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        CRTSⅡ型板式軌道臺(tái)后Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)受力分析

        2010-02-02 06:53:32蔡小培
        鐵道建筑 2010年12期
        關(guān)鍵詞:小端板式摩擦

        蔡小培,高 亮,魏 強(qiáng),曲 村

        (1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031)

        CRTSⅡ型板式軌道臺(tái)后Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)受力分析

        蔡小培1,高 亮1,魏 強(qiáng)2,曲 村1

        (1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031)

        針對(duì)新建鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳力特性,通過(guò)建立有限元分析模型,對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)與其力學(xué)特性的相互關(guān)系進(jìn)行了深入研究。提出的錨固結(jié)構(gòu)受力分析方法及受力、變形規(guī)律,可供類(lèi)似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

        高速鐵路 無(wú)砟軌道 錨固結(jié)構(gòu) 縱向位移

        1 錨固結(jié)構(gòu)介紹

        長(zhǎng)橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道采用連續(xù)配筋混凝土底座板,為約束其縱向溫度力、列車(chē)啟/制動(dòng)力以及縱向位移,需要在臺(tái)后設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)。京津城際鐵路在長(zhǎng)橋上首次應(yīng)用Ⅱ型板式軌道,臺(tái)后設(shè)置了倒T型主端刺、小端刺和摩擦板組成的錨固結(jié)構(gòu)。隨著Ⅱ型板式軌道的規(guī)?;瘧?yīng)用,倒T型主端刺施工對(duì)工序的影響在路基預(yù)壓地段更為突出,而且倒T型主端刺豎墻兩側(cè)路基施工只能參照過(guò)渡段施工工藝進(jìn)行,施工質(zhì)量控制難度大。因此,為豐富錨固結(jié)構(gòu)形式,方便不同條件下主端刺的施工,提出了Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,并在新建鐵路進(jìn)行了試驗(yàn)[1]。

        Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)如圖1所示,摩擦板與遠(yuǎn)離橋臺(tái)一側(cè)的兩個(gè)大端刺及其之間的連接板共同組成Π型主端刺。Π型主端刺中靠近橋臺(tái)一側(cè)的大端刺為主端刺Ⅰ,遠(yuǎn)離橋臺(tái)一側(cè)的大端刺為主端刺Ⅱ,主端刺在遠(yuǎn)離橋臺(tái)一側(cè)后接過(guò)渡板。

        圖1 Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)示意

        Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)端刺及摩擦板寬度均為12.0 m。共設(shè)置9個(gè)小端刺,1#小端刺最靠近橋臺(tái),端刺邊緣距離摩擦板邊緣1.25 m,小端刺厚1.0 m、深1.0 m;2#小端刺與1#小端刺之間的距離為7.75 m,2#至9#小端刺之間的距離為 2.5 m;2#至 6#小端刺厚1.0 m、深 1.0 m;7#至 9#小端刺厚 1.0 m、深 1.5 m;豎墻Ⅰ厚2.0 m、深2.0 m,豎墻Ⅱ厚4.0 m、深2.5 m;9#小端刺與主端刺之間的距離為7.0 m,主端刺Ⅰ、Ⅱ之間的距離為6.0m。

        為進(jìn)一步研究高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,本文建立了有限元分析模型,應(yīng)用該模型分析了錨固結(jié)構(gòu)各參數(shù)的影響規(guī)律,并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

        2 有限元模型

        2.1 模型的建立

        采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析,用實(shí)體單元對(duì)各軌道部件進(jìn)行模擬。底座板、摩擦板及端刺結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性材料,土體采用D-P材料。采用非線(xiàn)性彈簧模擬兩側(cè)土體的側(cè)限作用,并充分考慮了底座板與摩擦板之間的摩擦力作用。錨固結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖2和圖3所示。

        圖2 錨固結(jié)構(gòu)有限元分析模型側(cè)面

        圖3 錨固結(jié)構(gòu)有限元分析整體模型

        根據(jù)高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)置要求,曲線(xiàn)地段錨固結(jié)構(gòu)承受縱向荷載為11 MN/雙線(xiàn)時(shí),結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大位移不應(yīng)超過(guò)3 mm[2]。

        2.2 計(jì)算參數(shù)

        端刺結(jié)構(gòu)、摩擦板和底座板均采用C30混凝土,橋臺(tái)后過(guò)渡段采用了水泥級(jí)配碎石,其后是AB組填料,具體參數(shù)如表1,選取最不利參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

