段玉振，張麗平，楊榮山

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

1 隧道內(nèi)端刺概述

當(dāng)橋隧相連時(shí)，橋上的無(wú)砟軌道產(chǎn)生的溫度力和制動(dòng)力等將影響到隧道內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。若是橋與路基相連可采用倒T型端刺，將作用在底座板上的溫度力和制動(dòng)力通過(guò)摩擦板和端刺傳遞到與橋梁相連接的路基中。但橋隧相連時(shí)將溫度力和制動(dòng)力通過(guò)摩擦板和端刺傳遞到隧道仰拱上而不是路基上，本文旨在找出一種適合橋與隧道相連時(shí)摩擦板與端刺的形狀與尺寸。

這里提出三種研究方案。三種方案在摩擦板長(zhǎng)度、端刺尺寸上各不相同。分別建立隧道內(nèi)端刺結(jié)構(gòu)有限元分析模型，根據(jù)特殊高墩大跨橋梁鋪設(shè)連續(xù)現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道研究課題中計(jì)算出來(lái)的端刺受力，分析隧道內(nèi)不同端刺結(jié)構(gòu)方案的受力及變形情況。本文對(duì)這三種方案進(jìn)行了具體的分析。

2 計(jì)算方案及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算方案

方案一:隧道內(nèi)摩擦板長(zhǎng)80 m，摩擦板末端設(shè)置16 m長(zhǎng)大端刺并錨固于仰拱內(nèi)，大端刺后設(shè)置4 m長(zhǎng)的過(guò)渡板。端刺與隧道仰拱回填層錨固，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1。

方案二:隧道內(nèi)摩擦板長(zhǎng)100 m，不設(shè)端刺，僅在摩擦板后面10 m范圍內(nèi)設(shè)置錨固銷釘。摩擦板后面10 m與隧道仰拱回填層錨固，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。

方案三:隧道內(nèi)摩擦板長(zhǎng)100 m，均勻設(shè)置10個(gè)長(zhǎng)1.0 m，高0.7 m的小端刺，端刺左右兩端填充橡膠墊板，彈簧剛度取500 kN/mm，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3。

2.2 計(jì)算參數(shù)

1)材料參數(shù)

①摩擦板及端刺，取彈性模量為3.0×1010Pa，泊松比為0.167。②隧道仰拱回填層采用片石混凝土，強(qiáng)度取C20，彈性模量為2.6×1010Pa，泊松比為0.2。③隧道仰拱采用素混凝土，取彈性模量為2.55×1010Pa，泊松比為0.2。④考慮最不利荷載工況，摩擦板和隧道仰拱回填層之間的摩擦系數(shù)取零。

2)作用荷載

橋梁在整體溫度變化 ±8.5℃情況下，根據(jù)特殊高墩大跨橋梁鋪設(shè)連續(xù)現(xiàn)澆雙塊式無(wú)砟軌道研究課題中計(jì)算出來(lái)的端刺受力為11 000 kN。

圖1 方案一計(jì)算簡(jiǎn)圖

3)端刺、摩擦板最大縱向位移

參照京津城際鐵路，最大縱向位移限值取3 mm。

3 預(yù)定方案計(jì)算及其結(jié)果

3.1 方案一

1)計(jì)算模型

采用有限元分析軟件ANSYS建立三維有限元力學(xué)模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。模型中摩擦板、端刺、隧道回填層及仰拱均采用實(shí)體單元(SOLID95)進(jìn)行模擬，摩擦板尺寸為長(zhǎng)80.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;端刺尺寸為長(zhǎng)16.0 m，寬9.0 m，高0.5 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度為0.3 m，隧道回填層中心高度為1.5 m。利用ANSYS建立的實(shí)體模型如圖4和圖5。

圖2 方案二計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 方案三計(jì)算簡(jiǎn)圖

2)計(jì)算結(jié)果及其分析

圖4 側(cè)視圖(二維)

圖5 計(jì)算模型

圖6 端刺前端等效應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果如圖6、表1所示。在最不利情況下，摩擦板與仰拱回填層不黏結(jié)，當(dāng)摩擦板端部受拉時(shí)，端刺前端高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為9.06 MPa，隧道內(nèi)仰拱回填層高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為4.40 MPa，其值都比較小，滿足要求。最大縱向位移為 6.60 mm，超過(guò)3.00 mm，不滿足要求。

表1 方案一計(jì)算結(jié)果

3.2 方案二

1)計(jì)算模型

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，利用前處理模塊Preprocessor建立三維有限元力學(xué)模型，摩擦板、隧道回填層及仰拱都用實(shí)體單元solid95進(jìn)行模擬，摩擦板尺寸取長(zhǎng)100.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度取0.3 m，隧道回填層中心高度取1.5 m。利用ANSYS建立的實(shí)體模型如圖7、圖8。

