框架梁式无砟轨道锚固支承结构计算分析

第１０卷第３期　铁道科学与工程学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩ　Ｌ＼／＼『ＡＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ０１．１Ｏ　ＮＯ．３　Ｊｕｎｅ　２０１３　２０１３年６月　框架梁式无砟轨道锚固支承结构计算分析　赵健　，赵国堂　（１．京沪高速铁路股份有限公司，北京１０００３８；　２．西南交通大学土木工程学院，四川成都６１００３１）　摘要：为选择适合我国到发线的无砟轨道结构，在无砟轨道再创新的基础上，结合发线无砟轨道结构的技术特点及技术　要求，提出框架梁式无砟轨道。它是一种适合高速铁路桥上车站到发线的新型无砟轨道形式，自下而上依次由底座板、预　制框架梁、锚固支承结构、扣件、钢轨组成。在充分考虑框架梁式无砟轨道结构系统特点、受力机理基础上，利用有限元法，　建立了框架梁式无砟轨道结构的静动力学分析模型，考虑在列车荷载、温度荷载及桥梁挠曲荷载组成的不同工况作用下，　对所设计的不同框架梁与底座板的锚固支承结构方案进行对比分析。研究结果表明：静力计算抗剪销＋５对胶垫方案最　优，Ｌ型支座＋５对胶垫方案次之，抗剪销＋ＣＡ砂浆方案最差，但这３种方案相差不大。　关键词：框架梁式无砟轨道；锚固支承结构；静动力特性　中图分类号：Ｕ２１３．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—７０２９（２０１３）０３—００１１—０５　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒａｇｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｌａｂ　ｔｒａｃｋ　ＺＨＡＯ　Ｊｉａｎ　，ＺＨＡＯ　Ｇｕｏｔａｎｇ　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ—Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　Ｃｈｉｎａ　ｔｏ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅｓ　ｏｆ　ｐａｓｓｅｎｇｅｒ。ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅ—ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ，ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ　ｔｙｐｅ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　Ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ。ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｌｉｎｅｓ　ｏｆ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ．Ｉｔ　ｉＳ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆ０ｒ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ｔｏ　ｓｅｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅ　ｔｒａｃｋ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａ　ｂａｓｅ　ｎｅｗ—ｓｙｌｅ　ｐｌａｔｅ，　ｐｒｅｃａｓｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ，ａｎｃｈｏｒ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒａｉｌ　ｆａｓｔｅｎｅｒ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｄｅｑｕａｔｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｅｃｈａｍｉｓｍ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂａｌｌｓｔａｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ．ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ　ｔｙｐｅ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｌｏａｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ．ｓｔａｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｈｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｃｈｏｒａｇｅ　ｏｆ　ｂａｓｅ　ｐｌａｔｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｐｉｎ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｖｅ　ｒｕｂｂｅｒ　ｐａｄｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ，Ｌ　ｔｙｐｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｆｉｖｅ　ｒｕｂｂｅｒ　ｐａｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ，ａｎｄ　