复合轨枕无砟轨道温度适应性分析

耿 浩，赵 健，沈毓婷，姚 力

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031； 2.中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844； 3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

再生复合轨枕(以下称复合轨枕)作为一种新型轨枕，以废旧塑料、轮胎以及油漆等难降解高分子废弃物为原料，并以玻璃纤维等为加劲物质辅以其他化学添加剂制成。与混凝土枕相比，复合轨枕弹性好、质量轻、施工操作方便，其有砟轨道结构已应用于货运铁路和城市公共交通线，如在我国山西中南部铁路通道K534+500～ K535+500路基段铺设了复合轨枕有砟轨道试验段。

目前，国内外学者主要针对复合轨枕材料组分、轨枕特性及其轨道动力性能方面展开研究。在材料组分方面，肖生苓等[1-2]对铁路轨枕复合材料组分进行研究，并对复合轨枕的结构设计进行探究。王守琛[3]在研究国内外复合轨枕成分和制作流程的基础上，提出轨枕的各组分的最佳比例。在轨枕特性方面，Richard Lampo[4]通过测定复合轨枕弹性模量、极限强度等参数，分析可能产生运营事故的因素。段海滨等[5]研究了螺纹道钉抗拔力对复合轨枕的影响，分析了道钉上拔过程中轨枕位移和应力应变情况。在复合轨枕动力特性方面，文献[6]通过建立复合轨枕有砟轨道动力学模型，分析复合轨枕有砟轨道各部分垂向动力特性。沈毓婷等[7]研究了桥上复合轨枕无砟轨道垂向动力性能，并与双块式轨枕动力响应进行对比分析。文献[8]通过研究复合轨枕无砟轨道疲劳试验，分析了轨道各部件在疲劳加载前后位移和受力变化情况。然而实际使用过程中发现，复合轨枕材料的线膨胀系数(1.18×10-4℃-1)约是混凝土线膨胀系数(1.0×10-5℃-1)的10倍[6]，若将复合轨枕应用于无砟轨道，在温度荷载作用下，复合轨枕与混凝土道床板接触面局部区域可能出现分离，即离缝[9-11]。由于复合轨枕无砟轨道在我国尚未有铺设先例，目前关于温度荷载作用下复合轨枕无砟轨道离缝的产生和发展情况以及轨道结构的几何形位变化等问题均未有较明确的文献说明。因此，以长枕埋入式和双块式复合轨枕无砟轨道为研究对象，分析了两种轨道结构在整体温度荷载和温度梯度作用下轨枕—道床板间离缝产生情况和轨距变化量，为今后深入研究温度作用对复合轨枕轨道结构的破坏和不良影响提供一定的理论参考。

1 分析模型的建立

1.1 长枕埋入式和双块式有限元模型

采用有限单元法，建立了如图1所示包括钢轨-扣件系统-轨枕-道床板-地基等主要结构的长枕埋入式和双块式复合轨枕无砟轨道有限元模型。

图1 复合轨枕无砟轨道结构有限元模型

在建立的有限元模型中，钢轨采用CHN60轨，用欧拉梁单元模拟；扣件系统采用线性弹簧单元模拟；轨枕采用实体单元模拟；道床板采用实体单元模拟，混凝土强度等级为C40；底座板采用实体单元模拟，混凝土强度等级为C40。结构各部分具体参数如表1所示[16]。

表1 材料参数

在理论模型中，若复合轨枕与道床板间采用共节点处理，则无法确定可能存在的离缝大小，因此对于复合轨枕与道床板之间联结，基于以下两条假设做出简化：(1)道床板与轨枕各接触面处混凝土均匀分布；(2)接触区域面混凝土仅受垂直于接触面方向轴向拉力，并在其达到抗拉强度后破坏。故在轨枕与道床板各接触面采用非线性弹簧模拟，离缝值通过非线性弹簧变形量来表示。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)附录C2.3，可以得到C40混凝土应力-应变关系曲线，再由本构关系曲线得到轨枕与道床板接触面区域非线性弹簧力-位移曲线，如图2所示[12-13]。

