CFT枕式无砟轨道受力性能分析

闫亚飞 李启航，3 孙嘉良

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室 湖北武汉 430063；3.中南大学土木工程学院 湖南长沙 410075；4.中国铁建股份有限公司 北京 100855)

1 引言

双块式无砟轨道在我国铁路领域应用广泛，相较于板式无砟轨道具有造价较低、养护维修工作量小等优点。但目前所用的双块式无砟轨道其核心技术不具有自主知识产权[1]，我国铁路“走出去”战略的实施必然需求技术性能稳定、掌握核心技术、经济性好的轨道结构形式，因此研发新型双块式无砟轨道需求迫切。

经过多年运营，双块式无砟轨道结构出现了一定的病害。邓小娇[2]、周会学[3]、李清油[4]、曾志平[5]、徐凌雁[6]等均对双块式无砟轨道出现的裂纹病害开展了处理措施研究。

杨松[7]等针对北京新机场线双块式无砟轨道采用取消底座结构设计。胡志鹏[8]针对高速铁路桥上双块式无砟轨道结构，结合有限元和数值计算的方法，运用极限状态法对道床板和底座进行配筋设计研究。张娅敏[9]针对穗莞深城际隧道采用设置减振垫层的双块式无砟轨道，通过建立有限元模型对单元板的合理长度进行了分析。李浩宇[10]针对双块式无砟轨道在施工中的不足，通过理论分析和现场试验提出针对性措施。

文献[1]提出了钢管混凝土(CFT)轨枕结构设计方案，即采用钢管混凝土构件连接混凝土轨枕块，形成钢管混凝土轨枕。采用自主研发的钢管混凝土轨枕现浇钢筋混凝土后形成钢管混凝土枕式无砟轨道。李启航[11]对钢管混凝土轨枕受力性能进行分析，结果表明各项技术指标满足要求。

基于此，本文针对研发的市域铁路桥上新型双块式无砟轨道结构——钢管混凝土枕式无砟轨道，开展结构力学分析。

2 计算模型分析

2.1 CFT枕式无砟轨道设计方案

CFT枕式无砟轨道采用CFT轨枕现浇钢筋混凝土形成。市域铁路桥上普通地段取消底座，减振地段增加带有矩形凸台的底座和减振垫，并在道床板上设置凹槽。钢轨采用60 kg/m钢轨，扣件采用WJ-7型；CFT轨枕为厂制C60钢管混凝土轨枕，道床采用C40混凝土。

2.2 CFT枕式无砟轨道计算分析模型

根据《市域铁路设计规范》(T/CRSC 0101－2017)[12]，建立CFT枕式无砟轨道有限元计算分析模型，考虑列车荷载、温度荷载和混凝土收缩同时作用下轨道结构受力和变形。

(1)列车荷载

列车荷载考虑竖向设计荷载、横向设计荷载。

竖向设计荷载:

式中，Pd为竖向设计荷载；α为动载系数，取为2.0；Pi为静轮载，取 8.5 t。

横向设计荷载:

式中，Q为横向设计荷载。

(2)温度梯度荷载

采用常用温度梯度，常用温度梯度按最大温度梯度一半取值，即正温度梯度取为45℃/m，负温度梯度取为22.5℃/m。整体道床为分块结构，不考虑整体温度作用。

(3)混凝土收缩影响

混凝土收缩以等效降温10℃取值。

为准确分析道床板的受力和变形，同时保证较高的计算效率，选择3块轨道板长度进行建模，模型总长14.88 m，取中间道床板为研究对象。钢管采用Q235钢材，轨枕块采用C60混凝土，道床板和底座均采用C40混凝土材料，钢管灌注抗压强度达60 MPa的自密实砂浆材料。材料及结构参数见表1。

表1 CFT枕式无砟轨道主要计算参数

在建立的普通地段CFT枕式无砟轨道有限元计算模型中，钢轨、CFT轨枕、道床板均采用实体单元，扣件采用弹簧单元，桥上支承面刚度取为1 000 MPa/m。

3 CFT枕式无砟轨道力学性能分析

3.1 普通地段CFT枕式无砟轨道力学性能分析

(1)列车荷载和负温度梯度作用

列车荷载和负温度梯度荷载同时作用时，CFT枕式无砟轨道结构受力和变形云图分别见图1、图2。

图1 普通地段负温度梯度轨道结构受力云图(单位：Pa)

图2 普通地段负温度梯度轨道结构变形云图(单位：m)

提取计算结果中轨道部件各个方向受力和变形最大值，见表2。

表2 普通地段负温度梯度轨道结构受力和变形最大值

由图1、图2和表2可知，在列车荷载和负温度梯度荷载同时作用下，轨枕块三个方向最大拉应力分别为22.00 MPa、16.61 MPa和 10.55 MPa，均出现在钢管位置。道床板最大横向和纵向拉应力分别为0.89 MPa和1.23 MPa，均出现在道床板顶面；最大垂向拉应力为0.36 MPa，出现在道床板的板中轨枕槽位置处。道床板纵向、横向和垂向位移最大值分别为0.12 mm、0.11 mm和0.42 mm。由于道床板发生翘曲，垂向位移最大值出现在道床板中心位置处，四角翘曲量为0.01 mm。

综上，轨枕块最大拉应力为纵向22.00 MPa，远小于钢管屈服强度235 MPa。道床板最大拉应力为纵向1.23 MPa，小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71 MP，满足混凝土正常使用条件；最大位移为垂向0.42 mm，变形较小。

(2)列车荷载和正温度梯度作用

列车荷载和正温度梯度荷载同时作用时，CFT枕式无砟轨道结构的受力和变形云图分别见图3、图4。

图3 普通地段正温度梯度轨道结构受力云图(单位：Pa)

