地铁道岔区段新型合成轨枕的力学特性研究

杨 洋，吕文昊，陆展铭

(1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023；2.南宁轨道交通集团有限公司，广西 南宁 530025)

0 引言

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(以下简称《规划》)[1]中指出：“推进城市群都市圈交通一体化，加快城际铁路、市域(郊)铁路建设，构建高速公路环线系统，有序推进城市轨道交通发展。”为积极响应、切实推进《规划》对基础设施建设提出的新目标，城市轨道交通必须以提高人民生活水平、提升社会服务能力为宗旨，在保证现有装备安全运行的基础上，加大对新材料、新工艺、新方法的探索。轨枕作为地铁线路的核心部件，主要承受由钢轨传递的列车荷载，并起着向下部结构传递荷载的作用。随着我国地铁线路运营里程和客运量的逐年升高，传统木枕和混凝土枕在线路运营过程中均出现不同程度的损伤，严重影响线路的平稳运行，为保证地铁车辆运营的安全性和旅客的舒适性，我国在借鉴国外经验的基础上，开发出一种由长玻璃纤维和聚氨酯材料组成的新型合成轨枕[2]，该合成轨枕具备良好的工作性和优异的耐久性，在替代传统轨枕时取得了良好的效果[3]。

道岔区间由于其结构功能和荷载组成的复杂性，与钢轨接头、曲线一起被列为地铁线路的三大薄弱环节[4]。我国西南地区某城市轨道交通地铁线路自运营以来在道岔区段处出现传统木枕的伤损现象，在制约运维效率的同时也威胁到车辆的运行安全。运营方拟引进新型合成轨枕技术，试图将新型合成轨枕敷设于道岔咽喉区段，但由于缺少该地区应用经验，对道岔区合成轨枕铺设后的受力特性尚不明确，亟须开展该方面的研究。在此背景下，课题组针对该地铁线路道岔区段的实际运营情况，在前期轨道工程新材料、线路力学特性和安全性研究成果的基础上[5-7]，通过有限元软件建立仿真分析模型，利用合成轨枕性能指标和线路工况等参数，分析新型合成轨枕在地铁道岔区段的受力分布情况，以力学特性分析结果为依据提出针对性抽换建议，为西南地区新型合成轨枕的应用提供理论指导和前期基础。

1 地铁道岔区段分析模型

我国地铁线路轨道结构形式主要分为有砟轨道和无砟轨道，由于本线拟替换有砟轨道的传统轨枕构件，故本文主要针对有砟轨道结构形式展开研究。地铁线路有砟轨道结构主要由钢轨、轨枕、扣件、道床和下部结构组成，如图1所示。地铁线路道岔按照“钢轨类型+道岔号数”进行分类，本项目拟将两组50 kg·m-1钢轨7号菱形道岔的普通木枕改造为合成轨枕，菱形道岔结构如下页图2所示。

图1 有砟轨道主要结构组成示意图

图2 菱形道岔示意图

1.1 有限元模型

有限元分析是一种利用数学近似的方法模拟设计荷载条件，通过单元之间相互作用，简化复杂的实际问题，求得问题的近似解[8]。本文主要采用有限元软件ANSYS建立有限元模型，由于拟替换轨枕位于地面线路，所以建模时只考虑路基上轨道结构参数，应用实体单元solid建立基础、道床和合成轨枕构件，采用梁单元beam建立7号菱形道岔(钢轨)和扣件，垫板材料属性为Q235-A，轨枕间距为550 mm，以一个完整50 kg·m-1钢轨7号菱形道岔为研究对象。其中，轨道结构参数如表1所示，合成轨枕构件各项现场实测参数如表2所示。该测试结果符合《聚氨酯泡沫合成轨枕》(CJ/T399-2012)。有限元模型如图3所示。

表1 有砟轨道结构各项参数表

表2 合成轨枕性能指标表

图3 有限元分析模型图

1.2 地铁道岔区段轨枕工况

轨枕服役期间产生的病害主要受荷载、温度、气候和环境等因素影响，其中外部荷载是影响轨枕构件服役寿命的主要原因。当地铁车辆运营时，道岔区段轨枕主要承受列车荷载、温度荷载和轴向荷载等作用。由于新型合成轨枕在该地区铺设尚无基础数据，故本文只针对列车荷载作用和温度荷载作用这两种工况，开展道岔区段轨枕的力学特性研究。

