齊春雨

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司軌道交通勘察設計工程實驗室，天津 300142)

自流平混凝土由水泥、砂石、摻和料、超塑化劑等混合配制而成,加水拌和后即可泵送施工。它具有良好的流動性,在自重作用下能夠自流平,自密實,具有良好的均勻性和穩(wěn)定性,在流態(tài)時不泌水,不起泡,硬化后體積穩(wěn)定性好,不產(chǎn)生收縮裂縫；初凝時間較長,終凝時間較短,具有較高的早期強度；表面較為平整、耐磨性好；與基層材料黏結力較強?？晒?jié)約勞力以及施工費用,提高施工效率和質量,加快工程進度,特別適應于大面積的板下灌注。

CRTSⅡ型板式無砟道岔是一種新型的無砟道岔結構形式,國內第一次使用在京津城際高速鐵路上,并在隨后的京滬高速鐵路上獲得了廣泛使用。CRTSⅡ型板式無砟道岔在施工過程中,需要向無砟道岔板下灌注自流平混凝土,由于施工、材料等系列原因,可能會導致自流平混凝土灌注局部不密實；運營期間在列車荷載長期作用下,這些潛在的缺陷可能劣化,乃至將導致道岔板與自流平混凝土之間出現(xiàn)脫層、局部出現(xiàn)空隙現(xiàn)象,在脫層以及出現(xiàn)空隙的部位會出現(xiàn)較大的應力集中,導致脫層在橫縱向快速擴展,影響無砟軌道結構的受力,進而影響列車運行的舒適性以及安全性。對此,加強施工管理是必須的,但是什么樣的缺陷將會產(chǎn)生多大的應力集中,需要針對不同的工況,建立合理的力學模型進行定量分析。

1 CRTSⅡ型板式無砟道岔區(qū)結構設計

CRTSⅡ型板式無砟道岔區(qū)無砟軌道自上而下由以下部分組成：道岔、扣件、道岔板、底座(自流平混凝土層)和找平層,其中找平層采用C25混凝土,不配筋,混凝土厚度為13 cm；道岔板鋼筋混凝土厚24 cm,其上設置300 mm寬、縱向間距為60 cm的橫向承臺,承臺表面水平；承臺間的道岔板表面設置0.5%的橫向排水坡以及橫向預裂縫,預裂縫深4 cm。道岔板混凝土強度等級為C55,設置HRB335級鋼筋,工廠預制。底座厚度為180 mm。底座混凝土強度等級為C40,采用流動性好的混凝土(自流平混凝土)現(xiàn)場澆筑,在道岔板與底座兩端間設置一定量的剪力筋。如圖1，圖2所示。

圖1 等待灌注自流平混凝土的道岔板

圖2 岔區(qū)板式無砟軌道結構橫斷面

2 分析工況及其假設簡化

為了分析自流平混凝土填充不密實對無砟軌道結構的具體影響情況,在存在空隙的道岔板正上方施加垂向荷載,分析軌道結構的應力集中情況,假設在鐵路經(jīng)過一段時間的運營后,鋼軌正下方的道岔板與自流平混凝土之間存在0.2 m×0.2 m、0.3 m×0.3 m、0.4 m×0.4 m、0.6 m×0.6 m大小的規(guī)則的不密實區(qū)域,自流平混凝土空隙位置如圖3所示。在灌注自留平混凝土時,正常不會出現(xiàn)0.4 m×0.4 m大小的空隙,只有在經(jīng)過列車運行一段時間后空隙旁邊的混凝土在列車荷載的碾壓作用下,會變成散粒體,從而形成更大的空隙。假定出現(xiàn)空隙的道岔板為18號高速無砟道岔中的一塊,尺寸為6 m×2.7 m×0.24 m。

圖3 道岔板填充不密實平面簡圖

3 分析模型與主要參數(shù)

