重载铁路隧道内无砟轨道结构力学分析

王 会 永

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300000)

0 引言

随着我国经济的发展，货物运输需求不断提升，中国重载铁路的发展正进入一个以提高车辆轴重为特征的新阶段[1]。国内外重载铁路大多采用有砟轨道结构[2]。有砟轨道维修工作频繁，天窗兑现率低，特别是在长大隧道内，作业空间小，轨道维修更加困难。而无砟轨道结构则具有维修工作量小、结构稳定性、连续性和平顺性好等优点[3]。结合目前国内工程建设实际，本文对重载铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道和长枕套靴式无砟轨道进行静力学分析，为重载铁路隧道内无砟轨道结构选型提供一定理论依据。

1 无砟轨道实体有限元模型

基于有限元理论，利用ABAQUS软件建立弹性支承块式和长枕套靴式无砟轨道结构实体模型，如图1所示。两种轨道结构模型均为实体单元建模，其中钢轨为75 kg/m重型钢轨，采用弹簧单元模拟WJ-8A型扣件，横、垂向弹簧为线性单元，纵向弹簧为非线性单元；道床采用C40混凝土，宽2 800 mm，厚300 mm。弹性支承块式结构采用SK-2型轨枕，尺寸为长844 mm，宽273 mm，高170 mm。侧面橡胶厚度为7 mm，底面为12 mm，弹性模量取3 MPa。长枕套靴式结构轨枕采用C60混凝土，长2 800 mm，宽297 mm，高175 mm；侧边橡胶套靴厚7 mm，块下橡胶厚12 mm，两侧轨枕下部套靴的支承宽度为780 mm，弹性模量取3 MPa。

2 轨道结构静力学分析

本文对车辆垂、横向荷载、隧道洞口温度梯度荷载作用下的弹性支承块式和长枕套靴式无砟轨道结构进行静力学对比分析。

2.1 静力荷载取值

2.1.1车辆荷载取值

车辆荷载采用单轴双轮加载模式。对于重载无砟轨道，结构设计荷载取值如下：

竖向设计荷载Pd为:

Pd=α·Pj

(1)

其中，Pj为静轮载；α为动载系数，25 t轴重时取2.5，其他取3.0。

横向设计荷载Q为:

Q=0.8Pj

(2)

2.1.2隧道洞口温度梯度

根据观测，冬季隧道内的轨温比隧道外高约17 ℃，夏季比隧道外低约20 ℃。本文选取隧道内外最大温差20 ℃，线性分布于隧道洞口附近40 m范围内，如图2所示。

2.2 车辆荷载作用下的力学特性

2.2.1垂向车辆荷载作用

对两种轨道结构施加不同轴重的垂向荷载计算结果如表1所示。由表1可知，各计算指标随着轴重的增加均明显增大。35 t轴重下弹性支承块式和长枕套靴式无砟轨道的轨枕块最大拉应力分别为0.93 MPa，1.56 MPa，小于C60混凝土的轴心抗拉强度极限值3.50 MPa。道床最大拉应力分别为1.37 MPa,1.53 MPa，小于C40素混凝土的轴心抗拉强度极限值2.70 MPa。

对比两种轨道结构的受力与变形，可知在相同轴重的垂向荷载作用下，弹性支承块式轨道结构的轨枕块、道床应力小于长枕套靴式，钢轨动弯应力差别不大。弹性支承块式轨道的钢轨、轨枕块位移均大于长枕套靴式，说明长枕套靴式结构的限位能力较好。两种轨道结构的道床板垂向位移均较小。

表1 垂向荷载作用下静力计算结果

2.2.2横向车辆荷载作用

对两种轨道结构施加不同轴重的横向荷载计算结果如表2所示。由表2可知，各计算指标均随着轴重的增加明显增大。35 t轴重下弹性支承块式和长枕套靴式无砟轨道的轨枕块的纵横向拉应力比较大，最大拉应力分别为3.67 MPa，4.90 MPa，已经超过C60素混凝土的轴心抗拉强度极限值3.5 MPa，考虑到实际工程中轨枕块采用的是配有钢筋的C60预应力混凝土，且允许轨枕块带裂缝工作，故此种状况在实际中是允许的。道床最大拉应力分别为0.82 MPa,0.92 MPa，小于C40素混凝土的轴心抗拉强度极限值2.70 MPa。

对比两种轨道结构的受力与变形，可知在相同轴重的垂向荷载作用下，弹性支承块式轨道结构的轨枕块、道床应力小于长枕套靴式。弹性支承块式轨道的钢轨位移大于长枕套靴式，说明长枕套靴式结构对钢轨的限位能力较好。长枕套靴式无砟轨道轨枕块横向位移较大，达到0.81 mm。

表2 横向荷载作用下静力计算结果

2.3 隧道口温度梯度作用下的力学特性

隧道洞口温度梯度荷载作用下，弹性支承块式、长枕套靴式无砟轨道结构应力与变形计算结果如表3所示。由表3可知，在温度梯度荷载作用下，弹性支承块式和长枕套靴式无砟轨道结构的应力与位移均较小，其中长枕套靴式无砟轨道纵向限位能力稍差，所产生的拉应力也稍大。

表3 受隧道口温度梯度作用下计算结果

综合以上分析，弹性支承块式无砟轨道与长枕套靴式无砟轨道的受力变形规律类似，并且在轨枕块、道床拉应力等指标上，弹性支承块式无砟轨道都优于长枕套靴式无砟轨道结构。在实际工程应用中，长枕套靴式无砟轨道结构在我国应用较少，弹性支承块式无砟轨道已在兰新二线乌鞘岭隧道、西康线秦岭隧道等客货混运线路成功应用。根据调研情况，弹性支承块式无砟轨道结构在隧道基地稳固地段应用情况良好，是一种较为成熟的结构形式。因此，在重载铁路长大隧道内宜优先铺设弹性支承块式无砟轨道。

3 结语

本文对弹性支承块式无砟轨道与长枕套靴式无砟轨道施加车辆垂向荷载、横向荷载、隧道洞口温度梯度荷载，分析了两种无砟轨道的静力学特性，结论如下：

1)各静力学计算指标随车辆轴重增加而明显增大。垂向车辆荷载作用下，两种轨道结构均满足要求；横向车辆荷载作用下，考虑实际工程中预应力混凝土带裂缝工作，两种轨道结构均可满足要求，不会发生破坏。在轨枕块、道床拉应力等指标上，弹性支承块式无砟轨道都优于长枕套靴式无砟轨道结构。

2)隧道洞口温度梯度荷载作用下，两种无砟轨道结构的应力与位移均较小，长枕套靴式无砟轨道纵向限位能力稍差，所产生的拉应力也稍大，弹性支承块式无砟轨道结构性能略有优势。

3)结合实际工程应用，对于重载铁路长大隧道，弹性支承块式无砟轨道应用较多，是一种较为成熟的结构。因此，在重载铁路长大隧道内宜优先铺设弹性支承块式无砟轨道。