试论混凝土轨枕线路的弹性与轨下胶垫合理刚度

冒宇超

【摘要】本文重点分析在混凝土轨枕线路推广应用背景下，采取适当措施以降低线路刚度水平，改善轨道与列车相互作用的方式与方法，明确了混凝土轨枕线路弹性水平与轨下胶垫合理刚度间的对应关系，认为混凝土轨枕替代传统木枕可有效节约木材资料，促进轨道稳定性水平的提升，其具有刚度大，轮载动态附加值高等特点。但与此同时，传统铁路混凝土枕线路多采用弹条扣件，但为进一步确保线路弹性水平的合理，可采用高弹性轨下胶垫，以改善轨道设备工作条件，促进设备承载力水平以及使用效率的合理提升，达到降低钢轨扣件刚度水平，获得线路最佳弹性状态的目的。

【关键词】混凝土；轨枕线路；弹性；刚度

众所周知，铁道线路弹性会直接对轨道列车设备以及线路结构物间的相互作用以及关系产生重要影响。新型轨下基础的应用在符合铁路运营重载化、高速化发展趋势的同时，也因受到线路弹性不足因素的影响可能产生一系列病害与故障，对线路稳定安全发展是非常不利的。从这一角度上来说，有关混凝土轨枕线路弹性问题以及轨下胶垫合理刚度问题的研究，已成为业内人士高度重视的课题。本文即尝试围绕上述问题进行研究与分析。

1 线路弹性与轮轨作用

线路构造以及车辆特性直接对列车沿轨道运行过程中所表现出的振动状态产生影响，轮轨作用力与线路刚度相似，具有随机性的特点，会受到机车车辆行走部分悬挂刚度、线路弹性特征、轨道线路平顺度等一系列因素的影响，其工作条件相对复杂。既往相关资料中认为，线路弹性水平优劣程度会直接对轮载动态附加值的形成产生重要影响。结合实测数据可知，假定轨道列车走行速度为100.0km/h，木枕线路刚度系数自夏季高温条件下的20.0MPa提升至冬季低温道床冻结条件下的60.0MPa，则会导致钢轨轮载动态附加值提升15.0％~20.0％左右。但对于混凝土枕线路而言，假定轨道列车走行速度为100.0km/h，路刚度系数自夏季高温条件下的100.0MPa提升至冬季低温道床冻结条件下的200.0MPa，则会导致钢轨轮载动态附加值提升50.0％~100.0％左右，线路走向平顺度以及簧下质量都会在一定程度上对该指标产生影响。对于混凝土枕而言，提高线路刚度水平意味着轨枕符合水平的增加。结合理论计算结果以及实测数据资料，在其他条件维持恒定状态的情况下，木枕线路轮载传递系数在0.3左右，替换为混凝土枕线路后，该参数提升至0.4左右。假定机车按照90.0km/h速度通过线路，铺设刚度400.0kN/cm轨下胶垫混凝土轨枕下截面弯矩荷载M可下降50％左右。

2 轨下胶垫合理刚度

为提高线路设备的安全性与可靠性，同时更好的满足重载、高速运输需求，在轨道重型化改造的过程当中，必须围绕轨下胶垫的基础刚度进行合理设计。一般经验表明，混凝土枕线路轨下基础刚度可以用（D枕下×D扣）/（D扣＋D枕下）的方式进行计算。当木枕被混凝土枕替换后，意味着线路轨下基础损失了由木枕所提供弹性水平，且导致道床与轨枕相对作用发生变化，轨枕振动频率提升，道床单位压力增加。除此以外，混凝土枕方案下轨道平直度采用垫砂起道的方式进行调整，这意味着线路道床容易发生板结现象，刚度水平有所提升，该方案下所对应轨下基础弹性模量多在100.0MPa~200.0MPa范围内，较木枕线路高出3~5倍。因此，为了能够尽可能调节混凝土枕弹性水平与木枕线路达到与执行状态，可尝试应用弹性良好的钢轨扣件，其所对应弹性性能与木枕相当，在300kN/cm左右。目前技术条件支持下，混凝土枕所采用钢轨扣件以不带铁垫板弹性扣件为主，其弹性水平主要来源于轨下胶垫以及弹条。

在组装钢轨扣件的过程中，扣件螺栓需拧紧至与轨底坡面、弹条呈三点接触的状态。该状态下，弹条端部对应扣着力在10.0kN左右，意味着轨下胶垫需承受压力在20.0kN左右，中端钢轨扣件压端变形力在8.0mm左右。当轨枕上方承受轮载作用力的情况下，轨下胶垫荷载需同时承受ξP轮载的影响，相对于胶垫而言还会在压缩变形量中增加一个△y垫影响，而对应在弹条产中端压缩变形量中减少一个△y垫影响，受到弹条松弛状态的影响导致端部扣着力下降△P扣（由D条×△y垫所计算得到）。从这一角度上来说，在轮载作用下，轨下胶垫对应压缩变形增量可以按照如下式进行描述：

△y垫＝ξP轮载/（D垫＋2·D条）...............................（1）

根据该式，对于弹条扣件而言，轨下胶垫刚度水平会同时受到来自弹条允许松弛量、轨底压力、弹条刚度等因素的影响。考虑到以往所适用普通弹条扣件刚度较木枕刚度高出许多，不符合铁路运营条件以及远期发展需求。因此为了能够更好的与高速、重载铁路运输需求相适应，可以采用高弹性轨下胶垫。与之相对应的扣件刚度以及轨下胶垫刚度计算结果可以整理如下表（见表1）所示。

表1：高弹性胶垫扣件刚度、轨下胶垫刚度计算结果示意表

ξP轮（kN）	△y垫（cm）	D扣（kN/cm）	D垫（kN/cm）	（D扣－D木枕）/D木枕	△y垫≤2.0mm
20	0.03	588.2	563.2	96.0	满足
40	0.05	754.6	729.7	151.5	满足
60	0.06	909.0	884.0	203.1	满足
80	0.08	1025.5	1000.5	241.9	满足
100	0.09	1111.1	1066.0	270.5	满足

3 结束语

本文上述分析中围绕混凝土轨枕线路弹性以及轨下胶垫合理刚度问题进行研究与分析，通过分析得出以下结论：（1）以混凝土轨枕替代传统木枕可有效节约木材资料，促进轨道稳定性水平的提升，其具有刚度大，轮载动态附加值高等特点；（2）传统铁路混凝土枕线路多采用弹条扣件，但为进一步确保线路弹性水平的合理，可采用高弹性轨下胶垫，以改善轨道设备工作条件，促进设备承载力水平以及使用效率的合理提升，达到降低钢轨扣件刚度水平，获得线路最佳弹性状态的目的。

参考文献：

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