復合軌枕無砟軌道溫度適應性分析

耿 浩，趙 健，沈毓婷，姚 力

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

再生復合軌枕(以下稱復合軌枕)作為一種新型軌枕，以廢舊塑料、輪胎以及油漆等難降解高分子廢棄物為原料，并以玻璃纖維等為加勁物質輔以其他化學添加劑制成。與混凝土枕相比，復合軌枕彈性好、質量輕、施工操作方便，其有砟軌道結構已應用于貨運鐵路和城市公共交通線，如在我國山西中南部鐵路通道K534+500～ K535+500路基段鋪設了復合軌枕有砟軌道試驗段。

目前，國內外學者主要針對復合軌枕材料組分、軌枕特性及其軌道動力性能方面展開研究。在材料組分方面，肖生苓等[1-2]對鐵路軌枕復合材料組分進行研究，并對復合軌枕的結構設計進行探究。王守琛[3]在研究國內外復合軌枕成分和制作流程的基礎上，提出軌枕的各組分的最佳比例。在軌枕特性方面，Richard Lampo[4]通過測定復合軌枕彈性模量、極限強度等參數，分析可能產生運營事故的因素。段海濱等[5]研究了螺紋道釘抗拔力對復合軌枕的影響，分析了道釘上拔過程中軌枕位移和應力應變情況。在復合軌枕動力特性方面，文獻[6]通過建立復合軌枕有砟軌道動力學模型，分析復合軌枕有砟軌道各部分垂向動力特性。沈毓婷等[7]研究了橋上復合軌枕無砟軌道垂向動力性能，并與雙塊式軌枕動力響應進行對比分析。文獻[8]通過研究復合軌枕無砟軌道疲勞試驗，分析了軌道各部件在疲勞加載前后位移和受力變化情況。然而實際使用過程中發現，復合軌枕材料的線膨脹系數(1.18×10-4℃-1)約是混凝土線膨脹系數(1.0×10-5℃-1)的10倍[6]，若將復合軌枕應用于無砟軌道，在溫度荷載作用下，復合軌枕與混凝土道床板接觸面局部區域可能出現分離，即離縫[9-11]。由于復合軌枕無砟軌道在我國尚未有鋪設先例，目前關于溫度荷載作用下復合軌枕無砟軌道離縫的產生和發展情況以及軌道結構的幾何形位變化等問題均未有較明確的文獻說明。因此，以長枕埋入式和雙塊式復合軌枕無砟軌道為研究對象，分析了兩種軌道結構在整體溫度荷載和溫度梯度作用下軌枕—道床板間離縫產生情況和軌距變化量，為今后深入研究溫度作用對復合軌枕軌道結構的破壞和不良影響提供一定的理論參考。

1 分析模型的建立

1.1 長枕埋入式和雙塊式有限元模型

采用有限單元法，建立了如圖1所示包括鋼軌-扣件系統-軌枕-道床板-地基等主要結構的長枕埋入式和雙塊式復合軌枕無砟軌道有限元模型。

圖1 復合軌枕無砟軌道結構有限元模型

在建立的有限元模型中，鋼軌采用CHN60軌，用歐拉梁單元模擬；扣件系統采用線性彈簧單元模擬；軌枕采用實體單元模擬；道床板采用實體單元模擬，混凝土強度等級為C40；底座板采用實體單元模擬，混凝土強度等級為C40。結構各部分具體參數如表1所示[16]。

表1 材料參數

在理論模型中，若復合軌枕與道床板間采用共節點處理，則無法確定可能存在的離縫大小，因此對于復合軌枕與道床板之間聯結，基于以下兩條假設做出簡化：(1)道床板與軌枕各接觸面處混凝土均勻分布；(2)接觸區域面混凝土僅受垂直于接觸面方向軸向拉力，并在其達到抗拉強度后破壞。故在軌枕與道床板各接觸面采用非線性彈簧模擬，離縫值通過非線性彈簧變形量來表示。根據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)附錄C2.3，可以得到C40混凝土應力-應變關系曲線，再由本構關系曲線得到軌枕與道床板接觸面區域非線性彈簧力-位移曲線，如圖2所示[12-13]。

