无砟轨道-沥青混凝土封闭层荷载传递特性分析.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07012207无砟轨道-沥青混凝土封闭层荷载传递特性分析姚明昕1 肖宏1 石越峰2，3 楼梁伟2，3 吕宋2，31.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081摘要 采用有限元软件建立不同类型无砟轨道-传统路基结构/沥青混凝土面路基结构体系仿真分析模型，通过京沈高速铁路现场实测数据对模型进行验证，对比分析了沥青混凝土层对无砟轨道-路基结构体系荷载传递规律的影响。结果表明：与传统路基结构对比，沥青混凝土面路基结构受力更优，且均具有较好的适应性；增设沥青混凝土层后，路基内荷载扩展范围增大了0.10.3 m，底座板边缘位置应力衰减速率增大一倍，沥青混凝土层具有良好的应力扩散作用；沥青混凝土层有利于改善路基结构受力，且不同类型无砟轨道中改善深度为1.22.3 m；无砟轨道-路基结构体系竖向应力随深度增加呈指数型减小，各结构层均存在应力突变现象，应注意疲劳损伤问题。关键词 高速铁路路基；无砟轨道；沥青混凝土层；有限元分析；荷载传递；竖向应力；应力扩散角中图分类号 U213.1 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.24引用格式：姚明昕，肖宏，石越峰，等.无砟轨道-沥青混凝土封闭层荷载传递特性分析 J.铁道建筑，2023，63（7）：122128.无砟轨道已成为我国时速250 km以上高速铁路最常用的轨道结构形式1。近年来，部分学者研究提出用于高速铁路无砟轨道地段的沥青混凝土面路基结构，以期解决轨道-路基结构长效防水封闭难题，同时兼具强化基床表层的作用2-3。沥青混凝土在公路领域应用最为广泛。尹锋4采用模型试验、数值仿真及理论分析相结合的方式，对静动荷载耦合作用下高速公路路面-路堤-地基结构荷载传递机理进行研究，对比分析了沥青路面加铺厚度对结构体系动力响应的影响。姜大勇5研究了路面结构在不同服役情况下的力学响应和空间应力状态，并分析了拉应力与剪应力在沥青路面中的分布规律。刘大维等6建立三维有限元模型，分析了重型车辆多轮动荷载作用下柔性沥青路面的动力响应。由于汽车轮载与高速铁路列车荷载幅值、作用方式存在较大差异，公路领域的研究成果无法直接用于铁路沥青混凝土封闭层的设计与维修。张鲁顺等7建立了双块式无砟轨道静动力学分析模型，对荷载的传递规律进行了研究。刘钢等8-9对路基面动应力的影响范围、幅值及沿深度的分布规律进行分析，得到了路基面动应力幅值计算公式。李扬波等10建立无砟轨道-路基-地基有限元模型，分析了轨道-路基参数对高速铁路路基各层动应力响应的影响。蔡成标等11建立了列车-路基上板式轨道耦合动力学模型，分析了路基不均匀沉降对轮轨动力学性能的影响。陈鹏等12通过建立有限元模型，计算了路基沉降条件下轨道板的弯矩，并与简化算法进行了对比。周颖等13通过有限元软件对扣件的荷载分配以及路基内部的应力变化情况进行了分析。胡静14以高速铁路为研究对象，基于弹性波动理论，采用2.5维有限元数值手段与现场测试相结合的方式，研究了交通荷载作用下轨道-路基-地基的动力响应。边学成等15利用全比尺路基动力试验装置开展试验，对高速铁路板式轨道与路基动力相互作用及列车荷载在扣件位置处的荷载分担比和路基动力响应进行了分析。综上，现阶段铁路领域主要集中在无砟轨道-传统路基结构荷载传递特性的研究，而沥青混凝土面路基作为新型路基结构，亟须开展相关结构荷载传递特性的收稿日期：20230323；修回日期：20230512基金项目：国家自然科学基金（41972299，41731288）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（K2020G032）；山东铁投集团科技计划（TTKJ2021-07）第一作者：姚明昕(1998)，女，硕士研究生。E-mail：通信作者：肖宏(1978)，男，教授，博士。E-mail：第 7 期姚明昕等：无砟轨道-沥青混凝土封闭层荷载传递特性分析研究。本文采用有限元软件建立无砟轨道-传统路基结构/沥青混凝土面路基结构精细化分析模型，采用京沈高速铁路现场实测数据验证模型的准确性，并分析列车荷载作用下结构荷载传递规律，为后续无砟轨道-路基结构体系的设计优化提供参考。1 列车荷载传递模型建立与验证 1.1计算模型及参数建立CRTS型、CRTS型、CRTS型板式和双块式四种无砟轨道-传统路基结构/沥青混凝土面路基结构的荷载传递计算模型。传统路基结构由0.4 m厚基床表层和2.3 m厚基床底层构成；沥青混凝土面路基结构由0.1 m厚沥青混凝土层、0.3 m厚基床表层和2.3 m厚基床底层构成。