Ⅲ型混凝土轨枕道床纵、横向阻力试验分析
摩擦型轨枕道床的横向阻力研究
摩擦型轨枕道床的横向阻力研究
郭云龙;王新雨;廉栋;宛洪宇;井国庆
【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】2022(57)2
【摘要】川藏铁路有砟道床断面尺寸受限,所处环境地震多发、日温差大且变化剧烈,这些情况容易导致横向阻力不足,对无缝线路稳定性和震区轨道韧性提出挑战.为合理设计轨枕底部设有箭头型凹槽的摩擦型轨枕,并量化其提升无缝线路稳定性与韧性,采用道床横向阻力试验,测量摩擦型轨枕对道床横向阻力增幅情况;合理设计并优化了轨枕底部凹槽,制作了3种不同箭头型凹槽,除去凹槽排列方式不同外,箭头型凹槽面积、尺寸完全一致;并且验证砟肩宽度减小情况下摩擦型轨枕提供的横向阻力是否可以满足川藏铁路运维要求.结果表明:各型摩擦型轨枕均可增大道床横向阻力,可最少提升横向阻力7%,最高提升21%;单向箭头型双向阻力存在较大阻力值差异,相比于普通轨枕顺向可增大7%,逆向可增大24%,因此在曲线地段铺设时候,应严格注意铺设方向;砟肩宽度由50 cm降低到30 cm,采用单向箭头型轨枕逆向仍然可达到Ⅲ型轨枕砟肩宽度50 cm横向阻力值.
【总页数】6页(P301-305)
【作者】郭云龙;王新雨;廉栋;宛洪宇;井国庆
【作者单位】代尔夫特理工大学土木学院;北京交通大学土木建筑工程学院;山东高速铁建装备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U213.772
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Ⅲ型混凝土轨枕有砟道床纵横向阻力设计参数试验研究
进行数理统计分析 ， 拟合确定 了Ⅲ型混凝土轨枕有砟道床纵 向、 横向阻力曲线 ， 同时计算 了Ⅲ型混凝土轨枕有
砟 道床 的等效横 向阻力 ， 其结果可为铁路无缝线路设计 阻力 的取值 提供参考 。
关键词 ： 道床纵 向阻力 ； 道床横 向阻力 ； Ⅲ型混凝土轨枕 ； 测试 ； 统计分析
中 图分 类 号 ：２ ３ ７ Ｕ １ ． １ 文献 标 识 码 ： Ａ
随着我国高速铁路的大规模建设和既有线的不断提速 ， 砟轨道普遍使 用 Ⅲ型混凝土轨枕 ， 有 同时道 床断面尺
寸、 道砟材质及颗粒级配不断强化提高， 确定Ⅲ型混凝土轨枕有砟道床线路阻力是进行有砟轨道无缝线路设
计 的 一 项 重 要基 础 工 作 。
研 究结论 ： 本文选取武汉至襄樊 区间增建第二线 云梦段 作为测试 工点 ， 过现场原位 测试和对测试 数据 通
ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌｓ ｃｉｎ ｆ ｔ ｅ ｄ ｔｏ ａ ｓ ｃ ｎ ｔａ ｋ ｆ Ｗ ｕｈ ｎ — Ｘｉ ｎ ｆ ｎ ｘ ｅｉ ｎ ａ ｅ ｔｏ ｏ ｈ ａ ｄｉ ｎ ｌ ｅ ｏ ｄ ｒ ｃ ｏ ｉ ａ ａ ｇａ Ｒａｌ ｙ， ｔ ｅ ｉｔｉｇ ｃ ｒ ｅ ｏ ｈ ｂ ｌａ ｔ ｉ ｗａ ｈ ｆ ｔ ｕ ｖ ｓ ｆ ｔ ｅ ａｌ ｓ ｎ
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道床断面尺寸对道床横向阻力的影响
道床断面尺寸对道床横向阻力的影响高亮;罗奇;徐旸;蒋函珂;曲村【摘要】为揭示道床横向阻力变化特征,采用离散元法,建立了高速铁路有砟道床-轨枕三维模型,研究了道床边坡坡度、顶面宽度、道床厚度和砟肩堆高等道床断面尺寸对其横向阻力的影响,分析了枕底、枕侧和砟肩阻力及其分担的横向阻力比例.结果表明:坡度为1∶1.50～1∶1.85时,横向阻力为10.315～ 16.475 kN,坡度为1∶1.65及更缓能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.顶面宽度为3.0～3.8m时,横向阻力为10.205～15.715 kN,顶面宽度为3.4m及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.随边坡变缓或顶面宽度增大,砟肩道砟增多,砟肩阻力显著增大.道床厚度为200 ～400 mm时,横向阻力为9.156～ 15.684 kN;横向推动轨枕时,道床从上向下分层拖动;随道床厚度增大,枕底阻力明显增大,道床厚度为300 mm及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.砟肩堆高为0～ 180 mm时,砟肩阻力为2.010～5.203 kN,横向阻力为9.526～15.257 kN,砟肩堆高对砟肩阻力影响很大,堆高120 mm及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2014(049)006【总页数】7页(P954-960)【关键词】铁路道床;横向阻力;断面尺寸;离散元法【作者】高亮;罗奇;徐旸;蒋函珂;曲村【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;轨道工程北京市重点实验室,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;轨道工程北京市重点实验室,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;轨道工程北京市重点实验室,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;轨道工程北京市重点实验室,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;轨道工程北京市重点实验室,北京100044【正文语种】中文【中图分类】U213.7我国铁路大多采用跨区间无缝线路，道床横向阻力是防止有砟轨道无缝线路胀轨跑道、保证线路稳定的关键因素，在高速铁路跨区间无缝线路高稳定性的要求下，保证一定的道床横向阻力具有重要意义.