无砟轨道弹性地基梁板模型分析

无砟轨道弹性地基梁板模型分析【摘要】：随着科学技术的不断发展，在高速铁路的基础上，稳定性、安全性更好的无砟轨道逐渐代替了常规的铁路轨道，无砟轨道的轨枕本身就是由混凝土浇筑而成，钢轨直接铺设在混凝土的路基上，这种轨道既能降低铁路轨道的维修成本，又能降低粉尘，有良好的经济和环境效益，属于当今世界先进的轨道技术，在我国当前的高速铁路轨道建设中也开始越来越多地使用。但在工程施工前，对无砟轨道各结构层的荷载弯矩是一个复杂的问题，本文简单地对无砟轨道弹性地基梁板模型进行了分析，阐述了这种计算模型应用在无砟轨道的荷载弯矩计算中的合理性。【关键字】：无砟轨道；弹性地基；梁板模型中图分类号：tu471.2文献标识码：a文章编号：常规的铁路轨道须在地面上铺一层散碴作为基础，再铺设枕木，钢轨，这样的铁路轨道作为高速铁路的基础，在实践中出现了砟粉化严重的现象，使得轨道的维修频繁，提供了轨道维修的成本，且舒适性和安全性也都较差。无砟轨道，又称为无碴轨道，即是一种以混凝土或沥青砂浆代替常规铁路的小石子而组成的轨道结构型式，无砟轨道的稳定性好、耐久性强、刚度均匀，且维修的工作量小，因而在高速铁路和客运专线中得到了越来越广泛的应用。在无砟轨道工程的建设前，对无砟轨道各结构层的荷载弯矩进行计算十分重要，而如根据实际情况选择合适的地基计算模型也是一个比较复杂的问题。目前，在无砟轨道钢轨、道床板和支撑层荷载弯矩的计算中比较常用的三种计算模型是叠合梁模型、梁体模型和梁板模型。一、叠合梁模型和梁体模型叠合梁是指在装配整体结构中分两次浇捣混凝土的梁，在使用弹性地基叠合梁模型进行无砟轨道的荷载弯矩计算时，钢轨、道床板和支撑层都被视作梁，能够计算出在荷载的作用下，各层梁，即是钢轨、道床板和支撑层的唯一、剪力和弯矩。弹性地基的梁体模型一般可以用来计算竖向荷载作用下钢轨的位移分布和弯矩，道床板和支撑层的位移和纵横向应力的分布，并通过对道床板和支撑层的位移、纵横方向应力的分布进行反计算，从而得到二者的弯矩分布。二、无砟轨道弹性地基梁板模型弹性地基梁板模型在计算时会考虑到整体的弯曲变形的影响，能够计算出在竖向的符合作用下，无砟轨道的钢轨、道床板和支撑层的弯矩分布及位移情况，还能计算出道床板和支撑层每延米范围内的纵向和横向弯矩。无砟轨道的结构层在厚度上的尺寸要比纵向和横向上的尺寸小得多，且荷载作用下无砟轨道的挠度比厚度小，因而比较适合使用薄板模拟，而由于无砟轨道钢轨的细长结构，在计算时适合使用梁模拟，因此，弹性地基梁板模式比较适应于无砟铁轨的荷载弯矩应力计算。无砟轨道弹性地基梁板模型包括钢轨、扣件、道床板、ca砂浆、基础和支撑层。扣件双层弹性模型又包括轨下胶垫、铁垫板和板下胶垫。（一）、弹性地基梁板模型理论无砟轨道弹性地基梁板模型采用的是文克尔（winkler）假定，文克尔地基模型是由捷克工程师e·winkler提出的一种计算铁路钢轨的荷载应力的线弹性地基模型，这是一种最简单的线弹性地基模型，这种模型的实质是由阿基米德浮力定律推论而来，即是将地基看成是无数个没有关联的弹簧组成，文克尔地基模型的计算方法比较简单，能够进行手算。（二）、弹性地基梁板模型设计原则常规的混凝土板设计应力的原则是按照荷载和温度产生的疲劳应力与翘曲应力之和，在考虑其他的参数和可靠度系数，使设计应力值小于等于混凝土的弯拉强度值。