1.1.1无砟轨道模型及材料参数模型各结构层均采用实体单元进行模拟，采用八结点线性六面体单元（C3D8R）进行网格划分，共节点方法建模。为更好地模拟荷载传递路径，同时兼顾计算效率，对各结构层网格进行加密，横向沿轨道中心线取一半结构，纵向取一块轨道板长度进行模拟。模型均采用60 kg/m钢轨，弹性模量206 GPa；扣件采用弹簧进行模拟，垂向静刚度为 35 kN/mm，横向静刚度为 50 kN/mm，纵向阻力为 9 kN/组。四种无砟轨道结构和路基结构基本参数见表1。其中：轨道板（道床板）、底座板（支承层）密度为 2 500 kg/m3，泊松比为 0.167；沥青混凝土层密度为 4 000 kg/m3，泊松比为0.250；基 床 表 层 弹 性 模 量 为 350 MPa，密 度 为2 100 kg/m3，泊松比为 0.25；基床底层弹性模量为260 MPa，密度为 2 000 kg/m3，泊松比为0.25。高速列车荷载作用时间极短，且作用期间温度基本无变化，因此沥青混凝土的黏弹特性无法充分发挥。根据文献 16-18，沥青混凝土的材料属性按照不同季节的典型弹性模量进行选取，春、夏、秋、冬四季分别为4 000、1 200、3 000、12 000 MPa。1.1.2相互作用和边界条件CRTS型、CRTS型板式和双块式无砟轨道各结构层均采用绑定处理；CRTS型板式无砟轨道预制复合板与底座板之间设置隔离层土工布，摩擦因数取为0.715，凸台和凹槽之间切向采用0.5摩擦接触，法向采用接触刚度模拟弹性垫层，刚度取30 kN/mm16。轨道结构与路基间法向采用硬接触，切向采用0.7摩擦接触。模型纵向边界和线路中心边界（模型左侧）分别采用ZSYMM和XSYMM进行对称约束，模型底部采用完全固定约束。1.1.3载荷根据 TB/T 34662016 铁路列车荷载图式 和TB 106212014 高速铁路设计规范，当无砟轨道进行设计校核时高速铁路列车轴重取20 t，间距为1.6 m，但本文主要研究现场应用问题，考虑最不利情况，列车荷载取我国高速铁路列车最大静轴重17 t，将一个转向架简化为两个集中荷载施加在钢轨上，两集中力间距取2.5 m。以 CRTS型板式无砟轨道为例，荷载传递计算模型见图1。1.2模型验证将板式无砟轨道静力传递模型计算结果与京沈高速铁路辽宁段的现场测试结果进行对比。试验段表1不同无砟轨道类型的模型基本参数轨道结构轨道板（道床板）填充层底座板（支承层）尺寸（长 宽 高）/mm弹性模量/GPa厚度/mm弹性模量/GPa密度/（kgm-3）尺寸（宽 高）/mm弹性模量/GPa轨道类型CRTS型板式4 962 2 400 19036.5500.22 5002 800 30033CRTS型板式6 450 2 550 20036.0308.51 6002 950 30030CRTS型板式5 600 2 500 21036.510032.52 5003 100 30033双块式2 800 260（纵向连续）32.53 400 30022图1荷载传递计算模型123铁道建筑第 63 卷工点里程为DK497+800，位于三棱山隧道口外直线路基地段。现场使用石基压电传感器和光纤光栅式压力传感器测试自密实混凝土底部压应力，考虑1.5倍动力系数模拟列车动荷载，对比结果见图2。可知：实测与仿真结果变化规律基本一致，压应力纵横向分布均在荷载作用位置取得最大值，纵向分布实测和仿真结果最大值分别为145.08、131.08 kPa，横向分布最大值分别为133.16、128.81 kPa，误差均在10%以内；沿横向在轨道板中部仿真结果应力较小，与模型沿线路中心线取一半结构，未考虑横向两轮载叠加效应有关。综上，本文所建立的模型可用于模拟列车荷载传递规律的研究。2 列车荷载传递路径分析 与路基结构对比，无砟轨道结构弹性模量较大，应力仅在荷载作用位置小范围内传递，路径较清晰，复合板（道床板）以下结构无明显的传递规律，且应变作为直接量可以更好地分析列车荷载的传递规律。因此，提取竖向应变分析轨道结构内荷载的传递路径。2.1不同无砟轨道结构荷载传递横向分布规律在轮载作用下有无沥青混凝土层时四种无砟轨道结构类型的轨道板（道床板）、填充层和底座板（支承层）应变横向分布云图见图3图6。由图3图6可知：1）除 CRTS型板式无砟轨道外，荷载在复合板（道床板）内传递范围较小，在底座板（支承层）整个横截面内均匀分布，横向两扣件间无叠加现象。2）四种无砟轨道-沥青混凝土面路基（传统路基）结构复合板（道床板）底部横向影响范围占轨道板宽度的分布范围和应变值差异较小，铺设沥青混凝土层对无砟轨道荷载传递规律、分布范围等基本无影响。