客货共线单元板式无砟轨道荷载作用特性与疲劳寿命预测
任娟娟1,2， 田根源1,2， 徐家铎3， 邓世杰1,2， 解 鹏4
【摘 要】 部分线路采用客货共线运营模式，以降低铁路运输压力。国内一些客货共线铁路采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，现场调研发现列车运营将导致轨道结构服役性能劣化、疲劳寿命降低。运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立含损伤车辆-板式轨道耦合动力学模型，研究客货共线铁路荷载作用特性，并进行现场测试以验证理论模型正确性；基于扣件扣压力理论计算结果，考虑板下砂浆破损，借助ANSYS WORKBENCH预测轨道板疲劳寿命。结果表明：货车作用时轮轨力理论值在110～135 kN，远大于客车的40～90 kN；砂浆损伤对货车荷载作用特性影响比对客车的小。对于扣件扣压力，客车作用时现场测得其最大值为30.3 kN，接近理论值30.8 kN；货车作用时实测值为50～60 kN，接近最大理论值56.0 kN。轨道板疲劳寿命在货车作用时较客车作用时缩短，在板端砂浆破坏时明显减少。 【期刊名称】铁道学报 【年(卷),期】2024(041)003 【总页数】7
【关键词】 客货共线； CRTSⅠ型板式无砟轨道；荷载作用特性；疲劳寿命 修回日期：2017-01-17
基金项目: 中国铁路总公司科技研究开发计划(2015G001-F)；国家自然科学基金(51578472，U1434208)
为降低铁路运输压力，部分既有线路和客运专线在提速以后或者投入使用前期采用客货共线模式[1]，我国现有客货共线铁路大多采用有砟轨道结构，但轨下
基础破坏严重，维修频繁。无砟轨道因高平顺性、良好的耐久性和少维修等优点而被应用于我国部分客货共线铁路，如赣龙线部分隧道内、遂渝线及渝怀线等。与客运专线不同，客货共线无砟轨道需综合考虑货车轴重大、运量大，客车速度快、平稳性要求高等特点，对轨道结构承载能力及耐久性要求更高，而国内外相关运营经验较少，因此有必要对现有客货共线无砟轨道结构服役状态进行深入研究。
客货共线CRTSⅠ型板式无砟轨道结构经雨水等外部条件作用，砂浆内部沥青流出，失去塑性，在列车荷载作用下产生脆性断裂而被挤出，导致轨道板底脱空，进而加剧轨道板开裂、砂浆破损，引起轨道结构使用寿命减少。笔者所在团队于2015年10月赴遂渝线张家院子桥以及赣龙线枫树排隧道路段调研发现，客货共线CRTSⅠ型轨道板与砂浆层间脱空现象显著，在板端和板边最为明显，见图1。
对于客货共线无砟轨道，Lei等[2]建立连续弹性梁模型，对不同客车、货车车速及不同轨道不平顺情况下的轨道结构进行了振动分析；朱玉明[3]现场测试得到过渡段处客货共线CRTSⅠ型双块式轨道结构动力响应，而板式无砟轨道与双块式无砟轨道结构组成不尽相同，其结构动力响应也有所差异；Peng等[4]研究了重载货车作用下CRTSⅠ型板式无砟轨道动力特性。为研究无砟轨道疲劳特性，Zhu等[5]分析了路基不均匀沉降对CRTSⅠ型板式无砟轨道结构疲劳寿命的影响；王青等[6]则基于等效静力分析方法分析了不同荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳性能。现有研究仅从理论角度分析不同荷载作用下客货共线CRTSⅠ型板式无砟轨道结构动力特性，缺少实测数据对比分析；轨道结构疲劳特性相关研究也只考虑荷载与边界条件的不同，未考虑砂浆
损伤对其结果的影响。
本文针对客货共线CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，考虑砂浆损伤，利用有限元方法研究其荷载作用特性；进行现场测试，对比验证理论模型的正确性；基于扣件扣压力理论计算结果，研究客、货车单独作用以及混合作用对轨道板疲劳寿命的影响规律，为客货共线板式无砟轨道的养护维修提供参考。
1 客货共线板式无砟轨道荷载作用特性
相对于客车，货车的运营对轨道结构动态承载能力要求更高，而钢轨和扣件起着承受以及传递列车荷载的重要作用，其受力状态严重影响行车安全性和舒适性，因此，有必要对客货共线无砟轨道轮轨力和扣件扣压力作用特性进行研究。 1.1 车辆-单元板式轨道-路基耦合动力学模型
为分析客货共线板式无砟轨道荷载作用特性，本文借助有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立车辆-CRTSⅠ型板式轨道-路基垂向耦合模型，将车辆视为多刚体系统，车体、构架各3个自由度，分别为浮沉、侧滚和点头，轮对有浮沉和侧滚2个自由度，车辆系统共17个自由度。轮轨接触简化为赫兹接触，进一步将轮轨接触弹簧线性化[7-8]。建立30块轨道板，为消除边界效应，两边各预留25 m不作为研究范围，模型示意见图2。图2中：k2、c2分别为二系悬挂的垂向刚度与阻尼；k1、c1分别为一系悬挂的垂向刚度与阻尼；kH为轮轨接触的Hertz弹簧刚度；kf、cf分别为扣件系统的垂向刚度与阻尼；kCA、cCA分别为CA砂浆的垂向刚度与阻尼；ks、cs分别为地基的垂向刚度与阻尼；x、z为模型整体坐标系；zr、zs、zcu分别为钢轨、轨道板、底坐板局部坐标系。 钢轨采用Euler梁模拟；轨道板、底座板采用shell163弹性薄板单元模拟；扣件、砂浆层和路基支承简化为阻尼弹簧，采用beam161垂向离散梁单元模拟。
客货共线单元板式无砟轨道荷载作用特性与疲劳寿命预测