1.2.1 列车轮群荷载作用下的轨枕工况

基于被普遍认同的轨道力学分析理论[9]，采用准静态计算方法开展列车动荷载数值的计算。列车动荷载即为轨道结构中钢轨承受的竖向荷载，利用式(1)计算。式(1)按照不同速度给出计算方法，其中Pd为动荷载，P0为静荷载，速度系数α表征由于行车速度所致的动荷载和静荷载的比值，偏载系数β表征通过曲线时由于超高产生偏载时引起的动荷载与静荷载的比值。由于7号道岔直向允许速度为60 km/h，侧向允许速度为25 km/h，故采用速度V≤120 km/h时的分段函数。

(1)

根据车型参数，转向架固定轴距为2 300 mm，转向架中心距为1 260 mm，单根钢轨轮重与轴距如图4所示。在轮群荷载下进行枕上压力计算时，转向架间距>5 m，则对轨道结构的影响可忽略，所以只计算第一转向架的两个车轮即可。轨枕静压力计算公式如式(2)所示。其中，R0为枕上静压力，y0为钢轨静位移，按照式(2)计算出静压力，代入式(1)中，速度系数a取0.45 kN/100=0.27，计算得到Ⅰ轮位叠加静荷载约为67.31 kN，Ⅱ轮位叠加静荷载约为67.32 kN，取第Ⅱ轮位荷载为最不利静荷载，计算枕上静压力为28.1 kN，枕上动压力为35.69 kN。

(2)

R0=aμy0

图4 单根钢轨轮重与轴距示意图

1.2.2 温度梯度荷载作用下的轨枕工况

由于本道岔区段位于地面线路处，在运营过程中长期受到日照、气温等温度荷载作用，加之我国西南地区比其他地区温度普遍偏高，合成轨枕长期裸露于地面线处，更易受到白天温度升高、夜晚温度降低的环境温度影响，所以研究温度荷载下轨枕工况尤为重要。通过查阅资料[10]，温度荷载是沿着轨枕的高度方向逐渐变化的，本工况取极端条件下的温度开展轨枕的力学特性研究，其中夏天白天日照充足时温度梯度为60 ℃/m，冬季夜晚温度降低时温度梯度为-60 ℃/m。

2 计算结果与分析

为探究列车荷载、温度梯度荷载下新型合成轨枕的力学性能，将两种工况施加于有限元模型中，计算时为减少边角应力集中的影响，取模型中心相距550 mm轨枕间距的连续3块新型轨枕中的中间1根为研究对象，在有限元结果中显示材料拉应力、压应力和位移等指标，试图找出应力状态的分布规律，并对照线路设计中容许应力标准值、拉应力容许值得到新型合成轨枕在各工况下的力学分布，并指导新旧轨枕抽换施工。

2.1 列车轮群荷载作用下的应力分布

在列车轮群荷载作用下的轨道结构，其荷载由钢轨经过扣件传递至新型轨枕，以枕上动压力35.69 kN通过面荷载的形式作用于新型轨枕，轨枕受力分布情况如图5所示。由于叠加荷载作用，以中间位置的轨枕力学情况开展研究。由图5可知，新型轨枕在列车荷载下的应力及位移呈轴对称分布；拉应力极值出现在轨枕下表面与钢轨接触位置对侧，最大拉应力为0.92 MPa，压应力极值出现在轨枕上表面垫板接触位置，最大压应力为1.1 MPa；新型轨枕在轨道垂向的最大偏移量为14.4 mm。各节点应力分布情况均低于新型轨枕材料容许应力，在列车轮群动荷载作用下的新型轨枕力学特性满足运营线路要求。