图2自密实混凝土层底部应力分布图3CRTS型板式无砟轨道应变横向分布云图图4CRTS型板式无砟轨道应变横向分布云图图5CRTS型板式无砟轨道应变横向分布云图图6双块式无砟轨道应变横向分布云图124第 7 期姚明昕等：无砟轨道-沥青混凝土封闭层荷载传递特性分析3）由于四种无砟轨道结构形式不同，特别是各结构层的弹性模量及层间接触关系不同，导致其应变分布有所差异。CRTS型板式无砟轨道，在低弹性模量 CA 砂浆层内应变最大；CRTS型板式无砟轨道，高弹性模量 CA 砂浆层内应变大于轨道板底部；CRTS型板式无砟轨道因复合板与底座板之间采用摩擦接触，轮载在底座板范围内主要从承轨台对应位置向下传递；双块式无砟轨道道床板在承轨台对应位置受力最大，向下逐渐减小并扩展至整个横截面。2.2不同无砟轨道结构荷载传递纵向分布规律不同无砟轨道-传统路基结构和沥青混凝土面路基结构在复合板（道床板）上表面竖向应变值相差较小。现场使用较多的CRTS型板式和双块式无砟轨道结构竖向应力、应变横纵向分布见图7图10。由图7图10可知：1）两种路基结构应变在复合板（道床板）内呈扇形分布，向下传递影响范围逐渐扩散至整个横截面，与应力分布一致，均在荷载作用位置达到最大值，向两侧逐渐减小，复合板（道床板）为主要承载区域。2）两种路基结构两轴载间的扣件受力大于两侧位置，轮载主要由5对扣件承担，自轮载作用位置前后两个扣件长度范围内CRTS型板式和双块式无砟轨道应力分别衰减了 70.83%、70.25%。从左至右 5对扣件的荷载分担比分别为 8.93%、17.97%、30.62%、24.22%、18.25%（CRTS型板式），9.94%、20.52%、31.84%、22.31%、15.39%（双块式）。3）沥青混凝土面路基结构竖向应力略小于传统路基结构，即铺设沥青混凝土层可改善轨道结构受力，且对于不同无砟轨道结构，沥青混凝土层均具有较好的适应性。2.3列车荷载在路基内传递规律不同于轨道结构，路基结构主要由土、碎石等材料组成，采用应力来表征其受力与荷载传递特性。由于沥青混凝土面路基结构采用10 cm厚沥青混凝土层等厚度代替级配碎石，故选取基床深度10 cm处进行分析，列车荷载作用处路基内荷载传递横向分布曲线见图11。可知：1）除双块式无砟轨道外，其他三种无砟轨道结构均在底座板（支承层）边缘位置存在明显的应力集中现象，传统路基结构路基面竖向应力明显大于沥青混凝土面路基结构，表明铺设沥青混凝土层可优化下部路基受力，减少路基病害的产生。2）传统路基结构在底座板（支承层）边缘位置应力衰减速率大于沥青混凝土面路基结构，按照95%最大应力考虑，铺设沥青混凝土层后四种无砟轨道结构应力扩展范围增加了0.10.3 m，沥青混凝土层具有良好的应力扩散作用，使底座板（支承层）边缘位置应力集中减弱。3）根据传统路基结构基床表层顶面竖向应力分布规律可知，由于CRTS型、CRTS型板式无砟轨道设置了CA砂浆层，整体刚度较小，因此路基中竖向应图7CRTS型板式无砟轨道应变分布云图图8CRTS型板式无砟轨道板上表面竖向应力分布曲线图9双块式无砟轨道应变分布云图图10双块式无砟轨道板上表面竖向应力分布曲线125铁道建筑第 63 卷力约为CRTS型板式和双块式无砟轨道的23倍，且荷载作用区域更集中。2.4应力扩散角应力扩散角是影响路基厚度、确定加固区域的关键因素。本文采用Lawton提出的根据95%的轮载分布面积进行计算，以减小因应力分布不均匀导致的计算误差。沥青混凝土面路基结构基床底层应力沿轨道纵向分布见图12。可知：竖向应力沿线路纵向可看作正态分布，即XN（，2）。对CRTS型板式无砟轨道进行分析，假设应力沿横向均匀分布，则梯形体荷载平衡方程为p=0.95bz-lz2lz2pz(x，y)dxdy（1）式中：p为列车荷载，取340 kN；pz为地基表面应力分布；lz、bz为地基表面应力分布的长度和宽度，分别取5.6、3.1 m；z为路基厚度，取2.7 m。通过计算可得，传统路基结构和沥青混凝土面路基结构的应力扩散角分别为 21.18、20.60，仅相差0.58，荷载在路基内的分布范围基本一致，即两种路基结构基床底层下表面应力峰值基本一致。结合2.3节的分析，沥青混凝土层只在一定深度范围内对基床受力具有改善作用。3 整体传递路径分析 为分析四种无砟轨道-路基结构体系竖向应力沿深度变化规律，提取轨下对应位置轨道板（道床板）上表面至基床底层下表面竖向应力（压应力）分布曲线（图13），按照最大竖向应力95%分布范围进行分析。可知：随着深度的增加，竖向压应力逐渐减小，并呈指数型分布。主要原因为列车通过时，轨道结构作为主要承载区域，列车荷载在此范围内快速衰减，自轨道图11路基面荷载应力横向分布曲线图12沥青混凝土面路基结构基床底层应力纵向分布图13竖向应力沿深度的分布规律126第 7 期姚明昕等：无砟轨道-沥青混凝土封闭层荷载传递特性分析板以下衰减速率逐渐减小，设计过程中应重点关注受动应力影响较大的轨道板区域。轮载影响范围为自轨道板（道床板）上表面以下0.4 m，0.4 m深度以下竖向应力逐渐趋于0。