2)計(jì)算結(jié)果及其分析

計(jì)算結(jié)果如圖9、表2所示。在最不利情況下，摩擦板與仰拱回填層不黏結(jié)，當(dāng)摩擦板端部受拉時(shí)，端刺前端高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為6.86 MPa，隧道內(nèi)仰拱回填層高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為3.82 MPa，滿足要求。最大縱向位移為9.23 mm，超過(guò)3.00 mm，不滿足要求。

表2 方案二計(jì)算結(jié)果

圖7 側(cè)視圖(二維)

圖8 計(jì)算模型

圖9 縱向位移

3.3 方案三

1)計(jì)算模型

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，各部件都用實(shí)體單元solid95進(jìn)行模擬，橡膠墊板用非線性彈簧單元COMBIN39進(jìn)行模擬。摩擦板尺寸取長(zhǎng)100.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;小端刺尺寸取長(zhǎng)1.0 m，寬1.0 m，高0.7 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度取0.3 m，隧道回填層中心高度取1.5 m。利用 ANSYS建立的實(shí)體模型如圖10、圖11所示。

圖10 側(cè)視圖(二維)

圖11 計(jì)算模型

圖12 端刺等效應(yīng)力

2)計(jì)算結(jié)果及其分析

計(jì)算結(jié)果如圖12、表3所示。從表3可以看出摩擦板及端刺最大拉應(yīng)力為7.13 MPa，隧道仰拱回填層最大拉應(yīng)力2.84 MPa，均滿足要求。最大縱向位移為0.87 mm，小于3.00 mm，滿足要求。

表3 彈簧剛度取500 kN/mm時(shí)方案三計(jì)算結(jié)果

4 新增方案

4.1 方案描述

基于預(yù)定方案二基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，預(yù)定方案二為隧道內(nèi)摩擦板長(zhǎng)取100.0 m，不設(shè)端刺，僅在摩擦板后面10.0 m范圍內(nèi)設(shè)置錨固銷釘，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，由于摩擦板太長(zhǎng)，摩擦板前端橋上的無(wú)砟軌道產(chǎn)生的溫度力和制動(dòng)力等作用到摩擦板和端刺時(shí)，導(dǎo)致縱向位移較大，并且摩擦板太長(zhǎng)也影響施工和不經(jīng)濟(jì)。本方案對(duì)預(yù)定方案二進(jìn)行改進(jìn)，具體措施為:隧道內(nèi)摩擦板長(zhǎng)取20.0 m，不設(shè)端刺，并且摩擦板全部錨固于仰拱內(nèi)。新增方案計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖13。

4.2 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，利用前處理模塊Preprocessor建立三維有限元力學(xué)模型，摩擦板、隧道回填層及仰拱都用實(shí)體單元solid95進(jìn)行模擬，摩擦板尺寸取長(zhǎng)20.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度取0.3 m，隧道回填層中心高度取1.5 m。利用ANSYS建立的實(shí)體模型如圖14、圖15所示。

4.3 計(jì)算結(jié)果及其分析

計(jì)算結(jié)果如圖16、表4所示。在最不利情況下，摩擦板與仰拱回填層不黏結(jié)，當(dāng)摩擦板端部受拉時(shí)，其前端高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為7.42 MPa，隧道內(nèi)仰拱回填層高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.20 MPa，最大縱向位移為0.066 mm，其值都比較小，滿足要求，這一方案可行。

圖13 新增方案計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖14 側(cè)視圖(二維)

圖15 計(jì)算模型

圖16 縱向位移

表4 新增方案計(jì)算結(jié)果

5 方案對(duì)比

將預(yù)定的三個(gè)方案和新增方案計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一列表，見(jiàn)表5所示。將4個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可知，采用摩擦板大端刺得方案一和不設(shè)端刺僅在摩擦板后面10 m范圍內(nèi)設(shè)置錨固銷釘方案二不能滿足最大位移＜3 mm的要求。采用摩擦板小端刺的方案三和把摩擦板全部錨固于仰拱內(nèi)的新增方案，無(wú)論是摩擦板及端刺最大拉應(yīng)力、隧道仰拱回填層最大拉應(yīng)力，還是最大縱向位移，均比較合理。但是綜合其應(yīng)力、縱向位移的大小，以及經(jīng)濟(jì)程度和施工等方面進(jìn)行比較可知，新增方案最具優(yōu)勢(shì)。

表5 全部方案計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

通過(guò)模型加載計(jì)算、最大拉應(yīng)力與最大縱向位移的分析可以看出，采用摩擦板全部錨固于仰拱的方案 (新增方案)，最大拉應(yīng)力和最大縱向位移均小于允許值。能夠確保隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，且此方案摩擦板長(zhǎng)度比其他幾個(gè)方案短很多，工程量與費(fèi)用也相應(yīng)減少，從經(jīng)濟(jì)方面講也比其他幾個(gè)方案優(yōu)越。

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