图2 非线性弹簧单元力-位移曲线

1.2 温度荷载

一般情况下，对模型施加温度荷载时，应考虑整体温度和温度梯度两种温度荷载[14-15]。在隧道内，轨道结构各部分温度基本相同，因此施加整体温度可以模拟隧道内复合轨枕无砟轨道的温度适应性情况。而在露天环境下，由于混凝土和复合轨枕热传导性较差，最上层混凝土道床板与轨枕直接受日照和大气温度的影响或遇到冷空气侵袭等情况形成正温度梯度或者负温度梯度，进而使得道床板和轨枕产生翘曲变形，因此需要考虑温度梯度作用下的复合轨枕无砟轨道的破坏情况[17-18]。

2 轨道性能指标的确定

本文选用轨枕-道床板间离缝值和轨距变化量两个参数作为复合轨枕无砟轨道温度适应性指标。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》对三级裂缝的控制要求，控制离缝宽度为0.2 mm[19]；根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，无砟轨道相对于标准轨距1 435 mm的容许偏差为±1 mm。

3 计算工况的确定

对每种轨道结构施加整体降温和温度梯度两种温度荷载。整体降温作用下，降温最大幅值取为30 ℃[20]。为分析不同降温下轨道温度适应性，设置降温10，20，30 ℃三种工况；温度梯度作用下，设置正、负温度梯度。其中最大正温度梯度取为90 ℃/m，最大负温度梯度取为45 ℃/m[21]。

4 计算结果分析

为了消除边界条件的影响，选取3块处于中间位置的道床板作为研究对象。经理论计算可得，轨枕与道床板接触各边均产生离缝，为方便表述，轨枕各边离缝示意如图3所示。

图3 温变下轨枕各边离缝示意

4.1 整体降温作用

对长枕埋入式复合轨枕无砟轨道分别整体降温10，20，30 ℃时，该轨枕各边与道床板之间的离缝情况如图4所示。

由图4可以看出，在整体降温下，长枕轨枕横向和纵向均与道床板产生离缝，且随着降温幅度的增加，轨枕横向、纵向各处离缝值均不断增大，其中，横向离缝最大值由0.15 mm增大到0.45 mm，纵向离缝最大值从0.3 mm增大到0.91 mm。各个温降幅度下轨枕横向和纵向离缝变化情况大致相同，对于轨枕横向离缝，轨枕两端离缝值较轨枕中间部分小且二者差距不断增大，但二者最大差值仅约为0.05 mm，可以近似认为各处离缝值大致相同；对于轨枕纵向离缝，虽然离缝的分布状况与轨枕横向离缝相同，但轨枕端部离缝值与轨枕中部的离缝值相差较大且差距不断增加，两者差值从0.7 mm增大到约2 mm，因此在整个轨枕宽边范围内仅中部0.06～0.18 m离缝值大致相同。由以上分析可得，在相同的降温条件下，沿轨枕破坏更为严重，温度每降低10 ℃，轨枕横向离缝最大值增大约0.15 mm，而轨枕纵向增大约0.3 mm，说明沿轨枕纵向对温度变化更为敏感。

图4 整体降温下长枕埋入式复合轨枕离缝值

在整体降温下，双块式轨枕横向和纵向均与道床板产生离缝，如图5所示。随着降温幅度的增加，轨枕横向和纵向各处离缝值均逐渐增大，其中横向离缝最大值由0.14 mm增大到0.42 mm，纵向最大值由0.19 mm增大到0.58 mm，两方向上增大幅度大致相同；各降温幅度下轨枕横向和纵向离缝分布情况大致相同，对于轨枕横向离缝，各处离缝值大致相同，对于轨枕纵向离缝，轨枕端部与中部离缝值相差较大，二者最大差值达到0.12 mm，离缝值仅在轨枕宽0.06～0.18 m范围内大致相同。由以上分析可得，双块式复合轨枕在温降下纵向离缝略大于横向，每降温10 ℃，横向离缝最大值增大约0.14 mm，纵向增大约0.19 mm，两方向上对温度敏感程度大致相同。