圖2 非線性彈簧單元力-位移曲線

1.2 溫度荷載

一般情況下，對模型施加溫度荷載時，應考慮整體溫度和溫度梯度兩種溫度荷載[14-15]。在隧道內，軌道結構各部分溫度基本相同，因此施加整體溫度可以模擬隧道內復合軌枕無砟軌道的溫度適應性情況。而在露天環境下，由于混凝土和復合軌枕熱傳導性較差，最上層混凝土道床板與軌枕直接受日照和大氣溫度的影響或遇到冷空氣侵襲等情況形成正溫度梯度或者負溫度梯度，進而使得道床板和軌枕產生翹曲變形，因此需要考慮溫度梯度作用下的復合軌枕無砟軌道的破壞情況[17-18]。

2 軌道性能指標的確定

本文選用軌枕-道床板間離縫值和軌距變化量兩個參數作為復合軌枕無砟軌道溫度適應性指標。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》對三級裂縫的控制要求，控制離縫寬度為0.2 mm[19]；根據TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》，無砟軌道相對于標準軌距1 435 mm的容許偏差為±1 mm。

3 計算工況的確定

對每種軌道結構施加整體降溫和溫度梯度兩種溫度荷載。整體降溫作用下，降溫最大幅值取為30 ℃[20]。為分析不同降溫下軌道溫度適應性，設置降溫10，20，30 ℃三種工況；溫度梯度作用下，設置正、負溫度梯度。其中最大正溫度梯度取為90 ℃/m，最大負溫度梯度取為45 ℃/m[21]。

4 計算結果分析

為了消除邊界條件的影響，選取3塊處于中間位置的道床板作為研究對象。經理論計算可得，軌枕與道床板接觸各邊均產生離縫，為方便表述，軌枕各邊離縫示意如圖3所示。

圖3 溫變下軌枕各邊離縫示意

4.1 整體降溫作用

對長枕埋入式復合軌枕無砟軌道分別整體降溫10，20，30 ℃時，該軌枕各邊與道床板之間的離縫情況如圖4所示。

由圖4可以看出，在整體降溫下，長枕軌枕橫向和縱向均與道床板產生離縫，且隨著降溫幅度的增加，軌枕橫向、縱向各處離縫值均不斷增大，其中，橫向離縫最大值由0.15 mm增大到0.45 mm，縱向離縫最大值從0.3 mm增大到0.91 mm。各個溫降幅度下軌枕橫向和縱向離縫變化情況大致相同，對于軌枕橫向離縫，軌枕兩端離縫值較軌枕中間部分小且二者差距不斷增大，但二者最大差值僅約為0.05 mm，可以近似認為各處離縫值大致相同；對于軌枕縱向離縫，雖然離縫的分布狀況與軌枕橫向離縫相同，但軌枕端部離縫值與軌枕中部的離縫值相差較大且差距不斷增加，兩者差值從0.7 mm增大到約2 mm，因此在整個軌枕寬邊范圍內僅中部0.06～0.18 m離縫值大致相同。由以上分析可得，在相同的降溫條件下，沿軌枕破壞更為嚴重，溫度每降低10 ℃，軌枕橫向離縫最大值增大約0.15 mm，而軌枕縱向增大約0.3 mm，說明沿軌枕縱向對溫度變化更為敏感。

圖4 整體降溫下長枕埋入式復合軌枕離縫值

在整體降溫下，雙塊式軌枕橫向和縱向均與道床板產生離縫，如圖5所示。隨著降溫幅度的增加，軌枕橫向和縱向各處離縫值均逐漸增大，其中橫向離縫最大值由0.14 mm增大到0.42 mm，縱向最大值由0.19 mm增大到0.58 mm，兩方向上增大幅度大致相同；各降溫幅度下軌枕橫向和縱向離縫分布情況大致相同，對于軌枕橫向離縫，各處離縫值大致相同，對于軌枕縱向離縫，軌枕端部與中部離縫值相差較大，二者最大差值達到0.12 mm，離縫值僅在軌枕寬0.06～0.18 m范圍內大致相同。由以上分析可得，雙塊式復合軌枕在溫降下縱向離縫略大于橫向，每降溫10 ℃，橫向離縫最大值增大約0.14 mm，縱向增大約0.19 mm，兩方向上對溫度敏感程度大致相同。

