張鵬飛，朱勇，雷曉燕

鋸齒互鎖式沉降自動(dòng)補(bǔ)償鋼枕強(qiáng)度影響因素分析

張鵬飛，朱勇，雷曉燕

(華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

針對(duì)鐵路軌下基礎(chǔ)沉降引發(fā)的軌道不平順問題，提出一種能夠自動(dòng)補(bǔ)償軌下基礎(chǔ)沉降的鋸齒互鎖式鋼枕。為研究該鋼枕結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋼枕強(qiáng)度的影響規(guī)律，基于有限元法建立鋼枕的三維空間耦合計(jì)算模型，計(jì)算不同沉降補(bǔ)償量下鋼枕結(jié)構(gòu)各向強(qiáng)度，并分析鋼枕寬度、高度，以及頂、底板厚度等參數(shù)對(duì)鋼枕各向強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：鋼枕整體各向拉、壓應(yīng)力均大于或等于局部鋸齒處應(yīng)力；隨著沉降補(bǔ)償量的遞增，鋼枕整體橫向壓應(yīng)力和鋸齒處各向應(yīng)力均增大；鋼枕在一定沉降補(bǔ)償量下各向強(qiáng)度均滿足要求；增大鋼枕寬度能夠減小鋼枕整體橫向壓應(yīng)力和鋸齒處各向應(yīng)力；隨著鋼枕頂板厚度的遞增，鋼枕整體橫向壓應(yīng)力和鋸齒處各向應(yīng)力均顯著增大，建議關(guān)注鋼枕升降塊頂部鋸齒與頂板邊緣處的接觸應(yīng)力；鋼枕高度和底板厚度對(duì)鋼枕整體和鋸齒處強(qiáng)度影響均較小。

鋸齒互鎖式；自動(dòng)補(bǔ)償；鋼枕；強(qiáng)度分析；有限元法

鐵路的發(fā)展必須以安全性、可靠性、舒適性為前提，以線路的高平順性和軌下基礎(chǔ)的高穩(wěn)定性為保證[1]。鐵路線路在運(yùn)營期間不可避免地會(huì)產(chǎn)生局部沉陷、不均勻沉降等問題，如果不及時(shí)處理，車輛?軌道相互作用力加劇，導(dǎo)致線路平順性顯著降低，嚴(yán)重影響旅客舒適性和行車安全性。因此，開展對(duì)鐵路軌下基礎(chǔ)沉降及時(shí)、有效的整治技術(shù)研究具有重大工程意義。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐵路軌下基礎(chǔ)沉降的整治和控制研究主要集中在加固路基和改善剛度平穩(wěn)過渡上[2?10]。廖進(jìn)星[11]對(duì)高速鐵路松軟地基的地基加固處理技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，提出了對(duì)路橋、路涵過渡段等地段的地基加固措施以及相關(guān)原則與施工順序；陳果元等[12]結(jié)合秦沈客運(yùn)專線，針對(duì)列車荷載作用下級(jí)配碎石路橋過渡段與土工格柵路橋過渡段的沉降規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試及理論分析，得出土工格柵過渡段比級(jí)配碎石過渡段更能減小差異沉降的結(jié)論；孔祥仲等[13]從靜力學(xué)角度對(duì)板式軌道與普通軌道之間設(shè)置軌道剛度漸變的板式軌道過渡段提出了剛度設(shè)計(jì)方法，通過剛度的均勻過渡來減少過渡段間的沉降差，并提出采用不同厚度的瀝青混凝土道床寬軌枕軌道結(jié)構(gòu)作為有砟與無砟軌道過渡段型式是具有良好過渡效果的。既有研究對(duì)減少線路沉降和降低過渡段兩側(cè)剛度變化率具有良好效果，但缺乏自動(dòng)性和實(shí)時(shí)性，且整治技術(shù)施工工藝復(fù)雜，增大了養(yǎng)護(hù)維修成本。本文基于已有研究成果，在不改變線路軌下基礎(chǔ)的前提下，提出一種結(jié)構(gòu)簡潔、自動(dòng)調(diào)節(jié)的鋸齒互鎖式鋼枕；該鋼枕可鋪設(shè)于鐵路過渡段等地段，自動(dòng)補(bǔ)償軌下基礎(chǔ)沉降，使線路始終保持平順狀態(tài)；基于有限元法建立鋼枕的三維空間耦合計(jì)算模型，計(jì)算不同沉降補(bǔ)償量下鋼枕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并分析鋼枕寬度、高度，以及頂、底板厚度等參數(shù)對(duì)鋼枕各向強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 鋼枕概況