道床横向阻力由枕底、枕侧和砟肩阻力组成，即F=F1 +F2 +F3，如图1 所示.图1 道床横向阻力Fig.1 Lateral resistance on ballast bed国内外针对道床横向阻力做了大量研究工作.试验研究方面，杨全亮等通过现场原位试验，测定了无缝线路道床横向阻力［1-3］;马战国等测试了新建铁路跨区间无缝线路不同施工阶段桥梁和路基地段道床横向阻力的差异［4］;Zakeri 探讨了砟肩堆高和轨枕类型对道床横向阻力的影响［5］;Pen 等通过室内试验，研究了不同道床断面尺寸下，枕底、枕侧和砟肩阻力的差异［6］;Koc 等分析了大型养路机械维修作业对道床横向阻力的影响［7-8］;王斌等对喷射道砟胶增大横向阻力的效果进行了测试［9］;Zand 等研究了枕上荷载变化对道床横向阻力的影响［10］;高亮等基于道床流变特性，提出了横向阻力测定方法的改进措施［11］. 理论研究方面，Kabo 利用有限元法建立了轨枕-道床空间模型，分析了砟肩堆高和轮载对横向阻力的影响［12］;冯青松等采用有限元法，分析了道床清筛作业前后横向阻力的变化［13］.然而，目前国内外对道床横向阻力的研究多基于室内测试和现场试验，理论研究十分欠缺，而基于离散元法的研究尚属空白. 试验研究不仅成本高，还可能干扰列车的正常运营，而且，由于外部条件和测试方法的差异，现场测试结果往往会出现各种误差.离散元颗粒流仿真技术可以弥补试验研究的不足，并从道床的细观结构入手，分析仿真过程中细观结构演化规律和宏观力学响应之间的关系.数值仿真具有成本低、可重复性强、条件理想等优点.本文基于离散元法，建立了有砟道床-轨枕三维模型，分析了道床几何尺寸对横向阻力的影响，掌握了道床横向阻力的变化规律.1 模型的建立离散元法最早由Cundall 提出，它通过简单明确的物理参数，可以清晰地揭示颗粒间或颗粒与其他结构物的相互作用，并充分考虑了颗粒大小、接触等几何和物理特点.采用离散元法分析道床力学特性，道砟颗粒可以分离并发生新的接触. 与有限元法相比，它无需采用传统连续介质力学模型宏观连续性的假设，将道砟颗粒的细观结构变化与宏观力学响应联系起来，因此，将离散元法应用到散体道床的研究中具有重要意义.PFC3D 是一款基于离散元理论的分析软件，它从细观角度研究颗粒的力学特性，分析复杂颗粒间的相互作用和运动关系，本文利用它建立了高速铁路有砟道床-轨枕三维模型.建立模型时，首先按照特级道砟级配的要求，生成满足级配规定的球颗粒，然后采用“落雨法”将颗粒填充在道床范围内，并采用移动墙体的方法充分压实道床.需要指出的是，推动轨枕前，道床一定要充分压密，道床是否密实直接关系到模型的可靠性.道砟采用球颗粒模拟，轨枕和边界条件采用墙单元模拟，见图2.图2 道床-轨枕三维模型Fig.2 A 3-dimensional model for ballast bed and sleeper根据TB 10020—2009《高速铁路设计规范(试行)》的规定，模型中道床顶面宽度为3.6 m，厚度为0.35 m，边坡坡度为1∶1.75，轨枕尺寸采用Ⅲ型混凝土枕. 模型中球体和墙体均满足刚性假设，根据散体力学理论取刚度值，颗粒之间的相互作用按照Mohr-Coulomb 滑动摩擦准则. 模型参数取值参考McDowell 和Lim 等的研究［14-15］，具体见表1.表1 道床模型参数Tab.1 Values of parameters in the ballast bed model参数名称数值道砟颗粒法向接触刚度/(MN·m -1)500道砟颗粒切向接触刚度/(MN·m -1)500墙体法向接触刚度/(MN·m -1)1 000墙体切向接触刚度/(MN·m -1)1 000道砟颗粒密度/(kg·m -3)2 600颗粒摩擦因数0.5墙体摩擦因数0.52 模型验证与分析为研究道床横向阻力并验证道床离散元模型的有效性，在京沪高铁徐州铺轨基地有砟轨道段进行了横向阻力测试.横向阻力通过现场原位测试获得，先将轨枕的扣件拆除，在千斤顶和轨枕间安装压力传感器，压力传感器接静态应变仪.沿线路横向用千斤顶对轨枕进行分级加载，读数由静态应变仪标定后得出. 同时，对应加载的方向安装百分表，以测量轨枕的横向位移，如图3所示.图3 道床横向阻力现场测试Fig.3 Field test of ballast bed lateral resistance 道床-轨枕离散元模型中，为减小边界效应，采用横向推动中间轨枕的方式，通过记录轨枕底部、侧面和砟肩阻力计算轨枕受到的横向阻力.图4 为位移-横向阻力的现场测试和仿真结果.《高速铁路设计规范(试行)》规定:线路开通前，横向位移为2 mm 时，道床横向阻力不应小于12 kN/枕.横向位移2 mm 时，测试值为14.84 kN，仿真值为14.584 kN. 可见，所建立的离散元模型可以反映位移与横向阻力之间的关系，采用离散元法是可行的.根据仿真获得的数据，对道床横向阻力进行曲线拟合，拟合曲线方程为:F=-0.012 87x3-0.014 3x2+2.412x+9.959，式中:F 为道床横向阻力，kN/枕;x 为轨枕位移，mm.