李 敏 高 亮 谷呈朋

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.北京交通大學(xué) ， 北京 100044)

重載鐵路橋上無縫線路斷縫允許值的研究

李 敏1高 亮2谷呈朋1

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.北京交通大學(xué) ， 北京 100044)

鋼軌的斷縫檢算是無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，橋上無縫線路的斷縫值與橋上扣件的布置形式及線路縱向阻力取值有關(guān)?；谟邢拊浖嗀BAQUS建立了不同斷縫值的橋上無縫線路靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析了不同斷縫位置和30 t軸重條件下對(duì)貨物列車通過斷縫時(shí)鋼軌的位移和受力等力學(xué)特性以及脫軌系數(shù)等動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，重載鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)中斷縫值應(yīng)采用70 mm。

重載鐵路 橋上無縫線路 斷縫允許值 30 t軸重

1 研究背景

鋼軌的斷縫檢算是無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，橋上無縫線路的斷縫值與橋上扣件的布置形式及線路縱向阻力有關(guān)。重載鐵路由于列車軸重大，速度相對(duì)低，與高速鐵路對(duì)軌道平順性、舒適度等要求有著較大的區(qū)別。

鐵科院曾在北京環(huán)形試驗(yàn)基地有砟軌道地段進(jìn)行了列車通過鋼軌斷縫的安全試驗(yàn)，試驗(yàn)線路采用50 kg/m鋼軌、木枕、有砟道床。在一股鋼軌設(shè)置斷縫，其大小由20 mm、60 mm、100 mm 逐次擴(kuò)大，最終設(shè)置斷縫138 mm。為保證試驗(yàn)安全，用2 輛軸重210 kN貨物車輛溜放通過，車輛通過斷縫速度，從20 km/h、40 km/h 逐次提高，最終達(dá)到85 km/h。通過試驗(yàn)測(cè)定順車軌與迎車軌形成的臺(tái)階，順車軌所受垂向力P、橫向力H，順車軌的彈性擠開量δ，迎車軌所受橫向力、撓度等6項(xiàng)參數(shù)。

根據(jù)本次試驗(yàn)研究，確定我國(guó)鐵路有砟軌道無縫線路鋼軌斷縫允許值為：一般情況可取70 mm；在滿足一定條件下，斷縫允許值取90 mm。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究思路

主要通過模擬列車車輪通過斷縫處的輪軌力、脫軌系數(shù)、輪對(duì)橫向力等方面進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化模型，軌下基礎(chǔ)采用彈簧疊加之后的剛度代替。其中，靜力學(xué)著重研究重載列車對(duì)不同斷縫位置的沖擊影響，考慮斷縫位于沿線路縱向兩個(gè)相鄰扣件的中央與扣件邊緣兩種工況，模擬重載列車通過不同長(zhǎng)度斷縫時(shí)的變形與受力。

綜合靜力學(xué)分析得到列車通過斷縫時(shí)最不利位置后，進(jìn)行列車通過最不利斷縫處的動(dòng)力學(xué)分析，基于不同軸重重載列車通過不同長(zhǎng)度斷縫的動(dòng)力仿真研究，為我國(guó)重載鐵路橋上無縫線路斷縫值的取值提供參考。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

鋼軌采用CHN60斷面，斷面積A=77.45 cm2，質(zhì)量M=60.64 kg/m，水平軸慣性距為3 217 cm4，豎直軸慣性距為524 cm4。材料參數(shù)為：彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3。扣件采用彈簧和阻尼單元模擬，間距取為600 mm。

重載列車有限元模型主要包含輪對(duì)等要素，計(jì)算參數(shù)參考我國(guó)C80參數(shù)，輪對(duì)踏面采用LM磨耗型踏面，輪載沖擊系數(shù)取3.0。

3 靜力學(xué)分析

3.1 靜力學(xué)分析模型

基于上述參數(shù)條件，建立靜力學(xué)有限元分析模型。

(1)為分析鋼軌在一節(jié)車廂靜載下的變形及消除邊界條件的影響，模型中鋼軌長(zhǎng)度取50 m(轉(zhuǎn)向架中心距定為10.15 m，固定軸距2.6 m)。鋼軌采用實(shí)體單元，模型中考慮設(shè)立1∶40的軌底坡。

為重點(diǎn)分析斷縫處的變形和受力情況，斷縫處單元沿縱向長(zhǎng)度取50 mm，遠(yuǎn)離斷縫處的網(wǎng)格長(zhǎng)度逐漸變大。模擬斷縫處的局部網(wǎng)格如圖1所示。

