轨距对轨道结构受力特性的影响

2020-06-20亓伟曹勇赵振航莫宏愿

铁道建筑 2020年5期

亓伟曹勇赵振航莫宏愿

（1.成都工业职业技术学院现代轨道交通应用技术研究中心，成都 610218；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；3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

世界各国铁路轨距因为历史、国家安全等原因而存在差异，随着“一带一路”的发展，为保证铁路运输的顺利实施，将各国铁路联为一体，需要研究车辆变轨技术、轨道结构受力等内容。目前，铁路轨距有标准轨距、宽轨距、窄轨距。世界大部分国家采用标准轨距1 435 mm，但是俄罗斯、乌克兰、芬兰、波兰、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦等国采用1 520 mm的宽轨距，印度、巴基斯坦、孟加拉、斯里兰卡、阿富汗、阿根廷、智利等国采用1 676 mm 的宽轨距。我国台湾地区和日本、印尼、菲律宾、南非、安哥拉等国采用1 067 mm的窄轨距，我国云南部分线路和东盟的越南、柬埔寨、老挝、泰国、缅甸、马拉西亚等国均采用1 000 mm 的窄轨距，此外我国云南、东南亚部分国家、印度、塞内加尔有762 mm的寸轨［1-2］。

我国作为“一带一路”主要发起国，已经研发出多种变轨距转向架，保证了标准轨距与宽轨距、窄轨距线路的有效转换。中国铁道科学研究院集团有限公司、西南交通大学等单位对600/1 067 mm 变轨距转向架、1 435/1 520 mm 变轨距转向架作了深入理论与试验研究，并成功开发出对应的可变轨距转向架［3-5］。

文献［6-8］分别对米轨、宽轨距轨道结构对车轮受力、钢轨受力、轨道受力与配筋等内容开展研究，并提出指导建议。文献［9］研究不同轨距下列车运行平稳性问题。文献［10-11］研究轨枕间距对轨道结构受力的影响，得出轨枕间距对轨道结构受力、轨道部件振动特性等均有影响。

现有研究集中在轨距对车辆的影响、变轨距转向架设计等方面。为保证“一带一路”沿途轨距变化处行车的安全性、平稳性与结构的耐久性，本文开展轨距变化对轨道结构受力方面的研究。

1 力学模型

本文结合有砟轨道各部件特点作适当简化，建立有砟轨道有限元模型，如图1所示。

图1 有砟轨道有限元模型

为消除边界影响，模型选取长度为21 枕跨，轨枕间距均为0.6 m，荷载作用于中间轨枕处，竖向荷载为200 kN。模型中钢轨、轨枕、道床均为实体单元，扣件为弹簧单元。钢轨统一采用CN60 钢轨。轨枕分别选取寸轨（670 mm）、米轨（1 000 mm）、标准轨（1 435 mm）、俄罗斯宽轨（1 520 mm）、印度宽轨（1 670 mm）等对应的轨枕，轨枕间距均按0.6 m 设置。道床厚度选取为0.35 m，坡度选取为1∶1.75，道床砟肩宽度均按0.5 m 设置。扣件刚度为60 kN/mm，根据轨底与轨枕网格划分情况简化为49 根离散弹簧。有砟轨道部件参数见表1［12-14］，轨道模型平面如图2 所示。图2 中，W1为轨距，根据轨枕类型进行选择；W2为钢轨外侧轨枕长度，根据我国轨枕设计与模型简化情况选取为0.5 m；W3为砟肩宽度，按我国规范要求与建模简化情况选取为0.5 m；W4为道床边坡宽度，文中的边坡与道床厚度、砟肩堆高按相同取值计算，边坡宽度取为1.0 m。

表1 有砟轨道部件参数

图2 有砟轨道模型平面示意

2 计算结果分析

轨道结构的几何形位变化与轨道部件受力是分析轨道结构的2 个重要指标，部件位移差异影响行车平顺性，部件受力影响耐久性，因此需要重点分析轨距对轨道部件位移和拉压应力的影响。

2.1 轨距对轨道部件位移的影响

轨距变化使得单根轨枕上的轨道部件位移发生变化。计算结果表明，轨道各部件沿z方向（线路方向）、沿x方向（轨枕长度方向）最大与最小位移变化相同，列车荷载主要影响轨枕部件y方向（竖向位移）。

轨距变化对轨道部件位移的影响对比见图3。可见，钢轨、轨枕、道床3 个方向的位移均受到轨距变化的影响，其中钢轨位移受轨距影响最小，其次为轨枕、道床。

图3 轨距对轨道部件位移的影响

由图3（a）可见，当轨距为标准轨距时，钢轨3个方向位移最小，其中x方向所受影响最大，寸轨的位移比标准轨距的增加了333%；各轨距y，z方向差别不大。

由图3（b）可见，轨枕x方向位移受轨距变化影响最大，其次为y方向，z方向影响最小。当轨距为标准轨距时，轨枕x，y方向位移最小，是由于其受钢轨受力影响较大且与钢轨位移变化相同导致的；而z方向位移随着轨距的增加而逐渐减小，是由于轨距增加后作用于2 根钢轨的荷载之间的相互叠加效应减小导致的。标准轨距x，y，z方向的位移分别比寸轨的降低了300%，32%，11%。