图4 道床横向阻力实测和仿真结果Fig.4 Test and simulation results of ballast bed lateral resistance通过显著性检验，相关系数R=0.987.图5 为推动轨枕前、后道床与轨枕之间的接触力，图中力的大小与黑线的粗细成正比，为便于观察，只给出了中间轨枕的接触力.由图5 可知，推动轨枕前，枕底与道床有较大接触力，无砟肩阻力.推动轨枕中，由于轨枕与道砟的相对位置发生变化，道砟颗粒间、道砟与轨枕间的接触力发生改变，出现砟肩、枕底和枕侧阻力. 接触力在轨枕附近比较密集，远离轨枕处接触力逐渐变稀疏，可见，横向推动轨枕过程中，横向阻力主要由轨枕附近的道砟提供.图5 道床-轨枕接触力Fig.5 Contact force between ballast bed and sleeper图6 为推动轨枕过程中道砟位移矢量，图中每个颗粒的位移用一个箭头表示，箭头长度与位移大小成正比，方向与位移矢量方向一致.从图6 可见，道床肩部道砟位移较大，在推动轨枕过程中，整个道床中的颗粒都产生了一定位移，并且随道床深度增大，道砟位移减小.图6 道床位移矢量图Fig.6 Displacement vector of ballast bed表2 为轨枕横向位移为10 mm 时，轨枕下方道床不同深度范围内道砟的最大位移. 从表2 可知，在道床深度0 ～350 mm 的7 个区间内，随深度增大，道砟的最大位移减小，从12.05 mm 减小到1.028 mm.可见，横向推动轨枕过程中，道床中的道砟是从上往下分层拖动，枕底阻力不仅与轨枕下方一定深度的道砟有关，而是由枕下道床深度范围内的道砟共同提供，但主要由枕底附近的道砟提供.表2 道床不同深度处道砟的最大位移Tab.2 Maximum displacement of ballast at different depthsmm深度范围300 ～350 250 ～300 200 ～250 150 ～200 100 ～150 50 ～100 0 ～50最大位移1.028 1.178 2.213 3.631 3.864 4.17412.053 道床横向阻力的影响因素分析道床横向阻力的影响因素众多，重点分析了道床边坡坡度、顶面宽度、道床厚度、砟肩堆高等道床断面尺寸对道床横向阻力的影响，这些因素决定了轨枕-道床间接触力的分布特征，因此，将影响推动轨枕过程中砟肩阻力、枕底阻力和枕侧阻力的大小及比例.3.1 边坡坡度的影响道床边坡对保证道床的坚固稳定具有十分重要的意义.道床边坡坡度取决于两方面的因素，一是道砟材料的内摩擦角，内摩擦角越大，颗粒间黏聚力越大，边坡可以取较小的坡度;二是肩宽，增大肩宽容许较陡的边坡，而减小肩宽则必须采用较缓的边坡.目前各国铁路采用的坡度一般介于1∶1到1∶2.5 之间，坡度的选取不仅影响道床的安全和稳定，还关系到铁路的建设成本. 我国高速铁路规定正线区间坡度为1∶1.75，分析了坡度为1 ∶1.50 ～1∶1.85 间6 种工况道床横向阻力的变化. 由图7 可知，随着边坡变缓，道床横向阻力增大.由表3 可知，位移为2 mm，坡度为1∶1.50 ～1∶1.85 时，道床横向阻力为10.315 ～16.475 kN.图7 边坡坡度对道床横向阻力的影响Fig.7 Effect of slope grade on the lateral resistance表3 不同边坡坡度时道床的横向阻力Tab.3 The lateral resistance vs. slope grade坡度/mm分担数值/kN 分担比例/%/kN 1∶1.502.4345.7662.11523.655.920.510.315枕侧枕底砟肩枕侧枕底砟肩总阻力/kN增幅0 1∶ 1.652.7786.0453.74522.148.129.812.5682.253 1∶1.702.9316.1764.52621.545.333.213.6331.065 1∶1.753.1066.6214.85621.345.433.314.5840.951 1∶1.803.2296.8795.49120.744.135.215.5991.015 1∶1.853.4277.0685.98020.842.936.316.475 0.876随坡度变缓，枕侧、枕底和砟肩阻力均增大，其中砟肩阻力增幅最大;随坡度变缓，枕侧分担的比例略微减小，枕底分担的比例减小，而砟肩分担的比例增大.这主要是由于坡度越缓，砟肩两侧的道砟越多，砟肩阻力就越大. 计算结果表明，坡度为1∶1.65 或更缓时，就能满足横向阻力超过12 kN/枕的规定.虽然减缓坡度可以进一步增大横向阻力，但是当坡度缓于1 ∶1. 80 时，横向阻力的增幅减小.坡度越缓，道床底面宽度越大，而这往往受到桥隧施工条件和建设成本的制约. 因此，考虑一定的安全贮备，高速铁路道床采用1∶1.75 的坡度是经济合理的.3.2 道床顶面宽度的影响道床顶面宽度与轨枕长度、道床肩宽有关，由于轨枕类型和长度基本固定，因此，顶面宽度主要取决于道床肩宽.道床需要合适的肩宽保持道床稳定，同时提供一定的横向阻力.中欧高速铁路均规定道床顶面宽度为3.6 m.道床顶面宽度为3.0 ～3.8 m 时，道床横向阻力的变化特征见图8.从图8 可见，随道床顶面宽度增大，横向阻力增大.从表4 可知，位移为2 mm，顶面宽度为3.0 ～3.8 m 时，道床横向阻力为10.205 ～15.715 kN.