钢枕道床横向阻力研究与结构优化
重载铁路横向力对钢轨倾覆影响研究_常卫华
施加不同大小的横向力来分析扣件的受力情况 。 在钢轨受到横向力 150 kN 的作用下， 荷载作用点 处的扣件横向受力最大， 为 30． 239 kN， 且距荷载作用 点越远的扣件受到的横向力越小 。 钢轨承受不同大小的横向力作用， 扣件横向受力 最大值变化如表 1 所示。
Study on Impact of Lateral Force of Heavy Haul Railway on Rail Overturn
CHANG Wei － hua （ China Railway First Survey and Design Group Ltd，Xi＇an，Shanxi 710043 ，China） Abstract： Research purposes： With the continuous development of the heavy haul railway in China，the lateral force between wheel and rail is gradually increasing． The track resistance capacity of lateral force has become a key factor of controlling the track stability and train running saftety． Therefore，the study on the corresponding critical lateral force of the track boundary is crucial to guaranteeing the safety of railway transportation． Research conclusions： The structure model established with the finite element software ANSYS was adopted to analyze the impact of the rail lateral force of heavy haul railway on the fastening stress，lateral deformation of rail head，rail base elevation and rail pad deformation，and the change regulations of deformation and stress of all track components were obtained． According to the simulation of track structure，when the lateral force on rail was bigger than 250 kN，the rail overturn possibly happed． Key words： heavy haul railway； rail； fastening； rail pad 车辆在直线轨道上的横向运动稳定性直接决定 着车辆运行的安全性。轨道横向不平顺以及轨缝等局 部不平顺都可能引起较大的横向力， 横向力过大可能 会导致钢轨倾覆， 发生重大交通事故。 提下， 使模型尽可能地简单。 文中主要研究的是钢轨倾覆， 包括钢轨轨头横向 变形和轨底抬高， 所以只需模拟轨枕以上的轨道结构 ， 包括钢轨和扣件两部分。由于需要考虑钢轨具体受力 因此， 点的位置以及精确模拟扣件与轨下胶垫的位置 ， 钢轨按实际截面尺寸建模， 并选用实体单元对其进行 使 离散处理。扣件与轨下胶垫均选用弹簧单元模拟，
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
【相关文献】
1.框架优化型Ⅲc轨枕道床横向阻力试验研究
2.Ⅲ型混凝土轨枕有砟道床纵横向阻力设计参数试验研究
3.Ⅲ型混凝土轨枕道床纵、横向阻力试验分析
4.复合轨枕道床横向阻力增强方法
5.钢棒加强式轨枕道床的纵横向阻力试验研究
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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
ｓ ｅ ｄ—ｒ ｉｅ ｏ ｈ ｘｓｉ ｇ ｌ ｅ ｎ Ｃ ｉ ａ ｔ ｅ Ｉ — ｔ ｐ ｏ ｃ ｅｅ ｓｅ ｐ ｒ ｈ ｓ ｂ ｅ ｄ ｌ ｓ ｄ ｉ ａｌｓ ｔ ｃ ． ｐｅ ａｓ ｆ ｔ ｅ ｅ ｉｔ ｉ ｓ ｉ ｈ ｎ ， ｈ １ ｎ ｎ ｙ ｅ ｃ ｎ ｒ ｔ ｌｅ ｅ ａ ｅ ｎ ｗｉｅ ｙ ｕ ｅ ｎ ｂ ｌ ｔ ｒ ｋ ａ ａ Ｍｅ ｎ ｉ ，ｔ ｅ ｃ ｏ ｓ—ｓ ｃ ｉｎ ｓｚ ｆ ａ ａ ｔ ｅ ｂ ｌ ｓ ｔｒａ ｎ ｒ ｉ ｒ ｄ ｔ ｎ ｈ ｖ ｅ ｎ ｃ ｎ ｉ ｕ ｌ ｔ ｎ ｔ ｅ ｅ ａｔ ｍｅ ｈ ｒ ｓ ｅ ｔ ｉｅｏ ｌ ｓ ｂ ｄ， ａｌ ｔ ｏ ｂ ｌ ａ ｍａ ｅ ｉｌ ｄ ｇ ａｎ ｇ ａ ａｉ ａ ｅｂ ｅ ｏ ｔ ａｌ ｓ ｅ ｇｈ ｎ ｄ ａ ｏ ｎ ｙ ｒ
不同捣固阶段有砟道床阻力特性试验研究