圖5 整體降溫下雙塊式復合軌枕離縫值

圖4和圖5對比后可以看出，由于復合軌枕材料和混凝土線膨脹系數相差較大，因此兩種軌枕均在降溫幅度較小時與道床板間產生離縫。在相同的溫降幅度下，軌枕橫向和縱向離縫分布基本相同，且軌枕橫向離縫值大致相同，但雙塊式軌枕縱向離縫值較小，僅為對應處長枕軌道離縫值64%，且每降溫10 ℃，雙塊式軌枕縱向離縫增加量僅為長枕軌枕的50%。

由圖6可以看出，隨著降溫幅度的增加，兩種軌道結構的軌距變化量均逐漸增大，其中長枕埋入式軌距縮小量最大值從0.57 mm增大到1.72 mm，雙塊式軌距縮小量最大值從0.19 mm增大到0.57 mm。另外，兩種軌道結構的軌距縮小量均沿道床板縱向先增大后減小，在道床板中部到達最大值。通過對比可得，雙塊式軌道結構的軌距縮小量始終小于相同降溫條件下的長枕埋入式軌距縮小量，由文獻[21]可得，無砟軌道相對于標準軌距1 435 mm的容許偏差為±1 mm，因此雙塊式軌道始終能夠滿足要求。

圖6 整體降溫下復合軌枕無砟軌道軌距變化量

兩種軌道結構各降溫幅度下離縫和軌距變化量最大值與限值關系如圖7所示。根據文獻[19]，則長枕埋入式軌道最大降溫值為7 ℃，雙塊式軌道最大降溫范圍為11 ℃；根據文獻[21]，則長枕埋入式軌道最大降溫幅度為18 ℃，雙塊式軌道最大降溫幅度可超過30 ℃。

圖7 整體降溫下復合軌枕離縫與軌距變化限值

4.2 溫度梯度作用

4.2.1 負溫度梯度

由圖8、圖9可知，在負溫度梯度作用下，兩種軌枕的軌枕橫向和縱向與道床板間離縫值均為負值，則實際狀態下軌枕與道床板間為相互擠壓，界面未產生離縫；在相同的軌枕高度處，兩種軌枕與道床板間壓縮量基本相同。

圖8 負溫度梯度下長枕埋入式復合軌枕離縫值

圖9 負溫度梯度下雙塊式復合軌枕離縫值

由圖10可得，在負溫度梯度下，兩種軌道結構的軌距幾乎不變，其中長枕埋入式軌距擴大最大值為0.15 mm，雙塊式軌距擴大最大值為0.07 mm，且兩種軌道結構在道床板縱向0.6～3.6 m范圍內軌距基本不變。根據文獻[21]，二者均能滿足要求。

圖10 負溫度梯度下軌距擴大量

4.2.2 正溫度梯度

由圖11、圖12可以看出，正溫度梯度下，兩種軌枕與道床板間處于壓縮狀態，未產生離縫；在軌枕高度相同時，兩種軌枕與道床板間壓縮量基本相同。綜上，溫度梯度作用下，兩種軌道結構均不會出現離縫現象。

圖11 正溫度梯度下長枕埋入式復合軌枕離縫值

圖12 正溫度梯度下雙塊式復合軌枕離縫值

圖13 正溫度梯度下軌距擴大量

由圖13可得，兩種軌道結構在正溫度梯度下軌距均擴大，且二者均隨著軌道縱向軌距擴大量先增大，后減小，長枕埋入式軌距擴大量最大值為1.2 mm，雙塊式軌距擴大量為0.4 mm，由文獻[21]可得，僅雙塊式軌道滿足要求。

5 結論

本文在對復合軌枕與道床板間破壞原因分析的基礎上，建立了長枕埋入式和雙塊式復合軌枕無砟軌道有限元模型?；谟邢拊Ｐ?，分析了不同降溫幅度和溫度梯度下復合軌枕無砟軌道的離縫情況。主要結論如下。

(1)整體降溫下，兩種軌道結構均會產生離縫，綜合考慮離縫和軌距限值，則長枕埋入式軌道最大降溫幅度為7 ℃，雙塊式軌道的最大降溫幅度為11 ℃。

(2)溫度梯度作用下，兩種軌道結構均不產生離縫；雙塊式軌枕在溫度梯度下滿足軌距變化要求，長枕在正溫度梯度為90 ℃/m時軌距超標，不滿足要求。

(3)從軌道結構對溫度變化的適用性角度考慮，建議在較小溫差地區(如隧道)鋪設雙塊式軌道結構，并嚴格控制混凝土澆筑溫度。