弹性支承块式无轨道无缝线路更换支承块的稳定性分析

弹性支承块式无轨道无缝线路更换支承块的稳定性分析

弹性支撑块的无轨道以其良好的振动减速性能为基础，已被许多国家所采用。国内的秦岭隧道、乌鞘岭隧道等也采用了弹性支承块式无砟道。我国秦岭隧道内弹性支承块式无砟轨道横断面如图1所示。弹性支承块式无砟轨道在运营过程中,橡胶套靴在混凝土道床中时常处于运动状态,故橡胶套靴和轨下胶垫的破坏将不可避免。目前更换支承块系统时,首先将待换的支承块两侧一定长度范围内的扣件松开,然后在待更换的支承块两侧各用一起道器将钢轨连同待更换支承块抬高16cm,进行更换。松开扣件的钢轨长度尚未有明确规定。此外,当在某一较高轨温下进行更换支承块的作业时,被起道器抬高的钢轨可能在温度压力作用下发生屈曲。本文采用有限单元法对无缝线路状态下更换支承块系统进行力学分析,确定合理的松开扣件的钢轨长度和养护维修作业轨温范围,提出较为合理的维修参数。1非线性弹簧刚度计算方法将钢轨简化为二维二节点弹性梁单元且考虑重力作用。不计扣件纵向阻力。扣件与支承块系统垂向支承串联后简化为轨下非线性弹簧;钢轨向下运动时,轨下非线性弹簧刚度取扣件与支承块系统垂向刚度的叠加值;钢轨向上运动时,忽略支承块与混凝土道床的摩擦作用,轨下非线性弹簧提供的最大阻力为支承块的重力0.9kN;轨下非线性弹簧的力—位移特性曲线如图2所示。考虑结构对称性后的有限元计算模型见图3。其中F1为单侧抬轨力;a为单侧抬轨力作用下的起道量;L1为单侧松开扣件的钢轨长度;L为模型全长,取较大的值(120m),以尽可能减小边界的影响。A为第一位扣件处。计算参数见表1。2结论分析2.1道床道公正段的起道量对不同的起道量、不同的单侧松开扣件的钢轨长度,分别计算钢轨所受最大正弯矩、最大负弯矩、抬轨力、第一位扣件(图3中A处的扣件)反力。不同工况的计算结果见图4～图7。由计算结果可见:1)当松开扣件的钢轨长度太短时,由于起道引起的钢轨向上运动会带动两侧支承块上浮;这将增大抬轨力和钢轨正、负弯矩;另外,支承块上浮时与混凝土道床摩擦,将有可能引起橡胶套靴破坏,并且支承块也不易复位;因此必须保证足够的松开扣件的钢轨长度。2)当松开扣件的钢轨长度太大时,松开扣件范围内的钢轨重力需由起道机和第一位扣件承受,这同样会增大抬轨力和钢轨正、负弯矩;因此扣件松开的钢轨长度存在最优长度,即抬轨力最小、钢轨中弯矩最小、第一位扣件开始承受压力时的长度;从图4～图7可以明显地看出这一规律。3)不同的起道量,存在着不同的松开扣件最优长度;松开扣件的钢轨最优长度随着起道量的增大而增大,但不很显著。4)在未考虑轨道失稳的情况下,对于0.16m的起道量,可取单侧松开扣件的钢轨最优长度为18m。2.2起道量和屈曲分析更换支承块系统时,起道使钢轨在垂向形成缺陷;松开扣件使钢轨在长为L1的范围内无扣件约束。当作业轨温大于锁定轨温时,轨内存在温度压力,钢轨处于弯压状态。当作业轨温选择不当时,作业过程中钢轨有可能在垂向产生非线性屈曲而致使轨道失稳。图2所示的模型中,在钢轨最右侧节点施加水平力,力大小为模型中钢轨的垂向屈曲特征值。对结构采用修正的牛顿—拉普森法进行迭代求解垂向非线性屈曲临界荷载,钢轨受压时的荷载—位移曲线如图8所示。不同的起道量、不同的松开扣件的钢轨长度所对应的垂向非线性屈曲荷载如表2、图9所示。由表2、图9可知:①当松开扣件长度一定时,屈曲荷载随着起道量的增加而减小;当起道量一定时,屈曲荷载随着松开扣件长度的增大急剧减小;②从结构稳定性的角度来看,应尽可能减小松开扣件的长度,减小起道量,以增加结构的稳定性;但松开扣件的长度的取值还应考虑到钢轨、扣件的受力,以及作业的可行性。设作业轨温为T,则钢轨温度力Pt=EFα(T−T0)Ρt=EFα(Τ-Τ0)式中Pt——钢轨温度力(N);E——钢轨钢的弹性模量,E=2.1×1011Pa;F——钢轨的断面积,对CHN60轨,F=0.007745m2;α——钢轨的线膨胀系数,α=11.8×10-6/℃;T0——锁定轨温(℃)。取单侧松开扣件的钢轨长度18m,起道量0.16m,则由表2知屈曲荷载为228.837kN。由上式可算出允许作业轨温上限T=T0+11.9(℃)。考虑一定的安全系数可取T=T0+5(℃),即在温度高于T0+5(℃)时不宜进行更换支承块的作业。在不能满足上述轨温条件下进行更换支承块的作业时,应采用相应措施以加强钢轨在垂向的稳定性。如:采用竖向支架固定钢轨,复位时采取加压或浇水冷却钢轨的方法使钢轨落槽等。3试验装置的影响1)弹性支承块式无砟轨道无缝线路更换支承块时,单侧松开扣件的钢轨长度存在最优长度;2)起道量和单