不同捣固阶段有砟道床阻力特性试验研究王卫东;宋善义;颜海建;肖彬;王国术;曾志平【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(049)008【摘要】为确定不同捣固次数下道床横纵向阻力变化规律以及横纵向阻力之间的相关性,以湖南长株潭城际铁路有砟轨道道床为研究对象,沿线进行现场原位试验;根据试验结果,采用数据分析方法,研究不同捣固阶段道床横、纵向阻力特征.建立不同捣固阶段道床横、纵向阻力随轨枕位移变化的幂函数模型;研究结果表明:道床阻力并非随捣固次数增加而逐渐增大,捣固6遍时,道床处于限制轨枕在水平方向位移的最佳状态,道床横、纵向阻力最大;在不同捣固阶段,道床横、纵向阻力随着轨枕位移增大而增大,当轨枕位移达到4 mm左右时,道床阻力趋于稳定;不同捣固阶段道床横、纵向阻力之间均呈现强线性相关性,建议采用道床横向阻力检验指标代替道床横、纵向阻力检验指标.研究成果可为无缝线路设计、施工和养护维修提供参考.【总页数】6页(P2003-2008)【作者】王卫东;宋善义;颜海建;肖彬;王国术;曾志平【作者单位】中南大学土木工程学院,湖南长沙,410075;中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室,湖南长沙,410075;中南大学土木工程学院,湖南长沙,410075;中铁十四局集团第五工程公司,山东济宁,272117;中铁十四局集团第五工程公司,山东济宁,272117;中铁十四局集团第五工程公司,山东济宁,272117;中南大学土木工程学院,湖南长沙,410075;中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室,湖南长沙,410075【正文语种】中文【中图分类】U213.2【相关文献】1.基于离散元法的有砟道床阻力特性研究 [J], 曾志平;宋善义;王卫东;颜海建;王国术;肖彬2.高速铁路有砟道床横向阻力特性与固化技术 [J], 井国庆; 贾文利; 付豪; 卢炜3.高铁有砟轨道人工起道捣固作业质量控制 [J], 邱俊雄4.有砟高铁大机捣固质量相关性及敏感波长研究 [J], 王英杰;楚杭;时瑾;陈云峰;康彦波5.浅谈有砟高铁大机捣固施工组织 [J], 杨永春因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
新型钢枕轨道结构受力特性影响因素分析
Abstract: Aiming at the track irregularity problem caused by the foundation settlement of track transition
section, a new kind of steel sleeper that can automatically compensate the foundation settlement is
第 63 卷摇 第 9 期 2019 年 9 月
文章编号:1004 2954(2019)09 0001 05
铁道标准设计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN
Vol. 63摇 No. 9 Sep. 2019
新型钢枕轨道结构受力特性影响因素分析
张鹏飞, 朱摇 勇, 雷晓燕
( 华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,南昌摇 330013)
steel sleeper is established based on the finite element method, and the influences of the track parameters
such as rail pad stiffness, steel sleeper spacing and elastic modulus of ballast bed on the mechanical
characteristics of the steel sleeper track structure are analyzed. Results show that rail pad stiffness has the
most significant influence on the mechanical characteristics of the rail; with the increase of the rail pad
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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基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制
第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.2Feb. 2024基于离散元−有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制谭攀1，肖源杰1, 2，姜钰1，王萌1，王小明1，张冲冲1，TUTUMLUER Erol 1, 2, 3(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2. 重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学)，湖南 长沙，410075；3. 伊利诺伊大学 香槟分校，香槟 61801，美国)摘要：轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构，现有研究大多集中于USP 对轨道结构刚度和振动响应的影响，但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。