本文利用大型有限元軟件ANSYS,計算分析18號高速無砟道岔板下自流平混凝土填充局部不密實的工況下,無砟軌道結構的受力情況。所建有限元模型中鋼軌用beam4梁單元模擬,扣件用combin14彈簧單元模擬,道岔板用solid65體單元模擬,自流平混凝土填充密實部分用combin14彈簧單元模擬,為減小相鄰道岔板的影響,有限元分析模型中縱向取3塊道岔板,假設左右兩邊道岔板的自流平混凝土填充完好,只有中間一塊道岔板局部出現(xiàn)填充不密實情況。分析模型中找平層底部全部約束,模型如圖4所示,計算參數(shù)如表1所示。列車垂直荷載為125 kN。

圖4 計算模型側面簡圖

表1 主要計算參數(shù)

4 結構受力分析(圖5、圖6、表2)

圖5 第一主應力比較

圖6 第三主應力比較

表2 各工況軌道結構最大主應力 MPa

從圖5、圖6中可以看出,當?shù)啦戆迮c自流平混凝土之間的空隙小于0.3 m×0.3 m時,并沒有出現(xiàn)較為明顯的應力集中；當空隙大小為0.4 m×0.4 m時,開始產(chǎn)生明顯的應力集中,應力集中區(qū)域開始擴展;當空隙為0.6 m×0.6 m時,軌道板應力集中已十分明顯,且應力集中區(qū)域較大。圖5、圖6的(c)中空隙大小為0.4 m×0.4 m,從該部分圖形中可以看出,空隙處與填充完全的混凝土邊界處會產(chǎn)生應力集中,圖5(c)中應力集中邊界處兩邊的第一主應力分別為1.10 MPa、0.28 MPa,應力集中較為明顯；同時在圖5(c)中,軌道結構的左邊鋼軌處道岔板與自流平混凝土之間填充密實,右邊的對稱位置處存在不密實的填充區(qū)域,兩者在軌道結構的橫向形成對比,顯然右邊部分應力集中區(qū)域較大。圖5、圖6的(d)圖中空隙大小為0.6 m×0.6 m,由于道岔板與自流平混凝土之間的空隙較大,其應力集中區(qū)域范圍較上一種工況更大,圖5(d)中應力集中邊界處兩邊的第一主應力分別為1.11、0.37 MPa。表2為各工況軌道結構的最大主應力值,從表中可以看出,隨著道岔板與自流平混凝土之間空隙的增大,主應力也相應增大。因此當列車在無砟道岔結構上運行長久后,自流平混凝土填充層中較小的不密實區(qū)域慢慢演變?yōu)檩^大的空隙,空隙處將產(chǎn)生較大的應力集中,導致空隙沿縱向與橫向快速擴張,軌道與道岔板變形會迅速增長,因此必須提前采取相關維護措施。

5 結語

當自流平混凝土在一定范圍內填充不密實時,在列車垂直荷載作用下會導致該區(qū)域出現(xiàn)應力集中,應力集中區(qū)域隨著填充空隙的增大而迅速劣化,需要進行快速且有效地軌道結構維護工作,防止在列車荷載作用下,道岔板與自流平混凝土之間的分層現(xiàn)象迅速沿著軌道橫縱向擴展。

自流平混凝土配合比設計是底座板灌注能否順利、會否出現(xiàn)不密實缺陷的關鍵,必須嚴格按照作業(yè)指導書施工。施工前必須進行嚴格的原材料選擇和充分的室內試驗,以及大量的仿真模擬灌注試驗。包括放樣、綁扎鋼絲、吊裝道岔板及按照現(xiàn)場的灌注工藝,灌注自流平混凝土,直至混凝土擴張度、和易性、強度等性能穩(wěn)定。施工過程中對找平層的高程和平整度要進行嚴格控制,找平層必須進行相應的拉毛處理,保證找平層與自流平混凝土之間具有足夠的摩擦力。同時在灌注自流平混凝土之前必須檢查中間扣壓裝置與側向扣壓裝置,防止道岔板在澆筑自流平混凝土后產(chǎn)生過大的上浮量。

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