图8 顶面宽度对道床横向阻力的影响Fig.8 Effect of ballast bed top width on the lateral resistance表4 不同顶面宽度时的道床横向阻力Tab.4 The lateral resistance vs. ballast bed top width宽度/m分担数值/kN 分担比例/%枕侧枕底砟肩枕侧枕底砟肩总阻力/kN增幅/kN 3.02.4085.5312.26623.654.222.210.20503.22.7135.9053.07523.250.526.311.6931.4883.42.9336.2273.75922.748.229.112.9191.2263.63.1066.6214.85621.345.433.314.5841.6653.83.2696.8055.64220.843.335.915.7151.131随道床顶面宽度增大，枕侧、枕底和砟肩阻力均增大，而以砟肩阻力增大最显著;枕侧分担的比例略减小，枕底分担的比例减小，而砟肩分担的比例增大.这主要是因为顶面宽度越大，道床肩宽越大，砟肩道砟数量越多，砟肩阻力就越大.计算结果表明，道床顶面宽度为3.4 m 及以上时，可以满足横向阻力超过12 kN/枕的规定.虽然道床顶面越宽，道床横向阻力越大，但底面宽度超过3.6 m 后，横向阻力增幅减小. 考虑到足够的安全储备，高速铁路道床顶面宽度取3.6 m是合适的.3.3 道床厚度的影响道床厚度影响道床弹性，厚度变薄会导致道床弹性变差，减振吸振的性能也会降低，在相同的运营条件下，道砟破碎、脏污程度加速，导致日常维修工作量加大.道床厚度应根据运营条件、轨道类型、路基土质等确定. 中欧高速铁路均规定道床厚度为350 mm.道床厚度为200 ～400 mm 时道床横向阻力的变化特征见图9.从图9 可知，随道床厚度增大，横向阻力增大.从表5 可知，位移为2 mm，道床厚度为200 ～400 mm 时，横向阻力为9.156 ～15.684 kN. 随道床厚度增大，枕侧、枕底和砟肩阻力均增大，其中枕底阻力增大最多;枕侧、枕底和砟肩分担的比例变化都不大.这主要是由于道床厚度越大，道床总质量越大，推动轨枕过程中，道床从上往下分层拖动，因此扰动道床所需要的力越大，枕底阻力明显增大.计算结果表明，当道床厚度为300 mm 及以上时，能满足横向阻力超过12 kN/枕的规定，当道床厚度超过350 mm 后，横向阻力增幅减小.图9 道床厚度对道床横向阻力的影响Fig.9 Effect of ballast bed thickness on the lateral resistance表5 不同道床厚度时的道床横向阻力Tab.5 The lateral resistance vs. ballastbed thickness厚度/mm分担数值/kN 分担比例/%枕侧枕底砟肩枕侧枕底砟肩总阻力/kN增幅/kN 2001.8954.1293.13120.745.134.29.15602502.1614.9323.60520.246.133.710.6981.5423002.5485.7324.20920.445.933.712.4891.7913503.1066.6214.85621.345.433.314.5842.0954003.3097.1835.19121.145.833.115.6841.1003.4 砟肩堆高的影响1960 年以前，我国铁路对砟肩堆高并无规定，随着无缝线路的广泛推广，胀轨跑道现象经常发生，采取砟肩堆高最初是为了防止无缝线路胀轨跑道.近年来，《高速铁路设计规范(试行)》、《新建时速200 ～250 公里客运专线铁路设计暂行规定》、GB50090—2006《铁路线路设计规范》等规范中均有“砟肩堆高150 mm”的规定. 砟肩堆高0 ～180 mm 时道床横向阻力的变化特征见图10.图10 砟肩堆高对道床横向阻力的影响Fig.10 Effect of shoulder height on the lateral resistance表6 不同砟肩堆高时横向阻力值Tab.6 The lateral resistance vs. shoulder height堆高/mm分担数值/kN 分担比例/%枕侧枕底砟肩枕侧枕底砟肩总阻力/kN增幅/kN 02.5055.0112.01026.352.621.19.5260402.6775.3852.47725.451.123.510.5391.013802.8115.8003.20123.849.127.111.8121.2731202.9486.3204.01022.247.630.213.2781.4661503.1066.6214.85621.345.433.314.5841.3061803.2346.8205.20321.244.734.115.2570.673从图10 可知，随砟肩堆高增大，道床横向阻力增大. 从表6 可知，位移为2 mm，砟肩堆高为0 ～180 mm 时，砟肩阻力为2.010 ～5.203 kN，道床横向阻力为9.526 ～15.257 kN.随砟肩堆高增大，枕侧、枕底和砟肩阻力均增大，其中砟肩阻力增大最明显;枕侧和枕底分担的比例减小，而砟肩分担的比例不断增大.可见，砟肩堆高能显著提高砟肩阻力，与采用较缓边坡、增大道床厚度或加宽顶面宽度相比，能有效节约道砟用量.计算结果表明，砟肩堆高在120 mm 及以上时，能满足横向阻力超过12 kN/枕的规定.继续增大砟肩堆高可增大横向阻力，但砟肩堆高超过150 mm 后，横向阻力增幅明显减小.此外，若采用过高的砟肩堆高，在列车动荷载作用下，砟肩外形很难保持. 