为深入分析USP 对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理，建立轨枕−USP −有砟道床−路基三维系统的精细化离散元−有限差分(DEM −FDM)耦合数值模型，采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证，进而模拟分析不同工况组合下USP 对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。
研究结果表明：在相同的轨枕横向位移下，相较于无USP 的轨枕，带USP 的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大，横向阻力也更大，且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP 的不平整性；USP 刚度越大，道床横向阻力也越大；采用USP 可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力，且两者数值均随USP 刚度的增大而增大。
关键词：铁路轨道；有砟道床；道砟；轨枕垫；横向阻力；离散元−有限差分耦合中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）02-0457-16Mechanism of under-sleeper pads influencing lateral resistance of ballasted trackbed based on coupled discrete element-finitedifference method(DEM-FDM) simulationsTAN Pan 1, XIAO Yuanjie 1, 2, JIANG Yu 1, WANG Meng 1, WANG Xiaoming 1,ZHANG Chongchong 1, TUTUMLUER Erol 1, 2, 3收稿日期： 2023 −04 −15； 修回日期： 2023 −06 −22基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1934209，52178443，51878673)；中国铁道科学研究院科技研究开发计划重大课题(2020YJ022，2019YJ026)；重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学)开放课题(2021JZZ01，2021JZZ02，2022JZZ03) (Projects(U1934209, 52178443, 51878673) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2020YJ022, 2019YJ026) supported by the Key R&D Program of Chinese Academy of Railway Sciences; Projects(2021JZZ01, 2021JZZ02, 2022JZZ03) supported by the Open Foundation of MOE Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway, Central South University)通信作者：肖源杰，博士，教授，从事交通岩土工程研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.02.002引用格式： 谭攀, 肖源杰, 姜钰, 等. 基于离散元−有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(2): 457−472.Citation: TAN Pan, XIAO Yuanjie, JIANG Yu, et al. Mechanism of under-sleeper pads influencing lateral resistance of ballasted trackbed based on coupled discrete element-finite difference method(DEM-FDM) simulations[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2024, 55(2): 457−472.第 55 卷中南大学学报(自然科学版)(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. MOE Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway, Central South University,Changsha 410075, China;3. University of Illinois at Urbana−Champaign, Urbana 61801, America)Abstract:The under-sleeper pad (USP) is extensively used in railway track structures due to its desired damping performance. The impact of