车辆荷载下有砟线路轨枕的力学性能与受力特性分析

摘要：在中国的铁路系统中，有砟线路轨枕扮演着至关重要的角色，作为铁路轨道的基础支撑组件。然而，中国的地理辽阔意味着有砟线路轨枕需要应对多种复杂的环境因素，如不同地区的气候和地质条件，以及不断波动的列车荷载，这些因素在很大程度上影响了有砟线路轨枕的性能和寿命。有砟线路轨枕可能受到多种因素的影响，如裂纹和不良的铁路钢轨安装位置，深入研究有砟线路轨枕的性能和受力特性对于铁路系统的维护和改进至关重要。研究利用有限元分析工具，建立了数值模型，深入探究有砟线路轨枕在不同荷载和环境条件下的受力行为和响应机理。结果表明，轨枕在正常轴重下能够分散列车荷载并保持受力均匀分布，但当轴重增大时，轨枕受力不均匀，可能导致应力集中和裂纹形成。此外，装配不良可能导致受力分布不均，进而导致偏载，对轨枕的结构完整性和性能构成威胁。这一研究有助于理解铁路系统中有砟线路轨枕的性能特点，为铁路系统的可持续性和可靠性提供了重要的理论和实际指导。

关键词：有砟轨道；轨枕受力；有限元方法；轨枕伤损

在中国的铁路系统中，有砟线路轨枕一直扮演着至关重要的角色。有砟线路轨枕是铁路轨道的基础支撑组件，其在铺设轨道、承受列车荷载以及确保旅客和货物运输的安全性方面起着不可或缺的作用。然而，尽管有砟线路轨枕的作用至关重要，但其面临着各种挑战和考验。中国的地理辽阔，铁路系统覆盖了广大的领土，这意味着有砟线路轨枕需要应对多种复杂的环境因素，包括不同地区的气候条件、地质特点，以及各类列车的荷载变化，这些因素在很大程度上影响了有砟线路轨枕的性能和寿命。

有砟线路轨枕可能会受到多种因素的影响［1］，如轨道的变形、荷载的振动、恶劣天气条件以及不断波动的环境温湿度。这些因素可能导致轨枕的磨损、疲劳和损坏，从而对铁路系统的可持续性和可靠性构成威胁。

因此，深入研究有砟线路轨枕的性能和受力特性对于铁路系统的维护和改进至关重要。本研究旨在利用现代的有限元分析工具，建立精确的数值模型，以深入探究有砟线路轨枕在不同荷载和环境条件下的受力行为和响应机理［2］。通过对这些变化的深入研究，我们希望能够总结出相关规律，为更好地理解有砟线路轨枕的性能提供坚实的理论支持。这项研究有望为未来的铁路系统设计和维护提供有力的指导和协助，从而提高铁路系统的可持续性和可靠性，确保旅客和货物的安全运输。

1有砟轨道混凝土轨枕常见伤损类型

根据对国内外有砟轨道的轨枕的病害特点进行研究与调查，我们总结了轨枕的损伤表现如下［3］：

裂纹：有砟轨道的轨枕通常承受多种应力，包括列车的荷载、气候条件的变化以及地面的不均匀沉降。这种多因素的共同作用会使轨枕表面逐渐出现裂纹。这些裂纹通常呈现出一定的规律性，表明了在特定条件下，轨枕可能会受到不均匀的力，导致其表面发生应力集中，最终引发裂纹。裂纹的形成不仅可能减弱轨枕的结构完整性，还会加速其磨损和疲劳，从而影响轨枕的寿命和性能。这些裂纹往往源自轨枕的设计和制造方面存在的不规范或缺陷，因此，深入研究和监测裂纹的形成机制对于轨枕的维护和改进至关重要。轨枕表面裂纹如图1所示。

铁路钢轨安装位置不良：在某些情况下，铁路钢轨的安装位置可能存在问题，即未能达到理想的对齐或接触。这种不良的安装位置可能导致轨枕与铁路钢轨之间的紊乱连接，进而增加轨枕的损伤风险。特别是在承受列车荷载和振动的情况下，不良的铁路钢轨安装位置可能引发更严重的问题，如裂纹、变形，甚至可能危及列车和铁路系统的安全性。因此，确保铁路钢轨的正确安装位置对轨枕的健康和长期性能至关重要。轨枕安装示意如图2所示。

2力学特性分析

2.1模型介绍

为了更加深入地了解有砟轨道混凝土轨枕下方脱空对其受力特性的影响规律，我们构建了一个车辆荷载下的受力分析模型。该模型采用了有限元方法进行计算，如图3所示。为了排除无关边界条件的影响，我们将钢轨传递到有砟轨道混凝土轨枕上的荷载简化为均布荷载，并施加在轨枕表面。在此情况下，对应的车辆轴重为16t。在轨枕下方，我们采用了弹性约束。

通过这个模型，我们可以更加准确地分析有砟轨道混凝土轨枕在不同情况下的受力特性。同时，该模型还可以用于研究其他因素对轨枕性能的影响，例如轴重的变化、偏载等因素。这将有助于我们更好地了解有砟轨道混凝土轨枕的性能和受力特性，为铁路系统的维护和改进提供有力的支持和指导。