(2)扣件及軌下基礎(chǔ)分別簡(jiǎn)化為具有縱、橫、垂向剛度的彈簧阻尼單元，扣件間距取600 mm。

(3)靜力學(xué)分析考慮輪子和鋼軌之間的接觸，輪子受靜載450 kN。計(jì)算分3步進(jìn)行，第一步為輪子和鋼軌的接觸，第二步為輪子受450 kN載荷，第三步為在受載同時(shí)輪子向迎車軌方向移動(dòng)。靜力學(xué)分析模型如圖1所示。

圖1 斷縫處靜力有限元分析模型

3.2 靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果示例

靜力學(xué)計(jì)算中分別考慮以下兩種工況：工況一，斷縫位于沿線路縱向兩個(gè)相鄰扣件的中央；工況二，斷縫位于扣件邊緣。斷縫值考慮70 mm、80 mm、90 mm、100 mm和110 mm等五種情況。

以迎車軌條件為例，給出六種不同斷縫值條件下兩種工況的鋼軌的最大垂向位移、最大橫向位移、最大Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的對(duì)比(如圖2至圖5所示)。

圖2 不同工況迎車軌最大垂向位移對(duì)比

圖3 不同工況迎車軌最大橫向位移對(duì)比

圖4 不同工況迎車軌最大Mises應(yīng)力對(duì)比

圖5 不同工況迎車軌最大接觸應(yīng)力對(duì)比

3.3 靜力學(xué)分析小結(jié)

通過30 t軸重條件下對(duì)不同斷縫位置、不同斷縫值條件下順車軌和迎車軌的垂向和橫向位移、Mises應(yīng)力及接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算，得到結(jié)論如下：

①斷縫位置對(duì)列車安全通過斷縫具有重要影響，當(dāng)斷縫位于扣件邊緣時(shí)較斷縫位于扣件中間時(shí)顯然更不安全。

②斷縫值為100 mm時(shí)，鋼軌的接觸應(yīng)力有明顯增加，但受扣件處約束作用垂橫向位移相較有所降低。橋上無縫線路斷縫值的允許值設(shè)置為70～90 mm均是合理的。

③考慮到靜力學(xué)模型的局限性，無法體現(xiàn)出重載列車車輪通過斷縫處鋼軌的瞬態(tài)沖擊力，僅能反映列車通過不同位置斷縫時(shí)對(duì)鋼軌變形與受力的影響，有必要建立動(dòng)力仿真模型，重點(diǎn)分析研究不同速度條件下，不同軸重車輛通過不同斷縫時(shí)的沖擊影響。

4 動(dòng)力學(xué)分析

4.1 動(dòng)力學(xué)分析模型

動(dòng)力學(xué)仿真模型主要分為鋼軌、扣件、軌下基礎(chǔ)和車輛模型等幾個(gè)要素，鋼軌和扣件的模擬與靜力分析模型一致。

對(duì)于車輛模型中車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)三大構(gòu)件，運(yùn)動(dòng)主要為剛體運(yùn)動(dòng)，不考慮其內(nèi)部應(yīng)力分布情況，假定車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)都是剛體；對(duì)于車體和轉(zhuǎn)向架、車輪和轉(zhuǎn)向架之間均通過彈簧阻尼單元連接并發(fā)生相互作用。

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中的中央懸掛模型提供三個(gè)方向剛度和阻尼，由橫向減振器提供中央橫向阻尼。軸箱懸掛模型包括由軸箱彈簧提供的三個(gè)方向上的剛度，一系的垂向阻尼由懸掛在軸箱定位彈簧外側(cè)的一系垂向減振器提供。以上的彈簧、阻尼均以剛度和阻尼元件一并予以考慮。

根據(jù)以上的車體模型、轉(zhuǎn)向架模型和輪對(duì)模型，以及一系、二系彈簧和阻尼情況，建立的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型如圖6和圖7所示。

圖6 動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖7 動(dòng)力學(xué)模型局部放大

4.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果匯總

評(píng)判重載列車通過斷縫是否會(huì)出現(xiàn)脫軌，各項(xiàng)指標(biāo)如輪軌垂向作用力、橫向作用力是否會(huì)出現(xiàn)超限的主要標(biāo)準(zhǔn)包括：脫軌系數(shù)Q/P≤0.8、輪對(duì)橫向水平力Q≤80 kN、脫軌系數(shù)超限時(shí)間≤15 ms。