USP on the stiffness and dynamic responses of track structures is well documented in the majority of the existing studies. However, few studies focus on its influence on the lateral resistance of ballast bed. To address this deficiency and further disclose its governing mechanisms, a refined numerical model coupling discrete element-finite difference methods (DEM-FDM) was established for the three-dimensional(3D) sleeper−USP−ballast bed−subgrade system. The numerical model was subsequently calibrated and verified by using field-measured lateral resistance results of the ballast bed of a typical heavy-haul railroad. The influencing mechanismsof USP on the multiscale performance indicators including lateral resistance of different parts (i.e., the bottom, side, and end) of the loaded rail sleeper, ballast particle motion and inter-particle contact forces were simulated and analyzed from a variety of numerical simulation scenarios. The results show that at the same level of lateral sleeper displacement, the mobilized ballast particles under the rail sleeper with USP are located in a greater depth than those under the rail sleeper without USP, thus resulting in greater lateral resistance of the rail sleeper. The unevenness of the USP surface is a major contributing factor of the increase in lateral sleeper resistance. Greater USP stiffness results in higher lateral sleeper resistance. The use of the USP can increase the lateral shear stress and the maximum normal contact forces within the ballast bed underneath the rail sleeper, both of which increase with the increase of the USP stiffness.Key words: railroad track; ballast bed; ballast; under-sleeper pad; lateral resistance; discrete-f element inite difference methods有砟道床广泛应用于重载和高速铁路。
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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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。
WJ-7型扣件横向阻力试验研究
WJ-7型扣件横向阻力试验研究张东阳;汪杰;陈帅;刘学毅;杨荣山【摘要】为确定轨条碎弯时W J-7型扣件的横向刚度取值,在实验室条件下,对一段安装了一组扣件的短钢轨加载横向力,测量扣件铁垫板和钢轨截面轨头、轨腰、轨底的横向位移,考虑到试验误差,只取均匀性较好5组数据分析横向力与位移之间的关系.试验结果表明:铁垫板位移随横向力的加载呈线性增加;以铁垫板产生单位位移所需施加的横向力表征横向刚度,常阻力扣件横向刚度在143.7 ～ 162.1kN/mm,小阻力扣件横向刚度在130.2～138.9 kN/mm;钢轨截面各位置横向位移曲线由二次抛物线和直线两部分组成.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2019(063)006【总页数】4页(P34-37)【关键词】钢轨碎弯;WJ-7型扣件;横向刚度;误差分析;横向阻力;钢轨偏转【作者】张东阳;汪杰;陈帅;刘学毅;杨荣山【作者单位】西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031【正文语种】中文【中图分类】U213.2+44无砟轨道整体性强，一般认为应该不存在线路失稳问题。