ｓｈｅａｒ　ｐｉｎ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ＣＡ　ｍｏｔ－　ｔａｒ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉＳ　ｔｈｅ　ｗｏｒｓｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅｓｅ　ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｈａｖｅ　ｌｉｔｔｌｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌａｍｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ；ａｎｃｈｏｒａｇｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ；ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　我国客运专线铁路到发线多采用有砟轨道结　构，与正线的无砟轨道接轨存在诸如刚度过渡不均　匀、养护维修多等问题；如采用正线的无砟轨道结　构型式，施工困难、成本太高，因此，应设计结构相　对简单、经济可靠的到发线无砟轨道结构型式。到　发线无砟轨道不仅综合了无砟轨道的技术特点及　难点，且涉及许多与车站减振降噪、养护维修等相　关的技术问题，是当今高速铁路及客运专线铁路建　设急需解决的难题之一。在无砟轨道再创新的基　础上，提出了框架梁式无砟轨道，它由纵梁与横梁　连接而成，纵梁直接承担列车竖向轮载，具有较强　的抗弯能力，横梁起着固定连接纵梁的作用，保证　无砟轨道的整体稳定　』。既能充分利用轨枕的　传力特性，有效地将列车荷载分散至下部基础，又　能与钢轨形成复合轨道结构，保证结构的整体承载　能力。与传统的板式无砟轨道结构相比，框架梁式　无砟轨道结构组成简单、技术适应性好、材料用量　小、质量小、工程造价低、可工厂预制生产等。既有　的理论研究多针对板式或双块式无砟轨道开展；传　统框架型板式无砟轨道虽有一定的应用，但对无砟　轨道板及其下部基础的建模较为简化　ｊ，尤其是　针对不同型式的框架梁结构优化设计以及动力学　收稿日期：２０１２—１１—２３　基金项目：铁道部科技发展计划项目（２００７Ｇ０４４一Ｄ）　作者简介：赵健（１９７６一），男，安徽安庆人，博士，高级工程师，从事道路与铁道工程研究　１４　铁道科学与工程学报　２０１３年６月　架梁、底座板的相对位移较小。　表２　不同方案框架梁的位移最值对比表　框架梁本身的最大位移。从图９和图１Ｏ可见：不　论是钢轨还是框架梁，最大动位移都出现在框架梁　∞　ｎ　Ｔａｂｌｅ　２　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｒａｍｅ　ｓｌａｂ　ｔｒａｃｋ　ｍｍ　３．３　剪力　不同方案框架梁在不同荷载组合工况下的剪　力最值计算结果如表３所示。由表３可以看出：对　于框架梁的纵梁剪力，抗剪销＋３对胶垫方案剪力　最大，而抗剪销＋ＣＡ砂浆方案最小；对于抗剪销＋　胶垫方案，其纵梁剪力值不仅取决于胶垫的个数及　刚度，胶垫布置位置也是一个重要的影响因素。对　于框架梁横梁剪力，５种方案的剪力最值相差不　大，都在４０　ｋＮ左右。　表３不同方案框架梁的剪力最值表　Ｔａｂｌｅ　３　Ｓｈｅａｒ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｒａｍｅ　ｓｌａｂ　ｔｒａｃｋ　ｋＮ　４动力学特性分析　当车辆通过框架梁式无砟轨道时，车辆、轨道　的动力作用非常明显。列车通过５种不同锚固支　承方案的框架梁式无砟轨道结构时，考虑轨道不平　顺，对车体的加速度、轮轨作用力、脱轨系数、轮重　减载率、结构的振动加速度和动位移等动力响应进　行分析计算，其部分时程曲线如图８～１Ｏ所示。　图８跨中截面钢轨、框架梁和桥梁动位移时程曲线　Ｆｉｇ．８　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｒａｉｌ，ｆｒａｍｅ　ｓｌａｂ　ａｎｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｔｉｏｎ　由图８可见：列车通过框架梁式无砟轨道结构　时，轮载下的钢轨垂向位移最大。图９和图１０给　出了列车荷载作用下，ｌ块框架梁所对应的钢轨和　梁端（即梁缝处）。　Ｏ．（）ｏｌ　Ｏ．ｏｏｌ　０００　距离／ｍ　图９钢轨最大动位移时程曲线　Ｆｉｇ．９　Ｔｈｅ　ｍａｘ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｒａｉｌ　Ｏ．ｏｏ２　０．０ｏｌ　０．００１　篓ｏ．０００　Ｏ．Ｏｏ（）　距离／ｍ　图１０框架梁最大位移时程曲线　Ｆ．ｇ．１０　Ｔｈｅ　ｍａｘ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｌＴｅ　ｏｆ　ｒｆａｍｅ　ｓｌａｂ　钢轨、框架梁、桥梁等结构动力响应较小，这与　不平顺结果的选取有关，不影响分析结论的正确　性。对于５种不同方案的车辆振动、轨道受力与变　形、桥梁振动特性计算结果如表４所示。由于抗剪　销＋５对胶垫方案和Ｌ型支座＋５对胶垫方案计算　结果相近，表４仅列出抗剪销＋５对胶垫方案的计　算结果。　由表４可以得出：与胶垫方案相比，砂浆方案　的轮轨作用力、车体加速度、脱轨系数和减载率等　动力响应略大，但是不明显。这５种方案对轮轨作　用力和车辆运行的舒适性等影响均较小。与胶垫　方案相比，砂浆方案使钢轨和框架梁结构的振动与　动变形稍有减小；与砂浆方案相比，胶垫方案降低　了桥梁的振动加速度，且在几种胶垫方案中，由于　３对胶垫方案的总体刚度最小，隔振效果最明显，　桥梁的振动也最小。　但对于抗剪销＋胶垫方案，在动力分析模型中　未考虑抗剪销，在实际应用中胶垫可能起不到应有　的减振作用。在上述几种胶垫方案中，随着框架梁　下总刚度的减小，钢轨、框架梁的动位移和框架梁　端翘起位移等都逐渐增大。