图5 整体降温下双块式复合轨枕离缝值

图4和图5对比后可以看出，由于复合轨枕材料和混凝土线膨胀系数相差较大，因此两种轨枕均在降温幅度较小时与道床板间产生离缝。在相同的温降幅度下，轨枕横向和纵向离缝分布基本相同，且轨枕横向离缝值大致相同，但双块式轨枕纵向离缝值较小，仅为对应处长枕轨道离缝值64%，且每降温10 ℃，双块式轨枕纵向离缝增加量仅为长枕轨枕的50%。

由图6可以看出，随着降温幅度的增加，两种轨道结构的轨距变化量均逐渐增大，其中长枕埋入式轨距缩小量最大值从0.57 mm增大到1.72 mm，双块式轨距缩小量最大值从0.19 mm增大到0.57 mm。另外，两种轨道结构的轨距缩小量均沿道床板纵向先增大后减小，在道床板中部到达最大值。通过对比可得，双块式轨道结构的轨距缩小量始终小于相同降温条件下的长枕埋入式轨距缩小量，由文献[21]可得，无砟轨道相对于标准轨距1 435 mm的容许偏差为±1 mm，因此双块式轨道始终能够满足要求。

图6 整体降温下复合轨枕无砟轨道轨距变化量

两种轨道结构各降温幅度下离缝和轨距变化量最大值与限值关系如图7所示。根据文献[19]，则长枕埋入式轨道最大降温值为7 ℃，双块式轨道最大降温范围为11 ℃；根据文献[21]，则长枕埋入式轨道最大降温幅度为18 ℃，双块式轨道最大降温幅度可超过30 ℃。

图7 整体降温下复合轨枕离缝与轨距变化限值

4.2 温度梯度作用

4.2.1 负温度梯度

由图8、图9可知，在负温度梯度作用下，两种轨枕的轨枕横向和纵向与道床板间离缝值均为负值，则实际状态下轨枕与道床板间为相互挤压，界面未产生离缝；在相同的轨枕高度处，两种轨枕与道床板间压缩量基本相同。

图8 负温度梯度下长枕埋入式复合轨枕离缝值

图9 负温度梯度下双块式复合轨枕离缝值

由图10可得，在负温度梯度下，两种轨道结构的轨距几乎不变，其中长枕埋入式轨距扩大最大值为0.15 mm，双块式轨距扩大最大值为0.07 mm，且两种轨道结构在道床板纵向0.6～3.6 m范围内轨距基本不变。根据文献[21]，二者均能满足要求。

图10 负温度梯度下轨距扩大量

4.2.2 正温度梯度

由图11、图12可以看出，正温度梯度下，两种轨枕与道床板间处于压缩状态，未产生离缝；在轨枕高度相同时，两种轨枕与道床板间压缩量基本相同。综上，温度梯度作用下，两种轨道结构均不会出现离缝现象。

图11 正温度梯度下长枕埋入式复合轨枕离缝值

图12 正温度梯度下双块式复合轨枕离缝值

图13 正温度梯度下轨距扩大量

由图13可得，两种轨道结构在正温度梯度下轨距均扩大，且二者均随着轨道纵向轨距扩大量先增大，后减小，长枕埋入式轨距扩大量最大值为1.2 mm，双块式轨距扩大量为0.4 mm，由文献[21]可得，仅双块式轨道满足要求。

5 结论

本文在对复合轨枕与道床板间破坏原因分析的基础上，建立了长枕埋入式和双块式复合轨枕无砟轨道有限元模型。基于有限元模型，分析了不同降温幅度和温度梯度下复合轨枕无砟轨道的离缝情况。主要结论如下。

(1)整体降温下，两种轨道结构均会产生离缝，综合考虑离缝和轨距限值，则长枕埋入式轨道最大降温幅度为7 ℃，双块式轨道的最大降温幅度为11 ℃。

(2)温度梯度作用下，两种轨道结构均不产生离缝；双块式轨枕在温度梯度下满足轨距变化要求，长枕在正温度梯度为90 ℃/m时轨距超标，不满足要求。

(3)从轨道结构对温度变化的适用性角度考虑，建议在较小温差地区(如隧道)铺设双块式轨道结构，并严格控制混凝土浇筑温度。