兰乌二线无砟轨道由于环境地形等原因，轨道的荷载较大，因此在设计时应考虑钢轨、道床板和支撑层的抗弯、抗剪强度和限裂性。（三）、弹性地基梁板模型结构分析无砟轨道的弹性地基梁板模型钢轨使用弹性垫支撑梁模拟；根据兰乌二线无砟轨道采用wj-88型或者其他同等性能弹性扣件的要求，在模拟时可以采用双层弹性模型，进行计算时采用动刚度；兰乌二线无砟轨道的道床板要求使用c40混凝土，分单元现场浇筑，单元道床板的结构要求一般为19.5m（5×3.9m），支撑层的宽度和厚度分别为3400mm和265mm，因而，进行弹性地基梁板模型的设计时，可以在道床板和支撑层之间采用板壳单元模拟，且由于不使用ca砂浆，根据两层版之间无弹性层的状态，可以根据实际的情况采用结合式或者分离式的双层模型结构，而由于支撑层采用水硬性混合料，弹性地基梁板模型的弹性模量取值应该考虑到由于开裂而可能引起的折减；模型中间的弹性层和基础的竖向支撑使用连续性地基模型计算，即是按照文克尔假设，采用连续均匀的线弹簧地基模型。（四）、三种模型计算对比根据兰乌二线施工工程概况，参考下表一中乌兰二线无砟轨道的设计参数，分别使用叠合梁模型、梁体模型和弹性地基梁板模型对无砟轨道的荷载弯矩应力进行计算。表一兰乌二线无砟轨道设计参数根据计算结果，可知弹性地基梁板模型中道床板和支撑层由于纵横方向的约束力比较强，在荷载作用下发生空间弯曲的纵向正、负弯矩都比叠合模型的要小，而与梁体模型道床板和支撑层的纵向正弯矩相差不是太大，而由于其结构层之间的约束更强，道床板和支撑层的纵向负弯矩比梁板模型的还要小。而在利用三种模型进行计算的过程中，没有荷载作用的情况下，两个和三个扣件的距离会存在比较大的横向弯矩，而无砟轨道弹性地基叠合梁模型在计算横向的弯矩时，只取了一个枕跨值进行计算，从而忽略了邻跨道床板对荷载应力的分散作用，使得最终的计算结果偏大，而梁体模型和梁板模型的吻合较好，但是梁体模型结构间的约束比较大，且计算量也较大。因而，在无砟轨道的荷载弯矩计算中，弹性地基梁板模型更加合理科学，而通过遂渝线的设计资料采用弹性地基梁板模型计算出的结果值同之后的实测值相比较后，也用实践验证了弹性地基梁板模型的合理性和有效性。结语：无砟轨道弹性地基梁板模型比起传统的地基计算模型，能够更好地模拟无砟轨道的结构和受力特点，计算出钢轨、道床板和支撑层在各个空间里的位移分布和弯矩分布，且比起叠合梁模型和梁体模型，计算的误差更小，更能反映出无砟轨道各个空间变形的协调条件，在对无砟轨道的荷载和弯矩进行模拟和计算时更加合理有效。参考文献[1]赵坪锐，章元爱，刘学毅，郭利康.无砟轨道弹性地基梁板模型.[j].中国铁道科学，2009，30（03）：1-4.[2]赵坪锐，刘学毅.双块式轨道支撑层开裂时的折减弹性模量研究.[j].西南交通大学学报，2008，43（04）：459-464.[3]高耀耀，高增增.两种板式无碴轨道的力学对比分析.[j].四川建筑，2009，39（1）：143-144.[4]刘玉祥，闫红亮，管吉波.石太客运专线板式无碴轨道两种计算模型的对比分析.[j].铁道标准设计，2007，（11）：5-6.[5]中铁二院工程集团有限责任公司，中国铁道科学研究院，中铁八局集团有限公司.遂渝线无砟轨道综合实验段关键技术实验研究总报告.[r].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2007.