当框架梁下胶垫总刚　度较小时，为避免框架梁端位移过大，可以适当考　虑设置抗拔销钉进行垂向限位。　第３期　赵健，等：框架粱式无砟轨道锚固支承结构计算分析　１５　注：框架梁端翘起位移为框架梁端与底座板的相对位移。　５结论和建议　（１）抗剪销＋５对胶垫方案最优，Ｌ型支座＋５　对胶垫方案次之，抗剪销＋ＣＡ砂浆方案最差；　（２）这５种方案相差不大，对轮轨作用力和车　辆运行的舒适性等影响均较小。　在实际选用时，建议结合实际情况、运营安全　及舒适性的要求，进一步深化结构的耐久性、抗剪　销等设计研究。　参考文献：　［１］赵国堂．高速铁路无砟轨道结构［Ｍ］．北京：中国铁道　出版社，２００６．　ＺＨＡＯ　Ｇｕｏｔａｎｇ．Ｔｈｅ　ｈｉｓｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ＬＩＵ　Ｙｕｘｉａｎｇ，ＹＡＮ　Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ，ＧＵＡＮ　Ｊｉｂｏ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐｌａｎｅ　ｓｌａｂ　ａｎｄ　ｆｒａｍｅ　ｓｌａｂ　ｆｏｒ　ｂａｌ—　ｌａｓｆｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆ　ｏＲａｉｌｗａｙ　Ｅｎ￣ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　２００７（８）：３５—３８．　［５］江凤林．广珠城际轨道交通框架板式无砟轨道结构分　析［Ｊ］．铁道工程学报，２００８（８）：２７—３２．　ＪＩＡＮＧ　Ｆｅｎｇｌｉｎ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ—ｓｌａｂ　ｔｒａｃｋ　ｉｎ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ—Ｚｈｕｈａｉ　ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｉｔ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００８（８）：２７—　３２．　［６］Ｋｏｎｉｎｃｓ　Ｐ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｈｅｄａ　２０００　ｔｒａｃｋ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｒ］．Ｄｅｆｔ：Ｄｅｆｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆ　ｏＴｅｅｈｎｏｌ—　ｏｇｙ。２００５：ｌ１—２４．　［７］翟婉明．车辆一轨道耦合动力学［Ｍ］．３版，北京：科学　出版社，２００７．　ＺＨＡＩ　Ｗａｎｍｉｎｇ．Ｖｅｈｉｃｌｅ～ｔｒａｃｋ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］．　３ｒｄ　ｅｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｐｒｅｓｓ，２００７．　ｓｔｒｕｃｔｕｒａ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００６．　［２］何华武．无砟轨道技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，　２０ｏ５．　ＨＥ　Ｈｕａｗｕ．Ｂａｌｌａｓｄｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉ－　ｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００５。　［８］赵坪锐，章元爱，刘学毅，等．无砟轨道弹性地基梁板模　型［Ｊ］．中国铁道科学，２００９，３０（３）：１—４．　ＺＨＡＯ　Ｐｉｎｇｒｕｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕａｎａｉ，ＬＩＵ　Ｘｕｅｙｉ，ｅｔ　ａ１．Ｂｅａｍ　—ｐｌａｔｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　［３］田利民．客运专线无砟轨道系统设计［Ｊ］．中国铁道科　学，２００８（１）：ｌ３一ｌ６．　ＴＩＡＮ　Ｌｉｍｉｎ．Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂａｌｌａｓｆｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｏｎ　ｐａｓ－　［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９，３０（３）：１—４．　［９］林红松，许敏，刘学毅．大跨桥上减振型板式轨道凸形　挡台受力分析［Ｊ］．铁道建筑，２００７（６）：８—１０．　ＬＩＮ　Ｈｏｎｇｓｏｎｇ，ＸＵ　Ｍｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｘｕｅｙｉ．Ｓｈａｐｅ　ｉｎ　ｓｔｒｅｓｓ　ａ－　ｓｅｎｇｅｒ　ｄｅｄｉｃａｔｅｄ　ｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００８　（１）：１３—１６．　［４］刘玉祥，闰红亮，管吉波．平板和框架板无砟轨道结构　力学分析［Ｊ］．铁道工程学报，２００７（８）：３５—３８．　ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｐａｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｂ　ｔｒａｃｋ　ｃｏｎｖｅｘ［Ｊ］．　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７（６）：８—１０．