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Construction and Building Materials 186 (2018) 1268–1275

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Construction and Building Materials

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对不同类型钢制轨枕在有砟轨道上产生横向位移的研究

井国庆、 付豪、 佩曼·艾拉

北京交通大学土木工程学院，北京100044，中国

重点：

• 研究了橡胶层和钢加劲肋增强的钢制轨枕性能。
• 通过拉拔试验研究了各影响因素对钢轨枕的侧向阻力的影响。
• 道床各结构作用对侧向阻力的影响.

文章信息

文章历史记录：

2018年5月25日收到

2018年7月11日修订表

收到2018年7月12日接受

在线 2018 年 8 月 20 日

关键词：钢轨枕 ；橡胶垫；钢加劲肋；侧向阻力；道砟

PFC^3D

摘要

本研究对放置在具有不同肩高和肩宽的道砟层上的不同类型的钢制轨枕的横向阻力进行了研究。进行了一些拉拔试验测试，以验证增加缓冲橡胶层和腹板加劲肋对轨枕与道砟相互作用的影响。接下来，由PFC 3D进行离散元数值模拟，以模拟道砟肩高对钢轨横向阻力的影响作用。根据实验结果，与传统钢制轨枕相比，使用3个腹板加劲肋固件的钢轨枕横向阻力增加了约70%。

另一方面，离散元模拟结果表明，道床对钢轨枕的侧向阻力影响中比所有道床结构都高，并且钢轨枕使用腹板加劲肋可以增加9%的轨枕底面对道砟/轨枕相互作用效果。

copy; 2018 埃尔塞维尔有限公司所有权利保留。

1.介绍

轨枕的侧向位移是无缝线路 （CWR） 轨道中的一个主要问题，也是无缝轨道侧抗力不足产生屈曲的主要原因。横向位移的来源由轨枕移动、轨枕和道砟层之间的相互作用变化以及热负荷组成[1]。在有砟轨道横向位移的不同来源中，人们越来越关注轨枕类型对有砟轨道的影响。通过对混凝土、木制和钢轨枕的试验，混凝土轨枕的横向阻抗力是最大的[2]。然而，由于技术和经济因素的影响，钢轨枕在非洲、印度和英国被广泛使用[3]，其规格由荷兰.J描述。[4].此类轨枕的优点包括制造尺寸和形式多样、有效分配道砟层应力、有效减少

[相应的作者。

电子邮件地址：p_aela@alumni.iust.ac.ir（P. 艾拉）。

道床深度，易于运输和安装[5]，并且钢轨枕材料100%可回收再利用[6]。另一方面，从经济角度来看，与使用混凝土轨枕相比，使用钢轨枕的成本降低了40%。 另外，到目前为止，一些钢制轨枕已经应用于铁轨上。钢桥轨枕、镀锌钢槽轨枕和传统的钢制轨枕是铁路轨道中常用的产品 （图1）.如图1（c）所示，稍作修改，Czyczuiacute;a，W。[8] 提出了一种 Y 形钢轨枕，特别是对于急转弯处，可以改善应力载荷的扩散 [9]，有效减少道砟的使用。最近，Zakeri等人进行大量的拉拔试验，[10] 对加劲肋加固后的钢轨枕进行侧阻力分析。结果发现，加劲肋数目越多，侧阻力就越大。

在文献综述中，没有发现考虑道砟层各结构与钢轨枕接触表面之间的相互作用的研究。到目前为止，对于有加劲肋的钢轨枕后期抗力影响的研究还比较局限 [10]。据作者所知，没有关于钢轨枕通过附在轨枕底面的缓冲橡胶层加固对于钢轨枕侧向阻力影响的研究报告。

G. Jing等人 / 建筑和建筑材料 186 （2018） 1268_1275 1269

图1.（a） 钢桥轨枕 SBS [11]， （b） 传统钢制轨枕 [12]， （c） Y 型钢制轨枕[13]， （d） 镀锌钢槽轨枕 [14].

由于铁路轨道的侧阻力明显受到道砟与钢轨枕底部摩擦力的影响，通过改变接触表面从光滑到粗糙的应用，对于提高道砟层的侧向稳定性似乎十分有效。

为实现这一目标，通过拉拔试验（STPT）对不同类型的钢轨枕的侧向阻力进行了比较，研究了道床层几何形状对钢制轨枕侧向阻力的影响。此外，模拟利用PFC对拉拔试验进行了仿真模拟， 进行

数值计算轨枕与道砟层不同结构的接触力。

2.道砟和钢制轨枕规格

如图2（a）所示，根据国家标准TBT 2140提出的颗粒大小分布，使用了玄武岩颗粒。 试验中使用的所有钢制轨枕的横截面和规格均相同，如图2（b）和表1所示。 在本研究中，用两种不同的方法

图2.（a） 道砟颗粒级配，（b） 钢轨枕的横截面。

试图考虑软化和硬化的钢轨枕的底部表面。

表2

橡胶层参数

Fig. 3 所示为不同类型的轨枕，分为常规型钢轨枕（U型）、采用腹板加劲肋的钢轨枕（WSS1、WSS2、WSS3型）

厚度(mm)

凹凸高度(mm)

凹凸点间距(mm)

直径 (mm)

以及通过增加表2中描述的大大小小的凸起橡胶层（LRS，SRS）加固的钢轨枕。 唯一的区别是在轨枕的底面，以研究腹板加劲肋和凸起的橡胶层在轨枕/道砟相互作用中的影响，从而，改变有砟轨道的侧向阻力。 扎卡里等人进行的调查研究[10] 表明侧向阻力比传统钢轨枕增加 203%。 在这方面，评估道砟层和轨枕类型的几何形状的影响至关重要。

3.实验室测试计划

考虑三个变量，包括轨枕的类型，肩高和肩宽，以研究道砟层条件对不同类型钢轨枕的侧向阻力的影响.在大多数以前的研究中，

图3. 用于试验测试的钢制轨枕。

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表3

拉拔试验系统参数

肩高和肩宽分别在0~150mm和150~500mm之间[15~17]。因此，在这项研究中，采用了了肩宽300、400和500mm和肩高为0，150mm的钢轨枕尺寸，为U型轨枕与500mm肩宽和0，150mm的其他类型的钢轨枕准备了16个不同的试验板图表3所示。在此表中，U、WSS 和 RS 分别代表传统的钢轨枕、腹板加劲肋钢轨枕和有橡胶垫的钢轨枕。

例如，首字母缩写WSS1-500-150是一种钢制轨枕，其有1个加劲肋加固，放置在一个有砟轨道上，肩部宽度和高度分别为500mm和150mm（图4）。应当指出，由于在 U 形轨枕板从 拉拔试验中 获得的肩宽为 500 mm 的腹板加劲肋处的侧向阻力最高，因此选择此尺寸用于其他试验。

4.试验准备

为了得到一个紧密压缩的道砟层，首先将道砟分四层填入道床，每层都由一个重量和频率分别为80公斤和67赫兹的振动压实机压实，。需要说明的是，夯实的道床总重量为25吨，准备的试验轨道长度、宽度、高度和肩部斜率分别为10米、3.6米、0.35米和38°。放置轨枕后，肩部和轨枕间道砟分三次和一次倾倒，以提供容重为1700 kg/m³的道砟层。 在有关抗压载性能的文献上，讨论了各种荷载情况下的相对重要性[18，19]。本研究，我们采用最大加载值为10吨的液压千斤顶施加侧向力。如图5所示。为了测量轨枕的横向位移

图4. 肩部宽度和高度测量

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