改进弹性支承块式无砟轨道力学性能研究_吴春.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023改进弹性支承块式无砟轨道力学性能研究吴春1，陈宪麦2(1.湖南湘建智科工程技术有限公司，湖南 长沙 410013；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)摘要：受列车振动与温差、风雨洗刷作用，弹性支承块式无砟轨道出现橡胶套靴老化离缝、轨枕破损及翻浆冒泥等病害。为加强结构界面黏结整体稳定性并降低破损劣化，提出采用“双层非线性减振扣件+预制短轨枕”进行弹性短轨枕结构原位换铺的道床改造方案，将道床减振改造为扣件减振并简述了轨道结构整治施工工艺。在此基础上，进行换铺前后轨道结构振动力学性能研究与受力特性分析，结合运营实际总结了整治效果。研究结果表明：采用预制短轨枕方案进行原位换铺的施工工艺为拆除破损弹性短轨枕、道床坑凿毛、安装新预制短轨枕及减振扣件、钻孔植筋、除尘灌浆等序列工序，可保证铺设精度，加快施工进度；采用具有枕下橡胶垫层的弹性短轨枕轨道结构其减振性能更为优良，但枕下弹性橡胶垫层易老化失效，应重点维护橡胶套靴与道床坑结合面黏结密封性，避免短轨枕-橡胶套靴-混凝土道床之间剥离而造成结构松动；改造后采用双层非线性减振扣件的轨道各结构垂向位移均有所减小，轨道结构线路形位更为优良，但道床板结构的垂向加速度增幅86.9%；改造后的轨道结构采用扣件减振整治方案可实施性强，轨道主要结构形位保持能力强，可有效解决弹性短轨枕轨道的相关病害问题。关键词：弹性短轨枕；双层非线性减振扣件；减振改造；病害整治；有限元中图分类号：U213.912 文献标志码：A文章编号：1672-7029（2023）04-1337-10Design and research on improved elastic resilient short sleeper ballastless track of subwayWU Chun1,CHEN Xianmai2(1.Hunan Xiangjian Zhike Engineering Technology Co.,Ltd.,Changsha 410013,China;2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:Due to the train vibration,temperature difference and rain washing,there exists defects such as seam between rubber cushion and baseplate,damage of sleepers,and mud pumping of ballastless track with elastic support block.In order to strengthen the overall stability of structural interface bonding and reduce deterioration,a ballast bed reconstruction scheme of in-situ replacement of elastic short sleeper with“double-layer nonlinear damping fasteners+prefabricated short sleepers”was proposed.The ballast bed damping was transformed into 收稿日期：2022-11-01基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015G001-G)通信作者：吴春(1983)，男，湖南洞口人，高级工程师，从事铁路工程检测和设计工作；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222088铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月fastener damping,and briefly described the construction technology of track structure regulation.On this basis,the vibration mechanical properties and stress characteristics of track structure before and after replacement were studied,and the treatment effect combined with the actual operation was summarized.The results show that the construction process of in-situ replacement with prefabricated short sleepers is mainly divided into such sequential processes as removal of damaged elastic short sleepers,roughening of track bed pits,installation of new prefabricated short sleepers and damping fasteners,drilling and rebar planting,dust removal grouting,which can ensure the laying accuracy and accelerate the construction progress;The