长期的运营经验表明，砟肩堆高150 mm 能满足道床安全和稳定的要求.4 结论及建议本文建立了有砟道床-轨枕三维离散元模型，用该模型计算的道床横向阻力与实测值较一致，可以准确反映道床横向阻力变化特征. 利用该模型，研究了道床断面尺寸如边坡坡度、顶面宽度、道床厚度、砟肩堆高对道床横向阻力的影响，分析了枕底、枕侧和砟肩阻力及其分担比例，得到以下结论:(1)坡度为1∶1.50 ～1∶1.85 时，横向阻力为10.315 ～16.475 kN.边坡变缓，枕底和枕侧阻力增大，砟肩阻力显著增大，道床横向阻力增大.坡度为1∶1.65 或更缓时，满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.但坡度缓于1∶1.80 时，横向阻力增幅减小.(2)道床顶面宽度为3.0 ～3.8 m 时，道床横向阻力为10.205 ～15.715 kN，顶面宽度增大，枕侧和砟肩阻力增大，砟肩阻力显著增大，道床横向阻力增大.顶面宽度为3.4 m 及以上时，可以满足横向阻力超过12 kN/枕的规定;顶面宽度超过3.6 m 后，横向阻力增幅减小.(3)道床厚度为200 ～400 mm 时，横向阻力为9.156 ～15.684 kN，道床厚度增大，枕侧和砟肩阻力增大，枕底阻力显著增大，道床横向阻力增大.横向推动轨枕会扰动道床，道床从上往下分层拖动，枕底阻力受道床厚度影响，而不是受枕底较小范围内的道砟影响. 道床厚度为300 mm 及以上时，能满足横向阻力超过12 kN/枕的规定;道床厚度超过350 mm 后，横向阻力增幅减小.(4)砟肩堆高为0 ～180 mm 时，砟肩阻力为2.010 ～5. 203 kN，道床横向阻力为9. 526 ～15.257 kN，砟肩堆高增大，枕底、枕侧阻力增大，砟肩阻力显著增大. 砟肩堆高在120 mm 及以上时，能满足横向阻力超过12 kN/枕的规定;砟肩堆高超过150 mm 后，横向阻力增幅减小. 采取砟肩堆高是提高横向阻力最经济、有效的措施.(5)考虑到一定的安全储备和建设成本，目前我国高速铁路的道床断面尺寸是经济合理的.但随着列车运营速度的不断提高，轮轨作用力增大，为防止无缝线路胀轨跑道、保证线路的安全运营，有必要进一步优化道床断面尺寸，提供合适的道床横向阻力.参考文献:【相关文献】［1］杨全亮，朱彬. 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道床纵向阻力系数
道床纵向阻力系数道床纵向阻力系数是指列车在运行过程中，由于道床的摩擦力和弹性变形所产生的纵向阻力。
这个系数对于铁路运输的安全性和经济性都有着重要的影响。
下面我们将从定义、计算方法、影响因素和改进措施等方面进行详细讲解。
一、定义道床纵向阻力系数是指列车在行驶过程中，由于道床的摩擦力和弹性变形所产生的纵向阻力与列车重量之比。
它反映了铁路运输中道床对列车牵引能力和制动能力的影响。
二、计算方法道床纵向阻力系数可以通过实验或理论计算得出。
其中实验法主要是通过在轨道上放置称重传感器，测量列车在不同速度下通过时所受到的阻力，并根据列车质量计算出系数值。
而理论计算法则需要考虑多种因素，如轮轴载荷、轮胎压缩量、轮胎与钢轨之间的接触面积等。
三、影响因素1. 道床状态：当道床表面光滑平整时，纵向阻力系数会较小，而当道床表面存在凸起或凹陷时，纵向阻力系数会增大。
2. 铁轨状态：铁轨的弯曲程度、钢轨的磨损程度、钢轨之间的间隙等都会影响到列车在行驶过程中所受到的纵向阻力。
3. 气候条件：气候条件也是影响道床纵向阻力系数的因素之一。
例如，在潮湿的环境下，道床表面容易出现积水和泥沙，从而增加了列车所受到的摩擦力。
4. 车辆质量和设计：车辆质量和设计也会对道床纵向阻力系数产生影响。
例如，重型货车在行驶过程中所受到的纵向阻力要比轻型客车大得多。
四、改进措施为了降低道床纵向阻力系数，提高铁路运输的安全性和经济性，可以采取以下措施：1. 加强维护管理：定期检查和修复铁路设施，保持道床表面平整光滑，并及时清理积水和泥沙等物质。
2. 优化车辆设计：通过改进车辆的质量和设计，减少列车在行驶过程中所受到的纵向阻力。
3. 采用新型材料：使用新型材料来制造铁路设施，如使用弹性模量高、耐磨损的材料来制造道床和钢轨等，可以有效地降低道床纵向阻力系数。
4. 优化列车运行方式：通过优化列车的运行方式，如减少急加速、急刹车等不良驾驶习惯，可以有效地降低列车在行驶过程中所受到的纵向阻力。
有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析
高也在规范中不断强化[3-4]. 然而，当列车高速通过时，砟肩堆高和枕心部位存在较大的空气负压力，是飞砟现象主要发生区域，影响行车安全[5]. 因此，研究不同形式的轨道结构对铁路发展十分重要. 尤其在“一带一路”倡议中，研究不同类型轨道结构，丰富我国轨道形式，对我国铁路走出去至关重要.梯形轨枕起源于日本，由两根纵向预应力混凝土梁和3根起连接作用的横向圆钢或方钢构成，适用于城市轨道交通、重载铁路和高速铁路[6]：（1）在城市轨道交通中，研究表明梯形轨枕能显著提高道床横向阻力，基于这一提升作用，梯形轨枕可用于优化有砟道床选型，例如降低砟肩堆高、减小砟肩宽度，这一优点可在大大节约道砟用量、减少占地面积[7-10].（2）在重载铁路上，相比Ⅲc型轨枕，梯形轨枕稳定性更好，能够减小列车经过时传递给道床的动荷载和振动. 因此，轨道养护维修频率低，使用寿命更长[9, 11-12].（3）在高速铁路无砟轨道中，梯形轨枕已有较多应用[10, 13]；在有砟轨道中，列车以350 km/h或更高速度运营时，存在飞砟风险，而梯型轨枕运用在有砟轨道上，采用平肩式道床，可降低飞砟风险.