为更好地分析轮载在路基结构内的垂向传递规律及沥青混凝土层对路基受力的影响，提取四种无砟轨道路基结构内不同横向位置动应力沿深度的衰减系数及轨下不同深度处竖向应力，见图14、图15。由图14、图15可知：1）无论是否设置沥青混凝土层，衰减系数沿深度均呈逐渐减小趋势，沿横向自轨道中心、钢轨下至底座板边缘，应力衰减逐渐加快。2）根据我国高速铁路无砟轨道基床结构厚度，对路基面以下2.7 m处应力衰减系数分析可知，轨道中心和钢轨下对应位置两种路基结构应力衰减速率基本一致，四种无砟轨道结构底座板边缘位置应力衰减系数沥青混凝土面路基结构的分别为 0.109、0.082、0.128、0.377，传统路基结构的分别为 0.225、0.173、0.251、0.825，且应力经过0.1 m厚沥青混凝土层传递减小了约60%，表明沥青混凝土层有利于应力的衰减与扩散。3）由轨下位置竖向应力沿深度衰减变化曲线可知，与传统路基结构对比，除CRTS型板式无砟轨道略大外，其他三种无砟轨道结构竖向应力明显减小，因无砟轨道结构类型不同，沥青混凝土层影响深度分别为2.24、1.21、2.30 m，此范围以下两种路基结构竖向应力幅值基本一致，表明铺设沥青混凝土层可在一定深度范围内改善路基结构受力。4 结论 1）铺设沥青混凝土层后，列车荷载作用下无砟轨道结构和路基受力更加均匀，表明在路基表层设置沥青混凝土全断面封闭层不仅可以起到防水的作用，还能很好地均化应力。从计算数据可知，相对于传统路基结构，采用沥青混凝土封闭结构的路基应力扩展范围增加了0.10.3 m、衰减速率增加了一倍，沥青混凝土层有利于应力的扩散和衰减。2）根据路基应力扩散角分析可知，沥青混凝土层可在一定深度内对基床受力进行改善，除CRTS型板式无砟轨道两种路基结构受力相差较小，其余三种无砟轨道结构沥青混凝土层影响深度分别为 2.24、1.21、2.30 m。3）无砟轨道-路基结构体系的竖向应力随深度增加呈指数型减小；在轨道板/道床板范围内应力衰减较快，底座板及以下区域应力衰减速率逐渐降低。在无砟轨道设计中，应重点关注受动应力影响较大的轨道板区域。参考文献1 张鲁顺，赵国堂.高速铁路双块式无砟轨道车辆荷载动态传递特征 J.哈尔滨工业大学学报，2020，52（9）：8-16.2 符庆宏，陈先华，蔡德钩，等.高速铁路路基全断面沥青混凝土防水封闭结构 J.中国铁道科学，2020，41（2）：24-33.3 ZHOU J，CHEN X H，FU Q H，et al.Dynamic Responses of Asphalt Concrete Waterproofing Layer in Ballastless TrackJ.Applied Sciences，2019，9（3）：1-19.4 尹锋.交通荷载下现役高速公路X形桩复合地基荷载传递机理与长期沉降研究 D.重庆：重庆大学，2019.5 姜大勇.沥青路面应力状态的动态演化及强度理论应用研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.图14不同结构的应力衰减系数图15不同结构的竖向应力127铁道建筑第 63 卷6 刘大维，戴宗宏，陈洋，等.车辆多轮动载作用下柔性路面动应力响应 J.中国公路学报，2017，30（11）：36-44.7 张鲁顺，禹雷，赵磊，等.列车荷载在双块式无砟轨道中静态传递特征研究 J.铁道科学与工程学报，2021，18（8）：1951-1959.8 刘钢，罗强，张良，等.高速铁路有砟轨道路基设计荷载分析 J.铁道科学与工程学报，2015，12（3）：475-481.9 刘钢，罗强，张良，等.列车荷载作用下无砟轨道路基动应力特性分析 J.铁道学报，2013，35（9）：86-93.10 李扬波，张家生，王晅，等.轨道-路基参数对高速铁路路基动应力响应的影响 J.中山大学学报（自然科学版），2018，57（6）：56-62.11 蔡成标，翟婉明，王开云.遂渝线路基上板式轨道动力性能计算及评估分析 J.中国铁道科学，2006，27（4）：17-21.12 陈鹏，高亮，马鸣楠.高速铁路路基沉降限值及其对无砟轨道受力的影响 J.工程建设与设计，2008（5）：63-66.13 周颖，陈瑾.高速铁路无砟轨道路基结构荷载传递规律研究 J.铁道工程学报，2016，33（5）：18-24.14 胡静.轨道交通引起的软土地基动力响应及沉降 D.杭州：浙江大学，2019.15 边学成，蒋红光，金皖锋，等.板式轨道-路基相互作用及荷载传递规律的物理模型试验研究 J.岩土工程学报，2012，34（8）：1488-1495.16 吕宋.高铁无砟轨道下沥青混凝土层服役性能及开裂机理研究 D.北京：北京交通大学，2019.17 闫宏业，蔡德钩，吕宋，等.