elastic short sleeper track structure with rubber cushion under sleeper has better damping performance,but the elastic rubber cushion under the sleeper is prone to aging and failure,and it is necessary to focus on maintaining the bonding sealing of rubber boots,avoid structural looseness caused by peeling between short sleepers,rubber boots and concrete ballast bed;After the transformation,the vertical displacement of each track structure with double-layer nonlinear damping fasteners is reduced,the shape and position of the track structure is better,and the vertical acceleration of the track bed plate structure increases by 86.9%;The retrofitted track structure adopts the fastener vibration reduction renovation scheme,and it is highly feasible and strong practicability and position holding capacity of the track,which can effectively solve the related defect of the elastic short sleeper track.Key words:elastic short sleeper;double layer nonlinear damping fastener;shock absorption transformation;defect treatment;finite element 城市轨道交通线路敷设方式主要分为地下线路、高架线路以及地面线路3种，列车最高运行时速一般为100 km，旅行时速3040 km，当个别线路或地段有特殊要求时最高运行时速可达160 km。在轨道结构上主要采用重型钢轨、弹性减振扣件以及整体道床等。由于城轨线路常位于潮湿环境的地下，隧道结构渗漏水对轨道结构的渗透腐蚀加速了结构间结合面状态恶化进而导致损伤13。城市轨道交通一般铺设整体道床，具有行车密度大、一般间隔23 min的追踪运行特点，常规营运时间为每日5:00至23:30，因此日常维修、巡检均在夜间停运时进行。另外，整体道床破坏表征主要为混凝土开裂、下沉、结构结合面唧泥，加之隧道内和高架桥上作业面狭窄，隧道内空气不流通，高架桥上温差大，给维修带来不便。对于减振型轨道铺设地段，线路需要维修时更显迫切。地铁线路部分地段无砟轨道由于中等减振需要，轨道结构垂向弹性由轨下垫层、铁垫板下垫层以及枕下橡胶垫层等组成的弹性短轨枕轨道结构曾作为一种方案而被应用。轨道结构服役过程中承受列车循环动载、温度荷载以及雨水洗刷侵蚀等影响，弹性短轨枕与枕下橡胶垫层产生离缝间隙46，轨枕橡胶套靴混凝土道床之间的剥离造成结构松动(图1)，列车荷载下振动冲击加强，导致降低或失去优良的减振效果3。为保证线路不间断运营并解决弹性短轨枕轨道的病害问题，通过简述轨道结构整治施工工艺，将原有道床弹性减振改造为非线性扣件减振。在此基础上，进行换铺前后轨道结构振动力学性能研究，并结合运营实际总结整治效果。1 弹性短轨枕轨道改造整治为避免列车中断运营，短期采用的轨距加强拉杆、橡胶套靴间隙夹塞木楔等措施并不能从根本上防治病害，需首要解决橡胶套靴与道床之间的黏结密封问题，考虑完全拆除短轨枕以及块下橡胶套靴，换铺预制轨枕后采用灌注树脂砂浆进行填充，从而在根本上进行结合面的黏结修复，以提高轨道结构的技术装备质量；另外，为保留试验段轨道结构的减振效果，换铺方案中采用双层非线性减振扣件以代替原轨道结构中枕下橡胶垫板的减振功能。主要拆除换铺对比方案如下：1)采用扣件直埋式方案，将扣件系统提前吊装固定于钢轨上，道床中预埋钢筋网片而后钢轨等部件精调到位后灌注混凝土形成整体道床；2)采用预制短轨枕方案，类比双块式无砟轨1338第 4 期吴春，等：改进弹性支承块式无砟轨道力学性能研究道施工理念。将预制短轨枕安放于预先凿毛处理好的道床坑洞内，各部件精调到位后灌注砂浆，与道床形成整体并密接。对比以上方案，方案1中对施工质量以及精度控制较高，改造换铺工期延长，另外扣件系统控制困难，易导致零部件的缺失与倾斜而造成隐患。因此推荐采用方案2，既能保证铺设精度又能加快施工进度，类似施工方法在国家干线铁路中已成熟运用。采用预制短轨枕方案进行原位换铺，主要施工工艺方法为：拆除破损弹性短轨枕、道床坑凿毛、安装新预制短轨枕及减振扣件、钻孔植筋、除尘灌浆等序列工序，完成减振扣件整体道床的改造，如图2所示。其实质是在保证线路正常运营的前提，将道床减振改造成扣件减振，并对原道床进行改造。2 有限元仿真分析为验证道床弹性短轨枕原位换铺整治前后结构力学性能，通过建立有限元模型，实现与多体动力学模型进行联合仿真分析。2.1车辆无砟轨道多体动力学模型基于我国地铁车辆建立多体动力学车辆模型，主要由 4 个轮对、2 个转向架、1 个车体以及一、单位：mm(a)短轨枕橡胶套靴混凝土道床剥离；(b)弹性短轨枕结构示意图1弹性支承块无砟轨道结构Fig.1Sleepers-rubber boots-concrete bal