但是当温度力过大、扣件工作状态不良、锁定轨温降低时，轨条会发生碎弯[1-3]。
随着无砟轨道无缝线路应用的推广，在夏季高温天气出现钢轨碎弯的现场病害也越发突出[4]。
钢轨碎弯与扣件的横向阻力直接相关，但是扣件横向阻力比较复杂，与扣件类型、结构构造、生产工艺、施工质量等密切相关，在以往用有限元方法对钢轨变形和线路横向稳定性的研究中[5-11]，横向刚度取值往往都是在一个设定的范围内。
现在以WJ-7型扣件为例，WJ-7型扣件是在原WJ-1、WJ-2型扣件系统的基础上优化改进而成的弹性分开式无挡肩扣件系统[12-15]，主要应用于CRTSI型板式无砟轨道。
道床参数对无缝线路稳定性的试验研究
道床参数对无缝线路稳定性的试验研究在有砟轨道上，道床对轨枕的横向阻力在轨道的横向稳定性中有着重要作用。
文章先对道床肩宽与砟肩堆高这两个参数独立研究，分析各自参数的改变与道床阻力的增长关系，然后将二者得到的实验数据拟合到一起，分析两参数的组合与道床阻力特性的关系，得出提高道床横向阻力的最佳参数分布域。
标签：道床参数；无缝线路；稳定性1 概述道床横向阻力是预防有砟轨道无缝线路胀轨跑道的关键因素，在无缝线路高稳定性要求下，保证道床具有一定的横向阻力意义重大[1]。
道床横向阻力由枕底、枕侧和砟肩阻力组成，国内外针对道床横向阻力做了大量研究工作，道床与轨枕之间的摩擦阻力在道床横向阻力中占绝大比例[2]。
在本试验中，关于道床横向阻力的特性，通过在现场使用仪器测量不用道床肩部形状下的横向阻力得出数据得出结论。
2 试验概况2.1 设备情况试验设备主要采用了机械式道床阻力测试装置。
该阻力测试装置主要包含两个部分，压力加载部分和数据读取部分，其中压力加载部分主要是使用液压千斤顶对钢轨进行加载以便轨枕产生横向位移，如图1组中左侧所示，数据读取部分主要是依靠百分表等部件测试轨枕受力后产生的位移情况，如图1中右侧所示。
2.2 实验工况从轨道结构体系的受力角度来看，道床的砟肩宽度对道床横向阻力产生很大的影响，虽然从理论上说随着肩宽的增大道床的横向阻力会逐渐增加，但肩宽过大也会提高对人力物力的要求，因此选择一个适度的道床肩宽一直以来都是一个值得研究的问题[3]。
在文章的实验研究中道床肩宽的参数依据《铁路轨道设计规范TB10082-2005》的规定选定为20厘米、30厘米、40厘米、50厘米、60厘米。
3 测试方案与方法3.1 测试方法道床横向阻力采用试验现场原位测试方法测试，将被测轨枕所有扣件松开，并抽出胶垫，利用钢轨提供的反力横向推移被测轨枕。
测试采用千斤顶施加横向推力，测力仪记录推力数值，百分表记录轨枕位移。
3.2 数据处理及分析考虑到无缝线路失稳破坏通常发生在道床横向阻力较为薄弱的地段，故对于横向阻力实测数据的处理采用偏于保守的数理统计方法。
双块式轨枕道床横向阻力试验与力学分析
ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｃ Ｗ Ｒ． Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｂ ａ ｌ ｌ ａ ｓ ｔ ｅ ｄ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｉ ｎ ｇ ｍｏ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｅ ｘ，ｍｏ ｒ ｅ ｃ ｈ ｌｌ ａ ｅ ｎ ｇ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｌ ｅ ｅ ｐ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ Ｒ ＡＭＳ
２ ０ １ ７年 １ １ 月 第 １ １ 期（ 总２ ３ ０ ）
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道
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ＮＯ Ｖ ２ ０１ ７
Ｊ ＯＵＲＮ ＡＬ Ｏ Ｆ Ｒ ＡＩ Ｌ ＷＡ Ｙ Ｅ ＮＧＩ ＮＥ ＥＲＩ ＮＧ Ｓ ＯＣ Ｉ Ｅ Ｔ Ｙ
Ｎ Ｏ ． １ １ （ Ｓ ｅ ｒ ． ２ ３ ０ ）
文章 编 号 ： １ ０ ０ ６— ２ １ ０ ６ （ ２ ０ １ ７ ） １ １ — ０ ０ ２ ３—０ ４
Ｊ Ｉ Ｎ Ｇ Ｇｕ ｏ—ｑ ｉ ｎ ｇ 。 ， ＱＩ ＡＮ Ｇ Ｗｅ ｉ — ｌ ｅ ， Ｊ Ｉ Ａ Ｗｅ ｎ— ｌ ｉ ， Ｙ ＡＯ Ｌ ｉ
（ １ ．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；２ ．Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ Ｅ ｒ ｙ ｕ ａ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ．Ｌ ｔ ｄ ，
道床刚度作业指导书
道床检测（刚度、纵向阻力、横向阻力）作业指导书道床检测（刚度、纵向阻力、横向阻力）作业指导书1 设备操作及参数设置1.1使用时将压力传感器、位移传感器一和位移传感器二插头分别接到相应的插座上。
（注意：压力传感器是和仪器配套使用的不可接错，即接到压力插座上的传感器的编号应与压力插座旁的编号一致。
）1.2将电源接头插在“电池一”的插座上。