2.2 温度梯度荷载作用下的应力分布

由于自然环境温度变化，轨枕表面温度和内部温度在轨枕高度方向呈现逐渐降低或升高的特点。新型轨枕在施加温度梯度60 ℃/m和-60 ℃/m后，轨枕正负温度梯度分布如图6所示。由图6可以看出，两种温度梯度荷载由于导热系数恒定，都以均匀分布的形式呈现；正温度梯度中，上表面相对下表面高出9.6 ℃，负温度梯度中，上表面相对下表面高出-9.6 ℃。

通过面荷载的形式将热力分布情况导入结构计算模型中，轨枕受力分布情况如下页图7、图8所示。由图7可知：新型轨枕在60 ℃/m温度梯度荷载下的应力云图以轨道中心线呈对称分布；沿轨道横向的最大拉应力为0.62 MPa、最大压应力为0.68 MPa；新型轨枕受正温度梯度力时垂向最大偏移量为0.04 mm。由图8可知：新型轨枕在-60 ℃/m温度梯度荷载下的应力云图以轨道

中心线呈对称分布；沿轨道横向的最大拉应力为0.62 MPa、最大压应力为0.70 MPa；新型轨枕受正温度梯度力时垂向最大偏移量为0.04 mm。将两种温度梯度下的力学特性进行对比发现，正负温度梯度荷载下应力极值数值相近、位置对称，位移数值相近、方向相反，说明模型计算互相验证正确，且数值均在规范要求范围内，在正负温度梯度荷载作用下轨枕的受力情况均满足运营线路要求。

2.3 新旧轨枕抽换方案分析

根据轨枕力学状态分析结果可知，当新型合成轨枕应用于道岔区段时，在力学分布、应力极值和位移等指标上表现极佳，完全能够满足该地段列车运行频次和主要工况。虽然计算结果可为新型轨枕的抽换施工提供理论支撑，但由于现场施工过程存在诸多不确定因素，新型轨枕应用于道岔区段时的受力特性也会被施工规范、施工方案和线路恢复等的质量所影响，故为更好实施运营线路新旧轨枕抽换施工，现针对抽换施工方案提出如下建议：(1)应将主要工作聚焦于木枕拆除与搬运、埋线处理、新型轨枕安装和线路恢复等工序，建议在确立线路作业部门为核心实施部门的同时，调集通信信号、线路车辆、运营调度等部门配合；(2)在抽换施工期间，对新旧枕拆除、安装等与涉及影响外专业设备时的工序进行旁站监督；(3)在抽换前应提前做好计划，尤其是接头位置左右两根轨枕需当日更换完毕，安装后地脚螺栓应当与接头螺栓适应，安装过程中轨枕安装位置、孔距和钻孔工艺等应与设计文件和规范要求相一致；(4)换枕设备恢复时，道岔区段设备各项技术参数应满足相关要求，更换后应及时进行≥3 d的保养，保养后应满足作业验收标准；(5)抽换完毕恢复线路后，应对该地段整体结构振动特性、线路通过能力、新型轨枕位移做长期监测，以便及时调整线路参数，为其他线路的推广应用提供经验。

3 结语

针对道岔区段实际运营情况，通过有限元软件建立仿真分析模型，分别施加列车轮群荷载和温度梯度荷载，分析新型合成轨枕在地铁道岔区段的受力分布，得到如下结论：

(1)新型轨枕在列车荷载下的应力及位移呈轴对称分布，最大拉应力为0.92 MPa、最大压应力为1.1 MPa、最大偏移量为14.4 mm，满足运营线路要求。

(2)新型轨枕在正负温度梯度荷载下的应力均以轨道中心线呈对称分布；正应力下最大拉应力为0.62 MPa、最大压应力为0.68 MP、最大偏移量为0.04 mm；负应力下最大拉应力为0.62 MPa、最大压应力为0.70 MPa、最大偏移量为0.04 mm；两种温度梯度荷载下力学数值相近、方向相反，均满足运营线路要求。

(3)新型轨枕在力学分布、应力极值和位移等指标上表现极佳，完全能够满足该地段列车运行频次和主要工况，抽换施工时应将主要工作聚焦于木枕拆除与搬运、埋线处理、新型轨枕安装和线路恢复等工序。