基于靜力學(xué)分析結(jié)果得到：當(dāng)斷縫位于扣件邊緣時(shí)更不利列車安全通過；斷縫在60 mm以下時(shí)，列車車輪比較容易跨過斷縫。因此動(dòng)力學(xué)分析將在上述結(jié)論基礎(chǔ)上進(jìn)行，分別得到了30 t軸重列車速度從80 km/h、100 km/h增加到120 km/h，通過不同斷縫值時(shí)的輪軌力、脫軌系數(shù)、垂向位移、Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力等的時(shí)程曲線，計(jì)算結(jié)果如表1～表4所示。

表1斷縫值70 mm輪軌垂橫向力、脫軌系數(shù)等仿真計(jì)算結(jié)果

速度/(km/h)垂向力P1/kN垂向力P2/kN橫向力Q/kN脫軌系數(shù)Q/P脫軌系數(shù)超限時(shí)間/ms8040222452.70.1531.110041227656.70.1551.212044022264.40.2067

表2 斷縫值70 mm輪軌垂橫向位移、最大mises應(yīng)力等仿真計(jì)算結(jié)果

表3斷縫值90 mm輪軌垂橫向力、脫軌系數(shù)等仿真計(jì)算結(jié)果

速度/(km/h)垂向力P1/kN垂向力P2/kN橫向力Q/kN脫軌系數(shù)Q/P脫軌系數(shù)超限時(shí)間/ms8042622867.40.161.310045022862.30.1631.412047022864.90.2011.6

表4 斷縫值90 mm輪軌垂橫向位移、最大mises應(yīng)力等仿真計(jì)算結(jié)果表

4.3 動(dòng)力學(xué)分析小結(jié)

基于30 t軸重及本文所列參數(shù)條件下，得到如下結(jié)論：

①重載列車以80 km/h、100 km/h、120 km/h通過不同斷縫值時(shí)，輪軌力、鋼軌最大垂向力等增加較小，列車以不同速度通過斷縫時(shí)的輪軌力變化、接觸應(yīng)力等時(shí)程變化趨勢(shì)大致相同。輪軌沖擊斷縫后，均出現(xiàn)較為頻繁的持續(xù)沖擊，沖擊時(shí)間間隔較短，前一次沖擊響應(yīng)尚未衰減完成，接著又疊加新一輪的沖擊。

②斷縫值從70 mm增加到90 mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)90 mm斷縫時(shí)其各項(xiàng)指標(biāo)均在安全限度以內(nèi)。但大于90 mm時(shí)，輪軌橫向力等均在安全限值以內(nèi)，但輪軌脫離時(shí)間較大，最多可到12 ms，較為接近限值15 ms。

③基于本文參數(shù)條件，從有限元計(jì)算結(jié)果來看，30 t軸重條件下，橋上無縫線路設(shè)計(jì)檢算時(shí)最大斷縫檢算可設(shè)置為90 mm。

5 結(jié)論及建議

基于本文中的各項(xiàng)參數(shù)條件，綜合列車通過斷縫時(shí)的靜力及動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

①當(dāng)斷縫小于90 mm時(shí)，列車速度小于120 km/h時(shí)都可以安全通過，基于此認(rèn)為30 t軸重條件下，目前橋上無縫線路檢算時(shí)斷縫值取為70 mm是偏于安全的。

②從運(yùn)營(yíng)實(shí)踐來看，由于斷軌時(shí)的軌溫一般高于設(shè)計(jì)所采用的歷年最低軌溫，實(shí)際斷縫值小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。對(duì)于大跨度橋梁，且氣溫變化較大的地區(qū)，設(shè)置小阻力扣件有可能出現(xiàn)斷縫值大于70 mm的情況，該種情況應(yīng)設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。但鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器由于其固有的結(jié)構(gòu)特性，尖軌斷面有不同程度的削弱，其尖軌、基本軌接頭是最薄弱的環(huán)節(jié)，若布置于橋梁橫梁、橋臺(tái)胸墻和支座中心等地段，在輪軌動(dòng)力作用下，將導(dǎo)致病害增多，甚至折斷。重載鐵路上應(yīng)慎用伸縮調(diào)節(jié)器，建議在該種條件下，橋上無縫線路的斷縫檢算值應(yīng)設(shè)置為90 mm。

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ResearchontheAllowableWidthofRailBrokenGapsofCWRonBridgeinHighSpeedRailway

LI Min1GAO Liang2GU Chengpeng1

2013-11-21

李 敏(1982—)，女，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院道路與鐵道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，E-mail：jerry.lmin@gmail.com。

1672-7479(2014)01-0110-04

U211.4；U213.42

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