电源开关按向“I”，即接通仪器电源。
（可自配电池，接入电池二插座，电源开关按向“II”。
）1.3设备操作步骤①开机打开电源开关（注：当电池电压小于5V时会显示，如下图，表明电池电压不足，应充电。
如果电池电压正常＞9V，可以按键，进入相应的工作状态）。
RIGIDITY INSTRU DATE:2000.08.15 TIME:15:24:34 VOLTAGE:5V RIGIDITY INSTRU DATE:2000.08.15 TIME:15:24:34 SHOULD CHARGE②系统设定按“系统设定”键，显示如下图SYSTEM SETTIMEPRESSUREUp/DownEnter/Esc按“2/▼”移动“*”到“TIME”（时间设定状态）或“PRESSURE”（压力参数设定状态）即可进行系统设定，按“确认”键，确认设定，按“取消”键，系统退出。
③测量测量分“手动测量”、“阻力测量”和“刚度测量”三种方法。
手动测量：按“9/手动”---按“打印”，可打印当前的测量值。
阻力测量：按“8/阻力”---按“打印”，可打印当前的测量值。
刚度测量：按“7/刚度”---按“./自零”，之后的位移输出值为测量值减去当前值，并显示S0，（注：查看一下“D：”后面是不是00.00）；开始施压，缓慢、匀速（一个刚度测量循环为一个升压过程和降压过程，保证压力每秒上升或下降不大于1kN，且最大压力大于7.5kN小于等于50kN，保证升压过程中压力连续平稳上升，波动小于5kN），压到≥35kN（不得小于35kN，否则不打印）；卸油，缓慢卸载，力值卸载到0时自动打印。
米轨铁路钢枕有砟道床横向阻力试验与仿真
2021年2月第2期（总269)铁道工程学报JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETYFeb 2021N0.2(Ser. 269)文章编号：1006 -2106(2021)02-0058-05米轨铁路钢枕有砟道床横向阻力试验与仿真韩义涛^尤睿2李粮余1韦凯2(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031; 2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都610031)摘要:研究目的：为探究米轨铁路钢枕道床横向阻力变化特征,本文开展米轨铁路钢枕道床横向阻力试验，并基于离散元法建立并研究米轨钢枕有砟道床横向阻力,通过试验结果验证米轨钢枕有砟道床离散元模型，同时采用离散元法分别探究砟肩堆高、道床肩宽和道床边坡坡度对米轨铁路钢枕道床横向阻力的影响。
研究结论：（1)轨枕横向移动2 m m时米轨钢枕道床横向阻力均值为7.48 kN，比离散元仿真值7.26 kN 大3.03%,采用离散元法研究米轨钢枕道床横向阻力是可靠的；（2〉随着砟肩高度的增加，米轨钢枕道床横向阻力在不断增大，并且在砟肩堆高100 -150 m m时，米轨钢枕的道床横向阻力幅值明显增加，而砟肩高度超过150 m m后对米轨钢枕道床横向阻力的影响较小;（3)米轨钢枕道床横向阻力随着道床肩宽的增加而不断增大，并且道床肩宽在400 ~500 m m时，米轨钢枕的道床横向阻力幅值明显增加，而道床肩宽超过500 mm时，米轨钢枕道床横向阻力幅值增加较小；（4)随着道床边坡坡度的减小，米轨钢枕道床横向阻力在不断增大，并且道床边坡在1: 1.5〜1:1.75时能显著提高米轨钢枕道床横向阻力；（5)本研究成果可指导米轨铁路钢枕有砟道床的设计与施工，并可为米轨铁路无缝线路设计理论提供参考依据。
关键词:米轨铁路;钢枕;道床横向阻力；断面尺寸中图分类号:U213.7 文献标识码:AExperiment and Simulation of Lateral Resistance of Meter -gage Railway Ballast Bed for Steel SleeperHAN Yitao1, YOU Rui2, LI Liangyu1, WEI Kai2(1. C hina Railway Eryuan Engineering Group Co. L td, C hengdu, Sichuan 610031 , C h in a；2. MOE key Laboratory of High - speed Railway E ngineering, Southwest Jiaotong U niversity, C hengdu, Sichuan 610031 , C hina)Abstract ：Research purposes ：In order to explore the characteristics of the lateral resistance change of the steel sleeper ballast bed of the m eter - gage railw ay, the lateral resistance experim ent of the steel sleeper ballast bed for the m eter -gage railway is carried o u t, and the lateral resistance of the meter - gauge steel sleeper ballast bed based on the discrete elem ent m ethod is established and studied. The discrete elem ent model of