路基地段 CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性研究

王汉民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道结构

路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层以及具有限位结构的钢筋混凝土底座等部分组成。

1.1 各项计算参数

1)扣件动刚度按1.5倍静刚度，即50kN/mm取值。2)轨道板宽度为2500mm，厚度为200mm，其混凝土强度等级为C60。3)自密实混凝土宽度为2500mm，厚度为90mm，其混凝土强度等级为C40。4)底座板宽度为3 100mm，厚度为300mm，其混凝土强度等级为C35。5)路基支承面刚度按76MPa/m取值。

1.2 三维“梁—板”有限元分析模型

在列车荷载作用下，路基地段CRTSⅢ型板式无砟轨道受力分析采用“梁—板”模型:钢轨看做梁单元，扣件看做点支承弹簧单元。计算时将轨道板与自密实混凝土层看作“复合板”，采用板单元模拟。底座板按弹性地基板单元来模拟，支承刚度按相应下部基础的支承刚度考虑。自密实混凝土层与底座之间的相互作用采用弹簧单元模拟。建立模型如图1所示。

2 各种工况下轨道板、底座板受力规律

2.1 轨道板参数变化

2.1.1 轨道板厚度变化

轨道板厚度是CRTSⅢ型板式无砟轨道结构层的重要参数，在列车荷载作用下，轨道板和底座板的弯矩如图2，图3所示。

图2 轨道板厚度变化对纵向弯矩的影响

图3 轨道板厚度变化对横向弯矩的影响

轨道板厚度越大，轨道板的纵、横向弯矩越大，变化规律基本呈线性关系，轨道板厚度由0.16m增加至0.24m时，轨道板纵向正、负弯矩，横向正、负弯矩分别增加了 117.7%，138.1%，79.5%，115.4%，轨道板厚度变化对轨道板纵、横向弯矩影响敏感;底座板纵、横向正弯矩随着轨道板厚度增加而减小，变化幅度不大，底座板纵、横向负弯矩随着轨道板厚度增加而略有增大。

轨道板厚度增加引起轨道板弯矩增大，同时截面增大，轨道板的弯曲应力反而略有减小，轨道板厚度由0.16m增加至0.24m时，轨道板纵、横向弯曲应力，底座板纵、横向弯曲应力分别减小了 3.2%，20.2%，17.9%，30.7%，轨道板纵向弯曲应力降低幅度最小(见图4)。

2.1.2 轨道板宽度变化

随着轨道板宽度的增加(保证荷载扩散角的要求)，轨道板、底座板纵向弯矩减小，横向弯矩增大，轨道板宽度对底座板横向弯矩较为敏感(见图5，图6)。

图4 轨道板厚度变化对弯曲应力的影响

图5 轨道板宽度变化对纵向弯矩影响

2.2 底座板结构尺寸

2.2.1 底座板厚度

保持其他参数不变，改变底座板厚度，在列车荷载作用下，轨道板和底座板的弯矩如图7，图8所示。

图6 轨道板宽度变化对横向弯矩影响

图7 底座板厚度变化对纵向弯矩的影响

底座板厚度越大，轨道板纵、横向弯矩越小，基本呈线性变化，底座板厚度由0.26m增加至0.34m时，轨道板纵向正、负弯矩，横向正、负弯矩分别减小了 22.5%，35.7%，22.9%，32.0%;底座板纵、横向正弯矩随着底座板厚度增加而增大，底座板纵向弯矩增幅约54.0%，底座板横向弯矩增幅约30.0%，底座板厚度变化对底座板纵向弯矩影响敏感。

底座板厚度增加引起底座板弯矩增大，但由于截面加大，底座板的弯曲应力略有减小，底座板厚度由0.26m增加至0.34m时，轨道板纵向、横向弯曲应力分别减小22.5%和22.9%;底座板纵向、横向弯曲应力分别减小10.0%和24.0%(见图9)。

图8 底座板厚度变化对横向弯矩的影响

图9 底座板厚度变化对弯曲应力的影响

2.2.2 底座板宽度

底座板宽度增加，轨道板、底座板纵向弯矩减小，变化幅度较小约3%，横向弯矩有所增大约8%，底座板弯矩变化幅度大于轨道板(见图10，图11)。

图10 底座板宽度变化对纵向弯矩影响

图11 底座板宽度变化对横向弯矩影响

2.3 扣件刚度

扣件刚度由30kN/mm增加到70kN/mm，轨道板、底座板的纵、横向弯矩均增大。轨道板纵向弯矩、横向弯矩分别增大约18.8%，18.3%，底座板纵、横向弯矩增大约 17.6%，15.1%。扣件刚度变化对轨道板弯矩影响大于对底座板影响，对纵向弯矩影响大于横向弯矩的影响，二者增幅相差较小(见图12，图13)。

2.4 路基面支承刚度

路基面支承刚度由50MPa/m增加到400MPa/m时，轨道板纵、横向弯矩，底座板纵、横向弯矩均有所减小，轨道板纵、横向弯矩减小 42.2%，8.7%，底座板纵、横向弯矩减小 55.0%，14.8%，路基面支承刚度对纵向弯矩影响明显大于对横向弯矩影响，对底座板纵向弯矩影响最大(见图14，图15)。

图12 扣件刚度变化对纵向弯矩影响

图13 扣件刚度变化对横向弯矩影响

图14 路基面支承刚度变化对纵向弯矩影响

图15 路基面支承刚度变化对横向弯矩影响

3 结语

1)轨道板厚度增加，轨道板弯矩增大明显，底座板弯矩略有减小;轨道板纵、横向弯曲应力，底座板纵、横向弯曲应力分别减小了 22.5%，22.9%，10.0%，24.0%，底座板纵向弯曲应力降低幅度最小。2)轨道板宽度增加(保证荷载扩散角的要求)，轨道板、底座板纵向弯矩减小，横向弯矩增大，轨道板宽度对底座板横向弯矩较为敏感。3)底座板厚度越大，轨道板纵、横向弯矩越小，基本呈线性变化;底座板纵、横向正弯矩随着底座板厚度增加而增大，增幅明显，底座板厚度变化对底座板纵向弯矩影响敏感。轨道板、底座板的弯曲应力略有减小。4)底座板宽度增加，轨道板、底座板纵向弯矩略微减小，横向弯矩有所增大，底座板弯矩变化幅度大于轨道板。5)扣件刚度增加，轨道板、底座板的纵、横向弯矩均增大，扣件刚度对轨道板纵向弯矩影响最大。6)路基面支承刚度增加，轨道板纵、横向弯矩，底座板纵、横向弯矩均有所减小，路基面支承刚度对纵向弯矩影响明显大于对横向弯矩影响，对底座板纵向弯矩影响最大。

［1］王成晓.CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性研究［D］.北京:北京交通大学，2011.

［2］张丽平.桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道动力学性能分析［D］.成都:西南交通大学，2011.

［3］赵坪锐.板式无砟轨道动力学性能分析与参数研究［D］.成都:西南交通大学，2003.