匀地支撑轨枕时，轨枕受力特点是钢轨下方轨枕能够承受较大的正弯矩，枕中则承受一定的负弯矩。然而由于列车荷载的冲击以及雨水对道床冲刷等原因，碎石道床产生不均匀沉降。在荷载反复作用下，道床差异沉降不断积累，造成轨枕与道床之间的接触面变小，轨枕发生部分支撑缺失，导致枕下支撑刚度急剧减小，从而进一步加剧道床的沉降。道床不均匀沉降不仅容易造成轨枕病害，增加养护维修工作量，而且会导致重大脱轨事故，因此有必要对碎石道床轨枕下支撑情况进行分析。

为进一步研究轨枕支撑情况与其受力特性的关系，国内学者进行了深入研究。张健等通过建立车辆轨道垂向耦合模型，研究了轨枕空吊受轨枕动态响应的影响;邹春华等根据试验分析轨枕空吊受路基不均匀沉降影响（会引起有砟轨道沉降）的规律，提出路基不均匀沉降引起轨枕临界空吊的计算方法;徐涆文等通过研究弹性长轨枕和短轨枕轨道钢轨的垂向振动特性，分析了轨枕支撑刚度、轨枕质量以及轨枕尺寸等不同结构及参数对钢轨垂向振动的影响;西南交通大学方锐等建立了轨道结构三维实体有限元模型，分析不同轨道结构参数对钢轨和轨枕振动特性的影响;王国新等通过建立有限元弹性振动模型，研究了轨枕支撑弹簧刚度和阻尼对钢轨波磨的影响，发现较软的轨枕支撑刚度和合适的轨枕支撑阻尼可以抑制曲线线路上内轨的波磨。本次研究通过不同枕下支撑刚度对轨枕的支撑作用模拟碎石道床不均匀沉降，分析不同支撑刚度对轨枕变形及弯矩等性能的影响。

1 模型建立

本文利用轨枕下不同支撑刚度对轨枕的作用，模拟碎石道床的不均匀沉降和脱空等工况。模型条件设置为：B型列车14 t轴重荷载、60kg/m钢轨、弹条Ⅱ型扣件、新Ⅱ型预应力混凝土枕碎石道床。

1.1 碎石道床模型

根据国内碎石道床刚度有关论文的研究结论，碎石道床轨枕下支撑刚度约为70kN/mm。本文按系数0.8 / 0.5 / 0.2对轨枕跨中支撑刚度进行折减，以模拟轨枕下碎石道砟局部缺失和脱空的工况，选取的支撑刚度分别为55kN/mm、35kN/mm、15kN/mm、0kN/mm。模型采用有限元软件进行计算分析，钢轨采用梁单元进行模拟，其余部件采用实体单元，本文建立的碎石道床模型如图1所示。

1.2 轨枕模型

轨枕建模采用实体单元（图2），在模型中对轮轨接触位置施加14t轴重集中荷载，同时考虑到相邻轨枕受力分布（图3），实际施加集中荷载最大值为14t×（1 + 0.6）×0.4 = 8.96t，其中0.6为动力系数，0.4为集中力加载处正下方轨枕承受的竖向力系数。

2 仿真分析

对模型施加14t轴重静荷载进行计算，轨枕变形云图如图4所示，枕两端及枕中弯矩图如图5所示。

不同支撑刚度工况下，轨枕变形及弯矩变化规律如图6、图7所示。

不同支撑刚度工况下，轨枕应力变化规律如图8所示。不同支撑刚度条件下，轨枕变形及受力对比结果见表1。

由表1可知，轨枕跨中支撑刚度由55kN/mm減小至0时，轨枕两端及枕中最大变形出现在支撑刚度为0时，变形值分别为1.925mm和1.514mm;随着支撑刚度的减小，枕两端和枕中变形不断增大，增幅分别达27.0%和33.7%;轨枕两端弯矩在支撑刚度为0时，达到最大值852N · m，而枕中弯矩最大值出现在支撑刚度为55kN/mm时，为834N · m;随着支撑刚度的减小，枕两端弯矩增大了111.9%，枕中弯矩则减小了97.1%;轨枕两端及枕中应力随着支撑刚度的减小而增大，最大值分别为1900kPa和30.9kPa，增幅分别为20.0%和13.6%。这说明轨枕跨中支撑刚度减小时，轨枕受弯位置由枕中往两端偏移，在轨下位置轨枕弯矩较大，轨枕变形也增大，整体下沉。

再对钢轨-轨枕-道床模型施加F = 10kN的冲击荷载，时间间隔为10-4s，连续作用30次，模拟轨枕跨中支撑刚度发生变化后轨枕的传力性能。计算分别取轨枕跨中全支撑和无支撑2种工况，其支撑刚度分别为70kN/mm和0，施加上述荷载后，轨枕的结构变形和加速度结果见图9、图10。