the steel sleeper ballast bed for the railway is verified by experim ent results. At the sam e tim e, the discrete elem ent model is used to explore the influence of shoulder h e ig h t, ballast bed shoulder width and ballast bed slope grade on the lateral resistance of m eter - gage ballast bed for steel sleep er, in order to provide guidance value for the steel sleeper ballast bed section dim ension design of the m eter -gage railway and the theory of continues w elded rail.Research conclusions ： ( 1) W hen the sleeper moves laterally by 2 m m, the average lateral resistance of the m eter - gage railway steel sleeper ballast bed is 7. 48 k N, which is 3. 03%greater than the discrete elem ent sim ulation value of收稿日期:2020-12-22基金项目：旅游铁路米轨轨道系统成套关键技术研究（KYY2018097( 18 - 19))作者简介:韩义涛，1980年出生，男，高级工程师。
必要之道碴横向阻力与为达成其目标之轨道构造标准
500㎜以上
1/2以上
500㎜以上
－
300≦R＜400
720以上
500㎜以上
其他方式
500㎜以上
其他方式
注：表中之对策措施为实施增加道碴横向阻力之方式，例如为防止挫屈於轨枕端部装置翼钣，同栏之数值为「1/2」即是轨枕2根中於1根装设翼钣。
－
－
400≦R＜500
500以上
400㎜以上
1/2以上
400㎜以上
－
500㎜以上
－
－
300≦R＜400
570以上
400㎜以上
1/1
400㎜以上
－
500㎜以上
1/3以上
－
60kg
600≦R
500以上
500㎜以上
－
500㎜以上
－
500≦R＜600
550以上
500㎜以上
1/4以上
500㎜以上
－
400≦R＜500
表4必要之道碴横向阻力与为达成其目标之轨道构造标准
钢轨
曲线半径(m)
道碴横向阻力(kgf/m)
6号、4号型有道碴弹性枕木
特殊型枕木(装设挡碴钣)
道碴肩宽
对策措施
道碴肩宽
对策措施
50N
600≦R
400以上
400㎜以上
－
400㎜以上
－
500≦R＜600
450以上
400㎜以上
1/3以上
400㎜以上
－Hale Waihona Puke 500㎜以上
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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。
此外,道床砟肩宽度和堆高是影响轨枕横向阻力的两个重要参数,此二者对钢枕横向阻力的影响亦不明确。
因此,本文基于足尺有砟道床横向阻力试验模型,对我国生产制作的U型钢
枕进行试验研究,具体量化分析砟肩宽度和堆高对我国U型钢枕横向阻力影响规律,并将其与我国Ⅲc型轨枕同等工况下的试验结果进行比较,分析提升效果间
的差异性。
试验研究结果表明:钢枕横向阻力低于Ⅲc型轨枕,并且相对于Ⅲc型轨枕,道床砟肩宽度和堆高增加对于U型钢枕横向阻力提升效果会大幅降低,并
且通过钢枕阻力分担研究可知,其横向阻力形成主要来自于枕腔内道砟与钢枕的相互作用。
2.对现有U型钢枕进行横向阻力优化设计,加工制作加肋钢枕和枕下垫钢枕,并对此二者进行道床横向阻力试验研究基于文中第一章对轨枕横向稳定性加固
方案的总结可知,现有增强方案多为:增加道砟-轨枕间剪切带(提升二者剪切作用)、增大枕底摩擦系数。
故本文基于钢枕的槽型结构特性,设计制作多种数目加肋钢枕,同时制作增加枕底摩擦系数的枕下垫钢枕,以期在达到提升钢枕横向阻
力目的的同时,降低钢枕道床接触面刚度,减缓钢枕振动噪声大、枕底道砟易劣化的问题。
而后对其进行横向阻力试验研究,明确二者对钢枕阻力的提升效果,并与Ⅲc 型轨枕试验结果进行对比分析。
试验结果表明:加肋钢枕和枕下垫钢枕均可提升钢枕横向阻力,其中加肋钢枕效果更优,部分工况与Ⅲc型轨枕结果相当。
3.建立三维钢枕-道床横向阻力试验模型,通过参数分析研究各型钢枕阻力提升情况,并分析钢枕与道床相互作用的微观力学特性受制于U型钢枕制式和试验条件限制,无法利用试验研究优化端铲钢枕及长道钉钢枕。
同时,由于钢枕结构的特殊性,按照一般定义,其实际枕底道床厚度与传统条枕不同,故本文亦从横向阻力角度去分析钢枕最佳道床厚度。
基于上述条件,本文通过建立的三维钢枕-道床横向阻力试验数值模型,对道床厚度、优化端铲结构倾角、深度、竖向肋板数目、道钉长度等进行横向阻力参数分析,同时从道床位移云图及道砟-轨枕接触状态等微观角度去分析各型钢枕横向阻力形成及提升机理。
具体研究结果为:优化端铲、加肋及长道钉钢枕结构均可将钢枕横向阻力提升至与Ⅲc轨枕同等甚至更优水平,结构优化设计简单高效。
图81幅,表36个,参考文献99篇。