1.1 鋼枕結(jié)構(gòu)組成

鋸齒互鎖式沉降自動(dòng)補(bǔ)償鋼枕三維外觀分解圖如圖1所示，鋼枕軌下起始高度為23.0 cm，后隨著鋼枕補(bǔ)償沉降后逐漸增加，其他外部結(jié)構(gòu)尺寸與既有Ⅲ型混凝土枕相同；除承軌槽處外，鋼枕其余部分內(nèi)置空心，頂板厚2.0 cm，側(cè)板厚3.0 cm，底板厚2.0 cm，兩端厚5.0 cm。

圖1 鋼枕三維外觀分解圖

沉降補(bǔ)償裝置內(nèi)嵌于鋼枕承軌槽內(nèi)，其斷面示意圖如圖2所示。

①—鋼枕；②—鋼軌；③—升降塊；④—鋼板；⑤—鋸齒；⑥—彈簧塊；⑦—小鋼棒；⑧—螺桿；⑨—鋼環(huán)套；⑩—防塵罩；—防塵套；—道砟；—螺帽

1.2 鋼枕工作原理

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 模型建立

基于有限元法，建立鋼枕三維空間耦合計(jì)算模型如圖3所示。鋼枕內(nèi)彈簧塊采用COMBIN 14彈簧?阻尼器單元模擬，其余部分均采用SOLID 45實(shí)體單元模擬。對(duì)鋼枕底面采用全約束。

圖3 鋼枕三維空間耦合計(jì)算模型

2.2 模型參數(shù)

鋼枕模型尺寸為：長×寬×高=260.0 cm×32.0 cm×22.0 cm，本文鋼枕高度取承軌槽頂面高度為基準(zhǔn)，高度變化為鋼枕整體同步變化。

與鋼枕匹配扣件選取常用彈條Ⅱ型扣件，依據(jù)實(shí)際情況并合理簡化，建立2根螺旋道釘錨固在鋼枕的升降塊上；螺旋道釘材質(zhì)為低碳鋼Q235-A，直徑2.2 cm，長19.0 cm，埋入鋼枕升降塊深度11.0 cm，沿鋼枕承軌槽橫向中心線對(duì)稱布置，間距21.4 cm。螺旋道釘模型參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋道釘模型參數(shù)

由于鋼枕材料屬性的各向同性，鋼枕各方向上的彈性模量、泊松比及強(qiáng)度限值均相同。選取鋼枕材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45號(hào)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，鋼枕模型參數(shù)和計(jì)算模型強(qiáng)度限值分別見表2和表3所示，其中，方向和方向拉、壓應(yīng)力限值均取螺旋道釘抗拉、壓強(qiáng)度值為控制指標(biāo)，方向拉、壓應(yīng)力限值取鋼枕抗拉、壓強(qiáng)度值為控制指標(biāo)。定義為鋼枕寬度方向(橫向)，為鋼枕高度方向(垂向)，為鋼枕長度方向(縱向)，下同。

表2 鋼枕模型參數(shù)