        表1 計(jì)算參數(shù)表

        2.3 模型驗(yàn)證

        應(yīng)用建立的有限元模型,輸入表1所示計(jì)算參數(shù),得到曲線(xiàn)11 MN/雙線(xiàn)荷載作用下錨固結(jié)構(gòu)縱向位移和應(yīng)力分布如圖4和圖5所示。可以看出,最大縱向位移為2.44 mm,位于錨固點(diǎn)位置即主端刺位置,小于3 mm的位移限值。摩擦板及端刺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為2.66 MPa,小于混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值。從錨固區(qū)的應(yīng)力分布來(lái)看,由主端刺至小端刺,應(yīng)力逐漸減小??梢?jiàn),靠近錨固點(diǎn)的主端刺及小端刺承擔(dān)的荷載較多,其余小端刺承受荷載較少。通過(guò)受力分析可知,曲線(xiàn)11 MN/雙線(xiàn)荷載作用下,錨固結(jié)構(gòu)的縱向位移及應(yīng)力均能滿(mǎn)足高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)設(shè)置的需要,所提出的Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)方案可行。

        圖4 Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)縱向位移(單位:m)

        圖5 Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布(單位:Pa)

        有限元模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值如圖6所示[1],兩者規(guī)律基本吻合,計(jì)算值都大于實(shí)測(cè)值,驗(yàn)證了模型計(jì)算結(jié)果是可靠的。

        圖6 縱向位移及應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

        3 設(shè)計(jì)參數(shù)影響規(guī)律分析

        3.1 摩擦系數(shù)的影響

        圖7為圖1所示Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)在不同摩擦系數(shù)條件下,端刺及摩擦板結(jié)構(gòu)在11 MN/雙線(xiàn)荷載作用下的最大縱向位移變化規(guī)律。底座板和摩擦板間的“兩布”滑動(dòng)層的摩擦系數(shù)越小,對(duì)端刺結(jié)構(gòu)的變形越為不利。主要原因是摩擦系數(shù)越小,摩擦板分擔(dān)的縱向荷載越小,傳遞到Π型主端刺上的力越大。從影響量值上來(lái)看,摩擦系數(shù)對(duì)端刺縱向位移的影響有限。因此,考慮最不利條件,在后面計(jì)算中選取摩擦系數(shù)0.5、作用荷載11 MN進(jìn)行計(jì)算分析。

        圖7 錨固結(jié)構(gòu)縱向位移與摩擦系數(shù)關(guān)系

        3.2 連接板厚度的影響

        Π型主端刺由兩個(gè)豎墻及其連接板組成,從定性上來(lái)說(shuō),只有連接板厚度達(dá)到一定值以后,該種主端刺結(jié)構(gòu)才能形成整體結(jié)構(gòu),發(fā)揮整體抵抗縱向位移的能力。因此,連接板厚度對(duì)Π型主端刺至為重要。圖1中其他參數(shù)不變,僅考慮連接板厚度變化,計(jì)算結(jié)果如圖8所示??梢?jiàn),連接板厚度增加,最大縱向位移呈減小趨勢(shì);連接板厚度達(dá)到0.6 m以上,最大縱向位移減小較少,兩豎墻縱向位移的比值趨向穩(wěn)定(圖9)??紤]經(jīng)濟(jì)性,連接板厚度可取0.6 m。

        圖8 連接板厚度對(duì)縱向位移的影響

        圖9 兩豎墻縱向位移比與連接板厚度的關(guān)系

        3.3 Π型主端刺兩豎墻間距的影響

        Π型主端刺要形成整體結(jié)構(gòu),除連接板厚度影響外,兩豎墻間距影響較大。計(jì)算時(shí)圖1中豎墻Ⅰ位置保持不變,僅變化豎墻Ⅱ與豎墻Ⅰ之間的距離,計(jì)算結(jié)果如圖10所示。隨著兩豎墻間距的增大,最大縱向位移減小,說(shuō)明兩豎墻及其內(nèi)部的土體形成了整體結(jié)構(gòu),共同抵抗縱向位移。由圖11可見(jiàn),兩豎墻間距W越小,豎墻上的位移差異越小。因此,建議兩豎墻間距以取6 m為宜。

        圖10 兩豎墻間距對(duì)縱向位移的影響

        3.4 摩擦板長(zhǎng)度的影響

        在分析摩擦板長(zhǎng)度影響時(shí),保持圖1中主端刺尺寸、過(guò)渡板長(zhǎng)度不變,摩擦板寬度取12 m,計(jì)算結(jié)果如圖12所示。隨著摩擦板長(zhǎng)度的增加,最大縱向位移減小;摩擦板長(zhǎng)度超過(guò)35 m以后,最大縱向位移減小趨勢(shì)變緩。因此,從控制最大縱向位移來(lái)說(shuō),摩擦板長(zhǎng)度應(yīng)在35 m以上;但摩擦板長(zhǎng)度越大,增加的工程量越大。根據(jù)圖12所示規(guī)律,建議摩擦板長(zhǎng)度取值35~45 m。