由图3（c）可见，米轨x方向道床的位移最小，而其他轨道轨距增大道床位移亦增大，标准轨距x方向道床的位移比米轨的增加了37%，但比印度宽轨的降低了28%。标准轨距y，z方向的位移最小，寸轨、印度宽轨y方向道床的位移比标准轨的分别增加了35%，9%，寸轨、印度宽轨z方向的道床位移比标准轨距的分别增加了38%，14%。

2.2 轨距对轨道部件拉应力的影响

在列车荷载的作用下，轨道部件局部出现拉应力，而轨枕、道床承受拉应力能力较弱，因此需要分析轨距对轨道部件拉应力的影响（图4）。

由图4（a）可见，轨距对钢轨3 个方向的拉应力无影响，表明钢轨受力主要与列车荷载有关，轨下基础变化对钢轨受力影响较小。

图4 轨距对轨道部件拉应力的影响

由图4（b）可见，轨枕x方向所受拉应力在标准轨时最大，但与其他轨距差异较小，寸轨的拉应力比标准轨的降低了3.5%，比印度宽轨仅降低了0.2%。轨枕y方向所受拉应力随轨距的增加而减小，且趋于平缓，寸轨y方向所受拉应力比印度宽轨、标准轨的分别增加了59%，48%。轨枕z方向所受拉应力随轨距增加而逐渐增大，印度宽轨比寸轨的增加了7%，比标准轨的增加了4%。

由图4（c）可见，印度宽轨的拉应力比寸轨的增加214%，标准轨道床x方向所受拉应力比寸轨的增加54%。道床y方向的拉应力在标准轨距时最低，寸轨的拉应力比标准轨的增加163%。标准轨z方向的拉应力最小，寸轨与印度宽轨的道床拉应力相同，均比标准轨的增加了35%。由以上分析可知，轨道部件自上而下拉应力受轨距变化影响逐渐增大，钢轨拉应力几乎不受轨距变化影响，轨枕与道床拉应力受轨距变化影响较大。道床受轨距变化影响超过35%。为降低线路养护维修工作量、延长设备使用寿命，须合理设置轨距变化处道床刚度。

2.3 轨距对压应力的影响

轨道部件主要承受列车压应力，压应力的变化对于轨道结构耐久性、线路几何形位等具有影响，因此需要分析轨距对轨道部件压应力的影响。计算结果表明，压应力主要影响沿钢轨方向的5根轨枕，且影响面狭长；压应力主要影响应力最大的5 根轨枕下方的道床，影响面积大且近似以荷载作用处为圆心扩散。

轨距对轨道部件压应力的影响对图5。可见，钢轨压应力几乎不受轨距变化影响，轨枕压应力在一定程度上受轨距变化影响，道床压应力受轨距变化影响较大。

图5 轨距对轨道部件压应力的影响

由图5（a）可见，钢轨3 个方向压应力在不同轨距时均相同，这表明钢轨压应力不受轨距变化影响。

由图5（b）可见，轨枕x方向所受压应力随轨距的增加而逐渐减小，其中寸轨的轨枕压应力比标准轨的增加了37%，比印度宽轨的增加了55%。轨枕y方向所受压应力随轨距的增加而略有增加，且趋于平缓，寸轨的轨枕压应力比标准轨的降低了1.4%。轨枕z方向所受压应力随轨距增加而逐渐增大，且有增大趋势，寸轨的轨枕压应力比标准轨的降低了3%，而印度宽轨的轨枕压应力比标准轨的增加了30%。

由图5（c）可见，道床x方向压应力随轨距增加而增大，印度宽轨的压应力比寸轨的增加了312%，寸轨的压应力比标准轨的降低了67%，而印度宽轨的压应力比标准轨的增加了36%。米轨道床y方向的压应力最低，比标准轨的降低了15%；印度宽轨y方向的压应力最高，比标准轨的增加了27%。标准轨z方向的压应力最小，寸轨、印度宽轨压应力比标准轨的分别增加了20%，26%。由以上分析可知，轨道部件自上而下压应力受轨距变化影响逐渐增大，这与轨距变化和下部基础受轨枕与道床宽度增加有一定关系。轨道部件压应力的增加对于结构使用寿命影响极大，为降低线路养护维修工作量、延长设备使用寿命，需合理设置轨距变化处轨道部件刚度的过渡问题。