然而，现阶段对梯型轨枕有砟道床横向阻力数值和分担机理尚不明确. 本文基于现场试验，测定梯形轨枕有砟道床横向阻力，并与我国Ⅲc型轨枕进行对比. 需要说明的情况是，本次试验道床仅采用小型夯实机夯实，未经过列车碾压或大机稳定.1 方法及材料1.1 材料本次试验为道床横向阻力测试，测试地点位于北京交通大学滨海学院试验场内，铺设的12 m有砟道床作为试验平台. 试验道床厚度350 mm，边坡坡度1∶1.75. 试验采用道砟材质为玄武岩，各项指标均符合特级道砟要求[3].为保证道床密实，铺设时采用分层夯实方法，使用110型电动平板夯实机，350 mm厚道床分4层4次夯实铺设，轨枕放置后，枕心及砟肩部位采用3层3次夯实. 为确保试验对比准确，所有工况严格采用同样铺设夯实方法，保证道床密实度相同.梯形轨枕实长5.9 m，名义长6.0 m （铺设间隔0.1 m），质量3.6 t，2根预应力混凝土梁长5 900 mm，宽580 mm，厚185 mm，内侧间距840 mm，通过3根横截面长125 mm、宽75 mm的方钢连接，扣件中心间距600 mm，梯形轨枕与其结构如图1所示. 对比试验采用我国Ⅲc型轨枕.图 1 梯形轨枕Fig. 1 Ladder sleeper1.2 试验方法本文为道床横向阻力现场试验，梯型轨枕的测试无垂向荷载，采用临近轨道提供横向反力[13]. 反力装置分为两部分，第1部分采用6根长度4.0 m、外径48 mm、壁厚3 mm钢管横向排列，在1.3 m及2.6 m处加设横向钢管，扣件连接，钢管一端固定在临近道岔区钢轨上，另一端固定在架立起的钢轨上，此部分作为基础部分，可提供稳定的反力支撑；第2部分采用4根长度4.0 m、外径76 mm、壁厚3.5 mm 钢管，2根一组，一端固定在钢轨上，另一端放置千斤顶施加推力，此部分为传力部分，提供直接反力.反力装置整体情况如图2所示.图 2 反力装置Fig. 2 Counterforce device在梯形轨枕横向阻力测试中，采用2个10 t液压千斤顶分别布置在距轨枕端部1 400 mm处的两侧，采用同步分级加载方式；轮辐式压力传感器（量程10 t、灵敏度2 mV/V）连接INV3018A型数据采集仪记录压力值；2个位移计（量程30 mm、精度10西 南 交 通 大 学 学 报第 54 卷0.001 mm ）分别布置在梯形轨枕千斤顶的对侧两端，测定位移值. 现场布置与测试情况如图3（a ）所示.由于采用液压式千斤顶，每一级加载后，需要随时读数、补加压力，以保证推力稳定，待到位移基本不变或1 min 后，进行下一级加载. 位移计的读数与记录同推力保持一致，一一对应. 试验进行至阻力大致不变而轨枕位移不断增加时，认为达到阻力极限，停止加载. 每级加载前后记录两组数据. 试验采用严格相同的道床铺设方法，最大限度保证了每次试验道床情况的统一，因此，每种工况进行3次测试. 将平均值绘制成图，取位移2 mm 时对应的阻力值为此种工况的道床横向阻力[14-16].Ⅲc 型轨枕横向阻力测试中，采用自制反力架提供反力，1个液压式千斤顶加压，其余控制条件及测试标准与梯形轨枕相同. 现场试验情况如图3（b ）所示.(a ) 梯形轨枕横向阻力测试(b ) Ⅲc 型轨枕横向阻力测试图 3 横向阻力现场测试Fig. 3 Lateral resistance in situ test1.3 试验工况为研究梯形轨枕与Ⅲc 型轨枕的对比. 设置工况R1为砟肩宽度500 mm 、砟肩堆高150 mm 、Ⅲc型轨枕；工况R2为砟肩宽度500 mm 、平肩式（砟肩堆高为0）道床、Ⅲc 型轨枕. 为研究砟肩宽度对梯形轨枕横向阻力的影响，在平肩式道床基础上，设置工况A1～A4分别为砟肩宽度500、400、300、200 mm.为研究枕心高差的影响，在无砟肩的道床上，设置工况B1～B4分别为枕心饱满、降低40 mm （约为一个道砟粒径）、降低高度50%、枕心内无道砟. 与此同时，工况A1、B1、B4间组合、做差可表示梯形轨枕横向阻力分担. 10种工况具体情况如表1所示.表 1 工况类型Tab. 1 Test condition 工况砟肩宽度/mm 砟肩堆高/mm 枕心高差轨枕类型R1500150饱满Ⅲc 型R25000饱满Ⅲc 型A15000饱满梯形A24000饱满梯形A33000饱满梯形A42000饱满梯形B1饱满梯形B2降低40 mm 梯形B3降低50%梯形B40梯形2 结果与分析梯形轨枕总长6.0 m ，在相同长度上可铺设10根Ⅲc 型轨枕，因此道床横向阻力采用每延米阻力（kN/m ）进行对比分析.2.1 梯形轨枕与Ⅲc 型轨枕梯形轨枕与标准工况Ⅲc 型轨枕对比如图4所示. 结果表明，R1工况中，Ⅲc 型轨枕的横向阻力为16.11 kN/m. 然而，取消砟肩堆高后（R2），Ⅲc 型轨枕的横向阻力仅为11.75 kN/m ，降低了29%；在相同道床条件上铺设的梯形轨枕（A1）道床横向阻力为18.31 kN/m ，相比工况R1，提升约14%，相比工况R2，提升约55%.图 4 梯形轨枕与Ⅲc 型轨枕对比Fig. 4 Comparison between ladder sleeper and Ⅲc sleeper 2.2 砟肩宽度对梯形轨枕道床横向阻力影响不同砟肩宽度对梯形轨枕道床横向阻力影响如图5所示. 这一对比中，梯形轨枕均铺设在平肩式道床上，结果表明，工况A1 （砟肩宽度500 mm ），梯形轨枕道床横向阻力为18.31 kN/m ；工况A2 （400 mm ）为18.20 kN/m ；工况A3 （300 mm ）为18.14 kN/m ；工况A4 （200 mm ）为17.93 kN/m. 