2.2轴重的影响

为了方便对比有砟轨道轨枕在不同的轴重下的受力特性与正常情况下的差异，我们首先计算了在不同轴重下的有砟轨道轨枕的受力特性，如图4所示。从图中可以清晰地观察到，整个有砟轨道轨枕均匀分布受力，应力值在不同轴重下变化，最大值为0.42MPa，这些数值均明显低于混凝土的破坏极限。此外，有砟轨道轨枕在不同轴重下受力均匀，几乎没有明显的应力集中现象。

这一结果强调了正常情况下有砟轨道轨枕的结构设计和性能的合理性。在这种情况下，有砟轨道轨枕能够有效分散不同轴重下的列车荷载并保持受力均匀分布，从而降低了轨枕的疲劳损伤和损坏风险。

然而，当有砟轨道轨枕受到更大轴重下的荷载时，其受力特性可能会发生显著变化，这可能导致不均匀的受力分布和应力集中。因此，图5中展示了有砟轨道轨枕在不同轴重下的最大应力。从图中可以看出，随着轴重的增大，轨枕最大应力显著增大，在30t轴重时达到了1.2MPa，叠加混凝土内部的预应力，可能会导致局部区域被压溃，引起轨枕裂纹和断裂。

2.3偏载的影响

深入的分析对于揭示装配不良所导致的受力异常至关重要，因为其不仅仅对轨枕的寿命产生负面影响，还可能引发更严重的问题，如裂纹、塑性变形，甚至危及列车和铁路系统的运行安全。装配不良可能根源于施工质量、设计缺陷或维护不当等多种因素，因此，及时识别和解决轨枕的受力偏载问题，对于维护铁路系统的可靠性和安全性至关重要。

本节是在第2.1节的基础上，分析了装配不良导致混凝土轨枕的受力分布不均，进而导致偏载的情况。研究表明，偏载达到20%时，轨枕的最大应力已达2.2MPa，这已明显高于混凝土的破坏应力极限。当偏载增至40%时，轨枕的最大应力升至6MPa，超出混凝土的破坏限值。这种非均匀受力分布以及应力值的严重超出，对轨枕的结构完整性和性能构成了严重威胁。

图7所示的结果进一步证实了偏载比例对混凝土轨枕受力产生的显著影响。通过直接观察该图，我们可以清晰地发现，随着偏载比例的增大，混凝土轨枕所承受的最大应力呈现出显著的上升趋势。这种上升的趋势无疑会导致轨枕的寿命缩短，甚至可能导致轨枕出现开裂的情况。这一发现对于理解和解决铁路工程建设中的负载问题具有重要的实践价值。

2.4速度的影响

在重载铁路线路中，由于车辆轴重普遍偏大，不同速度下车辆对轨枕的冲击效应存在显著差异，因此有必要深入研究车辆运行速度对轨枕受力特性的影响。首先，图8展示了不同运行速度下轨枕整体受力情况，从图中可以观察到，不同速度下轨枕受力分布基本相似，仅在应力大小上存在一些差异，说明不同速度下轨枕的受力模式没有明显的变化。

然而，从图9中可以明显看出，随着速度的增加，轨枕的最大应力呈指数状增加，车辆的动力冲击效应逐渐显著。以80km/h的速度为例，最大应力仅为0.6MPa左右；而当速度达到120km/h时，最大应力却高达近2.5MPa。在这种情况下，混凝土的一些局部区域可能会因过大的应力而发生压溃或者拉裂的现象。

这种速度对轨枕受力特性的显著影响不仅仅表现在整体受力分布上，更体现在最大应力值的剧烈增加上。速度的增加导致了动力冲击效应的加剧，对轨枕施加的力量更加强大，从而引发了更为严重的受力情况。因此，在铁路设计和维护中，必须充分考虑列车运行速度对轨枕的影响，采取有效的措施来减缓动力冲击，保障轨枕的稳定性。

因此，车辆运行速度对轨枕受力特性有着显著的影响，特别是在高速行驶时，轨枕所承受的最大应力急剧增大。为确保铁路线路的安全和可靠性，需要在设计和维护中考虑速度因素，以减缓动力冲击效应，保护轨枕结构不受过大的应力影响，确保其长期稳定运行。

3结论

本文建立了有砟轨道混凝土轨枕受力有限元模型，研究了车辆轴重以及车辆偏载对混凝土轨枕受力特性的影响，得到了如下有意义的结论：（1）随着轴重的增大，轨枕最大应力显著增大，在30t轴重时达到了1.2MPa。（2）装配不良导致混凝土轨枕的受力分布不均，进而导致偏载，偏载达到40%时，轨枕的最大应力升至6MPa，超出混凝土的破坏限值。（3）随速度的增大，轨枕应力指数增大，当速度为120km/h时，最大应力可以达到2.5MPa，有可能引起混凝土破坏。

参考文献：

［1］王开杨.铁路预应力混凝土竖孔轨枕抗冲击性能研究［J］.建筑机械，2023（07）：137140.

［2］康庆涛，尤瑞林.我国预应力混凝土轨枕技术发展总结及展望［J］.铁道建筑，2023，63（07）：1923.

［3］韩宜康，王俊逸，张睿哲，等.基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析［J］.铁道科学与工程学报，2024，21（01）：116124.

作者简介：毛实虎（1987—），男，汉族，甘肃天水人，本科，工程师，研究方向：铁路工务。