表3 計(jì)算模型強(qiáng)度限值

3 列車荷載作用下鋼枕強(qiáng)度分析

3.1 荷載工況

考慮到列車荷載工況較多，本文對(duì)鋼枕施加列車準(zhǔn)靜態(tài)荷載，包括列車垂向、橫向和縱向荷載。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，列車垂向設(shè)計(jì)荷載應(yīng)按式(1)計(jì)算，式中：d為軌枕動(dòng)壓力；j為軌枕靜壓力；，1和2為速度系數(shù)，見表4；p為偏載系數(shù)，取0.15。

表4 速度系數(shù)

考慮列車勻速條件下，車輛與鋼軌作用產(chǎn)生的摩擦力經(jīng)扣件傳遞到鋼枕，將輪軌間摩擦力近似與扣件受到的縱向水平力等同，列車縱向設(shè)計(jì)荷載應(yīng)按式(3)計(jì)算，式中1為列車垂向力；為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.2。

針對(duì)列車垂向荷載，板下膠墊將垂向荷載以均布形式傳遞到鋼枕升降塊上表面，即對(duì)鋼枕升降塊上表面施加面均布載荷，作用的垂向設(shè)計(jì)荷載大小為250 kN(方向)，換算成面均布荷載大小為5.60× 106N/m2；針對(duì)列車橫向和縱向荷載，將這2種荷載看作是完全依靠扣件螺紋道釘傳遞到鋼枕上，即分別對(duì)4根螺紋道釘半側(cè)外表面施加面均布載荷，作用的橫向荷載為115 kN(方向)，換算成面均布荷載大小為8.78×106N/m2；作用的縱向荷載為50 kN(方向)，換算成面均布荷載為3.82×106N/m2。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

考慮鋼枕處于不同沉降補(bǔ)償量下的實(shí)際工況，本節(jié)對(duì)不同沉降補(bǔ)償量下鋼枕整體及局部鋸齒處結(jié)構(gòu)各向最大拉、壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，列車荷載作用下，鋼枕整體各向拉、壓應(yīng)力均大于或等于局部鋸齒處應(yīng)力，這是因?yàn)殇撜碚w最大拉、壓應(yīng)力大多情況下均發(fā)生在螺旋道釘與鋼枕表面接觸處，并且接觸處產(chǎn)生了應(yīng)力集中；隨著沉降補(bǔ)償量的增大，鋼枕整體方向最大壓應(yīng)力逐漸遞增，其余方向上應(yīng)力變化不明顯，這是因?yàn)殇撜砩祲K頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣接觸位置處發(fā)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼枕整體方向最大壓應(yīng)力發(fā)生在頂部鋸齒處，且應(yīng)力值隨沉降補(bǔ)償量的增大而增大。

與此同時(shí)，鋼枕局部鋸齒處各向拉、壓應(yīng)力均隨沉降補(bǔ)償量的增大而增大，但無論是鋼枕整體應(yīng)力還是局部鋸齒處應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度限值，且有較大安全冗余。因此，鋼枕在一定沉降補(bǔ)償量下各向強(qiáng)度均滿足要求。

表5 鋼枕整體及局部鋸齒處結(jié)構(gòu)各向最大拉、壓應(yīng)力計(jì)算值

4 鋼枕強(qiáng)度影響因素分析

本節(jié)考慮鋼枕處于補(bǔ)償沉降4 cm后的工作狀態(tài)，假定鋼枕沉降補(bǔ)償4 cm后，針對(duì)鋼枕寬度、高度，以及頂、底板厚度等參數(shù)，分析列車荷載作用下4種參數(shù)分別對(duì)鋼枕整體及局部鋸齒處各向強(qiáng)度的影響。

4.1 鋼枕寬度的影響

保持其余參數(shù)不變，改變鋼枕的寬度，計(jì)算列車荷載作用下鋼枕寬度分別為28，30，32，34和36 cm時(shí)鋼枕整體及局部鋸齒處的應(yīng)力，分析鋼枕寬度對(duì)鋼枕整體及局部鋸齒處各向強(qiáng)度的影響規(guī)律。其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 鋼枕整體應(yīng)力