砟肩宽度由200 mm第 1 期井国庆，等：有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析11增加至500 mm 过程中，道床阻力无明显增加，并且，在砟肩宽度200 mm 时，铺设梯形轨枕的道床横向阻力已大于工况R1约13%. 由于梯形轨枕限位凸台宽度200 mm ，故200 mm 为最低砟肩宽度.图 5 砟肩宽度对梯形轨枕道床横向阻力的影响Fig. 5 Influence of shoulder width onladder sleeper lateral resistance2.3 枕心高差对梯形轨枕道床横向阻力影响枕心高差对横向阻力的影响如图7所示. 试验均为无砟肩道床，结果表明，枕心无道砟（工况B4）道床横向阻力为6.21 kN/m ，填入高度50%道砟（工况B3）阻力为11.46 kN/m ，降低40 mm （工况B2）阻力为13.43 kN/m ，枕心饱满 （工况B1）阻力为14.76 kN/m. 这一加高过程中，相比枕心无道砟，阻力分别提高约84%、116%、137%.图 6 枕心高差影响Fig. 6 Influence of crib height onladder sleeper lateral resistance2.4 梯形轨枕道床阻力分担工况A1的测试结果为道床横向阻力总值，工况B1的测试结果为轨枕底面与枕心两部分的阻力，工况B4的测试结果为轨枕底面的阻力，A1、B1的测试结果差值可表示砟肩部分阻力，B1、B4的测试结果差值可表示枕心部位阻力，由此可得到3部分道床横向阻力值及其分担. 结果如表2所示.表 2 梯形轨枕阻力分担Tab. 2 Ladder sleeper lateral-resistance constitution 阻力部分计算来源横向阻力/（kN•m –1）所占比例/%总值A118.31100枕底B4 6.2134端部A1、B1的差值 3.5519枕心B1、B4的差值8.5547相关研究表明，条形轨枕道床横向阻力的来源分为3个部分，受力情况如图7（a ）所示，F bottom 表示轨枕底面与道床的摩擦，承担整体阻力值的45%～50%；F side 表示轨枕侧面与枕心部位道砟的摩擦，承担15%～20%；F end 表示轨枕端部道砟抗剪提供的阻力，承担35%～40%[17-19]. 关于梯形轨枕与Ⅲc 形轨枕阻力差异分析可总结如下：（1） 梯形轨枕底部面积6.964 m 2，小于相同长度上10根Ⅲc 型轨枕7.72 m 2，因此梯形轨枕底面提供阻力值占比较小.（2） 不同于Ⅲc 轨枕侧面摩擦力F side ，由于梯型轨枕为纵向轨枕，枕心部分由轨枕框架内道砟抗剪（F crib ）提供. F side 占比较小，而F crib 则提供了最大部分阻力.（3）梯形轨枕端头面积为1.09 m 2，提供最少部分阻力，相同长度上Ⅲc 型轨枕端头面积为0.590 m 2.但由于Ⅲc 型轨枕端头间隔不连续，每一部分影响扩展深度更大，阻力更大.图 7 轨枕横向阻力构成Fig. 7 Constitution of lateral resistance 3 结 论本文基于现场试验测试梯形轨枕横向阻力，并与Ⅲc 型轨枕进行对比，分析了梯形轨枕道床阻力特性，结论如下：（1） 砟肩宽度500 mm 情况下，梯形轨枕平肩式道床，与Ⅲc 型轨枕，砟肩堆高150 mm 及平肩式相比，道床横向阻力分别提升约14%、55%.（2） 梯形轨枕砟肩宽度由200 mm 增加至500 mm 过程中阻力无明显增加，由于梯形轨枕限位凸台宽12西 南 交 通 大 学 学 报第 54 卷200 mm ，故不再降低砟肩宽度.（3） 梯形轨枕枕心高差由无砟变为填入50%道砟、较承轨台低40 mm 、饱满，这一过程中，道床横向阻力分别提高约84%、116%、137%，即枕心道砟道床阻力贡献显著.（4） 本次试验基于平肩式结构，梯形轨枕底部阻力占道床横向阻力总值34%；枕心提供约47%；端头阻力提供约19%.（5） 砟肩宽度200 mm 、平肩式道床上采用梯形轨枕，道床横向阻力已超过阻力最大的Ⅲc 型轨枕工况（砟肩宽度500 mm 、砟肩堆高150 mm ） 13%，由此表明采用梯形轨枕可大幅降低轨道占地及道砟用量.参考文献：井国庆. 铁路有砟道床[M]. 北京：中国铁道出版社，2012: 140-141.[ 1 ]KISH A. On the fundamentals of track lateralresistance[R]. 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钢枕道床横向阻力研究与结构优化
钢枕道床横向阻力研究与结构优化轧制钢枕是由轧制U型钢材锻压成形,两端下弯的一种半封闭槽型钢轨枕结构,安装时直接将钢枕嵌入到道床之中,利用腔内道砟与枕端两侧燕尾结构保证其轨道的稳定性。
截止目前钢枕发展应用已经超过已有100多年的历史,形成了具有寿命长、质量轻、承载能力大、结构简单可靠、适用性强等优点的完整钢枕-扣件结构系统,并且已经被广泛应用于澳大利亚、英国、北美、南美、非洲、东南亚等地区,其中澳大利亚作为钢枕的主要应用地区,其国内用量约占轨道总体轨枕用量的13%,预计到2020年将达到25%,并且已经形成完整的设计、加工、测试及应用技术体系。
目前钢枕除了适用于标准轨距普速及重载线路外,同样适用于包括宽/窄轨距、沙漠、丛林、山地等在内的复杂线路地段。
另外,道床横向阻力是保证无缝线路横向稳定性的重要参数。