        圖11 兩豎墻間距與連接板厚度組合影響

        圖12 摩擦板不同長(zhǎng)度下的縱向位移變化規(guī)律

        3.5 摩擦板寬度的影響

        保持小端刺和主端刺寬度不變,將圖1中摩擦板寬度進(jìn)行變化,得到圖13所示計(jì)算結(jié)果。隨著摩擦板寬度的增大,最大縱向位移減小;摩擦板寬度>11 m后,位移減小趨緩。建議摩擦板寬度控制在12 m以?xún)?nèi)。

        圖13 摩擦板寬度對(duì)最大縱向位移的影響

        圖14是摩擦板與端刺寬度同時(shí)變化對(duì)最大縱向位移的影響,兩者之間近似呈線(xiàn)性關(guān)系。寬度越大,縱向位移越小。對(duì)照?qǐng)D13,保持端刺寬度為12 m,優(yōu)化摩擦板寬度的思路是合理的,因?yàn)槟Σ涟鍖挾葴p小后能夠保證其不對(duì)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的設(shè)置產(chǎn)生影響。

        圖14 摩擦板和端刺寬度對(duì)最大縱向位移的影響

        3.6 主端刺豎墻尺寸的影響

        圖1中其他尺寸不變,僅考慮豎墻尺寸變化。取豎墻Ⅰ深度和厚度均為2 m不變,豎墻Ⅱ深度和厚度的影響如圖15所示。可以看出,隨深度增大,最大縱向位移減少(0.3~0.8)%;隨厚度B增大,最大縱向位移減少(1.4~2.0)%。表明主端刺豎墻高度對(duì)縱向位移的影響不大,厚度對(duì)縱向位移影響較大??紤]豎墻開(kāi)挖的難易,豎墻Ⅰ和Ⅱ結(jié)構(gòu)尺寸組合情況如表2所示。

        圖15 豎墻深度和厚度的影響規(guī)律

        表2 豎墻Ⅰ和Ⅱ尺寸組合 m

        根據(jù)表2豎墻尺寸變化,共計(jì)有80種組合。按豎墻Ⅰ和Ⅱ的鋼筋混凝土量不大于圖1所示方案,計(jì)算了30種組合方案,計(jì)算結(jié)果如圖16所示。在小于圖1中面積14 m2情況下,最大縱向位移最多增加2.5%,都沒(méi)有發(fā)生顯著變化。但豎墻寬度為12 m,圖16中面積每減少0.5 m2,鋼筋混凝土將減少6 m3。建議將兩豎墻面積之和控制在12 m2之內(nèi)。

        圖16 豎墻Ⅰ和豎墻Ⅱ面積之和與最大縱向位移的關(guān)系

        4 結(jié)論及建議

        本文結(jié)合新建鐵路建設(shè)實(shí)際,對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新,提出了Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)建立有限元模型對(duì)錨固結(jié)構(gòu)受力特性及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究,得到以下結(jié)論:

        1)所提出的Π型主端刺錨固結(jié)構(gòu)方案可行,曲線(xiàn)11 MN/雙線(xiàn)荷載作用下,端刺結(jié)構(gòu)縱向位移小于3.0 mm,能夠滿(mǎn)足高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道錨固結(jié)構(gòu)的需要。

        2)底座板和摩擦板間滑動(dòng)層的摩擦系數(shù)越小,對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的受力、變形越為不利。采用主端刺、連接板、過(guò)渡板與底座板共同固結(jié)的方式,對(duì)整個(gè)端刺結(jié)構(gòu)的受力有利。

        3)通過(guò)計(jì)算分析,綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,錨固結(jié)構(gòu)主要參數(shù)建議如下:摩擦板長(zhǎng)度取35~45 m,端刺寬度取12 m,摩擦板寬度控制在12 m以?xún)?nèi)。主端刺豎墻面積之和不大于12 m2,深度不宜大于2 m,可充分發(fā)揮基床優(yōu)質(zhì)填料及優(yōu)良的填筑指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。兩豎墻間距不宜小于6 m,主端刺連接板厚度不宜小于0.6 m。

        [1]趙國(guó)堂,魏強(qiáng),高亮,等.京滬高速鐵路 Π型主端刺錨固體系理論及試驗(yàn)研究報(bào)告[R].北京:京滬高速鐵路股份有限公司,2009.

        [2]鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].北京:鐵道部工程管理中心,2008.

        U213.2+42

        B

        1003-1995(2010)12-0121-04

        2010-07-03;

        2010-08-08

        鐵道部科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G031-F)

        蔡小培(1982— ),男,江蘇徐州人,講師,博士。

        (責(zé)任審編 趙其文)

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