圖5 鋼枕鋸齒處應(yīng)力

由圖4和圖5可知，列車荷載作用下鋼枕寬度對(duì)鋼枕整體除方向壓應(yīng)力隨寬度遞增而減小外，其余應(yīng)力均基本不變；隨著鋼枕寬度的遞增，鋼枕鋸齒處各方向上的拉、壓應(yīng)力均明顯減小，且近似呈線性變化。

綜上所述，鋼枕寬度變化對(duì)鋼枕整體橫向強(qiáng)度和鋸齒處各向強(qiáng)度影響均很明顯；增大鋼枕寬度能夠減小鋼枕整體橫向壓應(yīng)力和鋸齒處各向應(yīng)力。

4.2 鋼枕高度的影響

保持其余參數(shù)不變，改變鋼枕的高度，計(jì)算列車荷載作用下鋼枕高度分別為18，20，22，24和26 cm時(shí)鋼枕整體及局部鋸齒處的應(yīng)力，分析鋼枕高度對(duì)鋼枕整體及局部鋸齒處各向強(qiáng)度的影響規(guī)律。其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 鋼枕整體應(yīng)力

圖7 鋼枕鋸齒處應(yīng)力

由圖6和圖7可知，總體上來看，列車荷載作用下鋼枕高度對(duì)鋼枕整體的各向強(qiáng)度影響較?。浑S著鋼枕高度的遞增，鋼枕鋸齒處強(qiáng)度變化較為明顯，其方向壓應(yīng)力和方向壓應(yīng)力均隨之略微遞增，其余方向上應(yīng)力均隨之略微遞減。

綜合上述，鋼枕高度變化對(duì)鋼枕整體和鋸齒處強(qiáng)度影響均較小。

4.3 鋼枕頂板厚度的影響

保持其余參數(shù)不變，改變鋼枕頂板的厚度，計(jì)算列車荷載作用下鋼枕頂板厚度分別為1，2，3，4和5 cm時(shí)鋼枕整體及局部鋸齒處的應(yīng)力，分析鋼枕頂板厚度對(duì)鋼枕整體及局部鋸齒處各向強(qiáng)度的影響規(guī)律。其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知，列車荷載作用下鋼枕頂板厚度對(duì)鋼枕整體方向壓應(yīng)力影響顯著，隨著頂板厚度的遞增，方向壓應(yīng)力顯著增大，這是由于隨著頂板厚度的增加，鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣處發(fā)生了較多處的應(yīng)力集中，此外，鋼枕整體其余方向應(yīng)力基本不變；與此同時(shí)，鋼枕鋸齒處各向應(yīng)力均隨頂板厚度遞增而明顯增大。值得注意的是，當(dāng)鋼枕頂板厚度大于3 cm時(shí)，鋼枕整體及鋸齒處方向壓應(yīng)力均大于強(qiáng)度限值。

圖8 鋼枕整體應(yīng)力

圖9 鋼枕鋸齒處應(yīng)力

綜合上述，鋼枕頂板厚度變化對(duì)鋼枕整體橫向強(qiáng)度和鋼枕鋸齒處各向強(qiáng)度的影響顯著，并且當(dāng)鋼枕頂板厚度大于3 cm時(shí)，鋼枕橫向壓應(yīng)力超過強(qiáng)度限值。建議關(guān)注鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣處的接觸應(yīng)力。

4.4 鋼枕底板厚度的影響

保持其余參數(shù)不變，改變鋼枕底板厚度，計(jì)算列車荷載作用下鋼枕底板厚度分別為1，2，3，4和5 cm時(shí)鋼枕整體及局部鋸齒處的應(yīng)力，分析鋼枕底板厚度對(duì)鋼枕整體及局部鋸齒處各向強(qiáng)度的影響規(guī)律。其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖10和圖11 所示。