主要受到轨枕类型、重量、道床类型及条件、养护维修作业等因素的影响。
但目前,受到重量轻、摩擦系数小、嵌入道床深度浅等自身结构特点产生的限制,其轨枕横向阻力低于混凝土轨枕,并且目前此方面的研究及对应结构优化方式尚且不足,导致当下钢枕应用速度等级仅仅局限于时速160km/h以下,成为无法应用于更高速度、更大轴重等级线路的一个重要原因。
本文针对目前钢枕道床横向阻力低以及相关结构优化研究尚且不足的研究现状,在后续综合分析总结国内外有砟轨道横向阻力研究现状以及现有混凝土轨枕横向阻力加固方案的基础上,提出4种钢枕横向阻力优化方案:优化端铲结构钢枕、加肋钢枕、枕下垫钢枕以及长道钉钢枕组合结构。
而后铺设足尺有砟轨道试验模型,采用单根轨枕横向阻力试验对U型钢枕及上述部分优化钢枕的横向稳定性进行试验研究;最后,基于现有三维激光扫描技术和离散单元法建立与上述试验轨道对应的三维钢枕-道床横向阻力试验模型,并基于上述试验结果验证后,从细观角度对上述各型钢枕结构横向阻力进行模拟,分析各型钢枕微观力学特性。
本文的具体主要工作和研究成果如下:1.采用单枕横向阻力试验对比研究U型轧制钢枕及Ⅲc混凝土轨枕横向阻力如上所述,国内外对钢枕横向阻力研究相对不足,加上我国对钢枕应用更是十分稀有,因此在我国有砟轨道道床标准下,钢枕横向稳定性尚未可知。
Ⅲ型混凝土轨枕道床纵、横向阻力试验分析
Ⅲ型混凝土轨枕道床纵、横向阻力试验分析杨全亮;朱彬【摘要】目前,我国新建、改建铁路有砟轨道普遍铺设Ⅲ型混凝土轨枕,但对于Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力尚未完全明确.确定Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力对于无缝线路设计、施工及养护均具有重要的现实意义,同时,为轨道设计、施工规范和验收标准的制定提供科学依据.通过试验分析,采用现场原位测试和数理统计分析方法,确定合理的道床纵、横向阻力值.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】3页(P4-6)【关键词】Ⅲ型混凝土轨枕;道床纵向阻力;道床横向阻力;无缝线路;试验分析【作者】杨全亮;朱彬【作者单位】铁道部经济规划研究院,北京,100038;中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉,430063【正文语种】中文【中图分类】U213.71 概述目前,我国新建、改建铁路有砟轨道普遍铺设Ⅲ型混凝土轨枕。
但对于Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力尚未完全明确,现行规范中关于Ⅲ型轨枕道床阻力基本参照Ⅱ型轨枕道床确定。
这就低估了Ⅲ型轨枕维持轨道几何形位的能力,无法体现Ⅲ型轨枕的技术优势。
因此,有必要通过现场原位试验分析对Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力加以确定。
道床纵、横向阻力是道床抵抗轨道纵、横向移动的阻抗力,包括轨枕与道床间的摩阻力和轨枕盒内道砟及砟肩抗推力。
其主要影响因素包括:轨枕类型及每公里铺设根数,道砟材质、级配、颗粒尺寸,道床断面尺寸,道床饱满、密实程度等。
道床纵、横向阻力是有砟轨道无缝线路设计、检算的重要基本参数:纵向阻力是进行桥上无缝线路纵向力及位移计算的基本参数,横向阻力是进行无缝线路稳定性检算的基本参数。
因此,合理确定Ⅲ型轨枕道床纵、横向阻力对于无缝线路设计、施工及养护均具有重要的现实意义,同时,为轨道设计、施工规范和验收标准的制定提供科学依据。
本次试验采用现场原位测试和数理统计分析方法,确定道床纵、横向阻力值。
试验地点选取武汉至襄樊增建第二线云梦段。
Ⅱ型轨枕和Ⅲ型轨枕轨道动力响应特性分析
中图分 类号 ： Ｕ ２ １ ３ ． ３ 文献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ２ ９
位， 减少养 护维 修工作 量 。
作 为有砟 轨道上 的 主型 枕 ， 国内对 Ⅲ型 枕 减 振 性
能 的研究 较少 ， 因此 ， 本 文分别 对 Ⅱ型枕 和 Ⅲ型枕进 行
正 弦规律 变化 的荷 载 时 的稳 态 响应 的一 种 分析 方 法 。 分析 的 目的是计 算 出结构 在一定 频率 范 围下 的响应并 得 到响应 值 对 频 率 的 曲 线 。从 这 些 曲线 上 可 以找 到 “ 峰值 ” 响应 ， 并 进一 步 观察 峰值 频 率 对应 的应 力 。需
简谐 力 。整体 力学 模型如 图 ２所示 。
使枕下支 承 面 积约 增 加 了 １ ７ ％， 端 侧 面 积 约 增 加 ２ ０ ％， 轨 枕质 量 约 增加 ３ １ ％， 有 效 地 提 高 了 道 床 的纵 向和横 向阻力 ， 减 缓 了重 载 运 输所 产 生 的道床 累积 变 形， 提 高 了线 路 的稳定 性 ； ② 轨下 和 中间截 面的设 计承
轨 道结 构是 承受 列 车运 行 的基 础设 备 ， 它 的作 用 是 引导 机车 车辆运 行 。轨道 结构在 机 车车辆荷 载 的反 复 作用下 的振 动是 导 致轨 道 破 坏 的 主要 原 因之 一 ， 并 直 接影 响列 车运行 平稳 和安 全 。特 别是 应用混 凝 土轨 枕 和重 型钢 轨增 加 了轨 道 的 刚度 ， 使 轮 轨 间 的 冲击 和 振 动更 为加 剧 。 Ⅲ型 枕作 为 目前 有砟 轨道上 使用 较多