图4 普通地段正温度梯度轨道结构变形云图(单位：m)

提取计算结果中轨道部件各个方向受力和变形最大值，见表3。

表3 普通地段正温度梯度轨道结构受力和变形最大值

由图3、图4和表3可知，在列车荷载和正温度梯度同时作用下，轨枕块三个方向最大拉应力分别为1.30 MPa、1.37 MPa和1.89 MPa。道床板最大横向和纵向拉应力分别为0.99 MPa和1.60 MPa，均出现在道床板的板底；最大垂向拉应力为0.34 MPa，出现在道床板板中轨枕槽位置处。道床板横向、垂向和纵向位移最大值分别为0.17 mm、0.40 mm和0.19 mm。由于道床板发生上拱，垂向位移最大值出现在道床板四角位置处，上拱量为0.18 mm。

综上，轨枕块最大拉应力为垂向1.89 MPa，远小于钢管屈服强度235 MPa。道床板最大拉应力为纵向1.60 MPa，小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71 MP，满足混凝土正常使用条件；最大位移为垂向0.40 mm，变形较小。

3.2 减振地段CFT枕式无砟轨道力学性能分析

建立的减振地段CFT枕式无砟轨道计算模型在道床板底增加减振垫和带凸台的底座，并在道床板底部设置凹槽。减振垫采用三元乙丙橡胶材料。参数见表4。

表4 底座和减振垫主要计算参数

施加与普通地段相同的列车和温度荷载，计算分析无砟轨道受力与变形情况。

(1)列车荷载和负温度梯度作用

在列车荷载和负温度梯度作用下，CFT枕式无砟轨道结构的受力和变形云图分别见图5、图6。

图5 减振地段负温度梯度轨道结构受力云图(单位：Pa)

图6 减振地段负温度梯度轨道结构变形云图(单位：m)

从计算结果中提取轨道部件各个方向受力和变形最大值，见表5。

表5 减振地段负温度梯度轨道结构受力和变形最大值

由图5、图6和表5可知，在列车荷载和负温度梯度荷载同时作用下，轨枕块三个方向最大拉应力分别为6.91 MPa、10.20 MPa和14.09 MPa。减振地段道床板最大纵向拉应力为0.99 MPa，出现在道床板底面凹槽位置处；最大横向拉应力为1.24 MPa，出现在道床板顶面位置处；最大垂向拉应力为1.19 MPa，出现在道床板板中轨枕槽位置处。底座最大纵向力为0.95 MPa，最大横向应力为1.19 MPa，最大垂向应力为0.55 MPa，均出现在底面凸台位置处。道床板纵向、横向和垂向位移最大值分别为 0.12 mm、0.06 mm和1.28 mm；底座纵向、横向和垂向最大位移分别为0.03 mm、0.04 mm和0.52 mm。

综上，轨枕块最大拉应力为垂向14.09 MPa，远小于钢管屈服强度235 MPa。道床板最大拉应力为纵向1.28 MPa，底座最大拉应力为1.19 MPa，均小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71 MP，满足混凝土正常使用条件。

(2)列车荷载和正温度梯度作用

在列车荷载和正温度梯度作用下，CFT枕式无砟轨道结构的受力和变形云图分别见图7、图8。

图7 减振地段正温度梯度轨道结构受力云图(单位：Pa)

图8 减振地段正温度梯度轨道结构变形云图(单位：m)

从计算结果中提取轨道部件各个方向受力和变形最大值，见表6。

表6 减振地段正温度梯度轨道结构受力和变形最大值

由图7、图8和表6可知，在列车荷载和正温度梯度荷载同时作用下，轨枕块三个方向最大拉应力分别为1.47 MPa、5.10 MPa和15.25 MPa。减振地段道床板最大纵向拉应力为1.70 MPa，出现在道床板底面凹槽位置处；最大横向拉应力为1.32 MPa，出现在道床板上表面位置处；最大垂向拉应力为1.46 MPa，出现在道床板板中轨枕槽位置处。底座最大纵向和横向拉应力分别为1.40 MPa和1.48 MPa，均出现在底座底面凸台位置处；最大垂向拉应力为0.73 MPa，出现在底座顶面凸台位置处。道床板纵向、横向和垂向位移最大值分别为0.24 mm、0.14 mm和1.38 mm；底座纵向、横向和垂向位移最大值分别为0.04 mm、0.02 mm和0.11 mm。

综上，轨枕块最大拉应力为垂向15.25 MPa，远小于钢管屈服强度235 MPa。道床板最大拉应力为纵向1.70 MPa，底座最大拉应力为横向1.48 MPa，均小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71 MP，均满足混凝土正常使用条件。道床板最大位移为垂向1.38 mm，底座最大位移为垂向0.11 mm，变形均较小。

4 结论

(1)在普通地段，当列车荷载和温度荷载同时作用时，轨枕块最大拉应力为负温度梯度作用下的纵向拉应力22.00 MPa，出现在钢管位置，远小于钢管的屈服强度235 MPa。道床板最大拉应力为正温度梯度作用下的纵向拉应力1.60 MPa，小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71 MPa；最大位移为负温度梯度作用下的垂向位移0.42 mm，变形较小。以上各部件均满足正常使用条件。

(2)在减振地段，当列车荷载和温度荷载同时作用时，轨枕块最大拉应力为负温度梯度作用下的垂向拉应力14.09 MPa，出现在钢管位置，远小于钢管屈服强度235 MPa。对于道床板和底座，最大拉应力分别为正温度梯度作用下的纵向拉应力1.70 MPa和横向拉应力1.48 MPa，均小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71 MPa；最大位移分别为正、负温度梯度作用下的垂向位移1.38 mm和0.52 mm，变形均较小。以上各部件均满足正常使用条件。