圖10 鋼枕整體應(yīng)力

圖11 鋼枕鋸齒處應(yīng)力

由圖10和圖11可知，列車荷載作用下鋼枕底板厚度對(duì)鋼枕整體強(qiáng)度和局部鋸齒處強(qiáng)度影響均較??；隨著底板厚度的遞增，鋼枕整體除方向和方向拉應(yīng)力出現(xiàn)較小波動(dòng)外，其余方向上應(yīng)力均基本不變；與此同時(shí)，鋼枕鋸齒處各向應(yīng)力均隨底板厚度遞增而略微增大。

總體上來看，鋼枕底板厚度變化對(duì)鋼枕整體和鋸齒處強(qiáng)度影響均較小。

5 結(jié)論

1) 列車荷載作用下，鋼枕整體各向拉、壓應(yīng)力均大于或等于局部鋸齒處應(yīng)力；隨著沉降補(bǔ)償量的遞增，鋼枕整體橫向壓應(yīng)力逐漸增大，其余方向上應(yīng)力變化不明顯；與此同時(shí)，鋼枕局部鋸齒處各向拉、壓應(yīng)力均隨沉降補(bǔ)償量的遞增而增大；鋼枕在一定沉降補(bǔ)償量下各向強(qiáng)度均滿足要求。

2) 鋼枕寬度對(duì)鋼枕整體橫向強(qiáng)度和鋸齒處各向強(qiáng)度影響均很明顯；增大鋼枕寬度能夠減小鋼枕整體橫向壓應(yīng)力和鋸齒處各向應(yīng)力。鋼枕高度變化對(duì)鋼枕整體和鋸齒處強(qiáng)度影響均較小。

3) 鋼枕頂板厚度對(duì)鋼枕整體橫向強(qiáng)度和鋸齒處各向強(qiáng)度影響顯著，隨著頂板厚度的遞增，鋼枕整體橫向壓應(yīng)力和鋸齒處各向應(yīng)力均顯著增大。當(dāng)鋼枕頂板厚度大于3 cm時(shí)，鋼枕橫向壓應(yīng)力超過強(qiáng)度限值，建議關(guān)注鋼枕升降塊頂部鋸齒與鋼枕頂板邊緣處的接觸應(yīng)力。鋼枕底板厚度變化對(duì)鋼枕整體和鋸齒處強(qiáng)度影響均較小。

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Analysis of influence factors on strength for serrated interlocking steel sleeper with settlement compensation automatically

ZHANG Pengfei, ZHU Yong, LEI Xiaoyan

(Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Aiming at the track irregularity problem, caused by the settlement of the below track foundation, a kind of serrated interlocking steel sleeper that can automatically compensate the settlement of the below track foundation has proposed. In order to study the influence of the steel sleeper’s structural parameters on strength, based on the finite element method, the three-dimensional space coupling calculation model of the steel sleeper was established, and the structure strength on all directions of steel sleeper under different settlement compensation was calculated, also the influence of the steel sleeper’s width, height and the top, bottom thickness on all directions strength were analyzed as well. The result shows that the maximum tensile and compressive stresses in all directions of the steel sleeper are greater than or equal to serrate structure stress. With the increase of settlement compensation, the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure increase. The strength in all directions of steel sleeper can meet the requirement under certain settlement compensation. Increasing the width of the steel sleeper can reduce the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure. With the increase of the steel sleeper’s top thickness, the lateral compressive stress of the overall sleeper and the stress in all directions at the serrated structure increase significantly , and it is recommended to pay attention to the contact stress between the top serrated structure of the steel sleeper lifting block and the edge on the steel sleeper’s top roof plate. The height and bottom thickness of the steel sleeper have little influence on the strength of the overall steel sleeper and steel sleeper’s serrate structure.

serrated interlocking; automatic compensation; steel sleeper; strength analysis; finite element method

U213.3+6

A

1672 ? 7029(2019)08?1905 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.006

2018?10?31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51768023，51578056)；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ180290)

張鵬飛(1975?)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，博士，從事軌道結(jié)構(gòu)研究；E?mail：zhangpf4236@163.com

(編輯 涂鵬)