列车荷载下高速铁路路基沥青混凝土层力学特性研究 J.铁道建筑，2019，59（7）：82-87.18 石越峰，楼梁伟，蔡德钩，等.基于KENTRACK的铁路沥青混凝土底砟层疲劳特性评价 J.铁道建筑，2020，60（4）：145-149.Analysis of Load Transfer Characteristics of Ballastless TrackAsphalt Concrete Sealing LayerYAO Mingxin1，XIAO Hong1，SHI Yuefeng2，3，LOU Liangwei2，3，LYV Song2，31.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Beijing Tieke Special Engineering Technology Co.Ltd.，Beijing 100081，China；3.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，ChinaAbstract Finite element software was used to establish simulation analysis models of different types of ballastless track-traditional subgrade structure/asphalt concrete pavement subgrade structure system.The model was verified by the field measured data of Beijing-Shenyang high-speed railway，and the influence of asphalt concrete layer on the load transfer law of ballastless track-subgrade structure system was comparatively analyzed.The results show that compared with traditional subgrade structures，asphalt concrete surface subgrade structures have better stress and better adaptability.After adding the asphalt concrete layer，the load expansion range in the subgrade is increased by 0.1 0.3 m，the stress attenuation rate at the edge of the base plate is doubled，and the asphalt concrete layer has a good stress diffusion effect.The asphalt concrete layer is conducive to improving the stress of subgrade structure，and the improvement depth in different types of ballastless track is 1.2 2.3 m.The vertical stress of ballastless track-subgrade structure system decreases exponentially with the increase of depth，and the stress abrupt phenomenon exists in each structure layer.Attention should be paid to fatigue damage.Key words high speed railway subgrade；ballastless track；asphalt concrete layer；finite element analysis；load transfer；vertical stress；stress diffusion angleCitation format：YAO Mingxin，XIAO Hong，SHI Yuefeng，et al.Analysis of Load Transfer Characteristics of Ballastless TrackAsphalt Concrete Sealing Layer J.Railway Engineering，2023，63（7）：122128.（编辑：刘莉 校对：苗蕾）128