楊 斌,錢(qián)小益,史青翠
(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031;2.蘭新鐵路新疆有限公司,烏魯木齊 830011)
隨著高速鐵路的不斷發(fā)展,新型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)線路適應(yīng)性好、具有較好的平順性、施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)逐步成為我國(guó)客運(yùn)專線無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的首選形式之一。經(jīng)過(guò)綜合分析研究與比較,新建蘭新第二雙線某區(qū)段擬采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道形式。但是,由于蘭新線地處我國(guó)西北部,該區(qū)氣候條件十分惡劣,以往的雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)這種嚴(yán)寒、大溫差的環(huán)境,因此,急需開(kāi)發(fā)出新型的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)以適應(yīng)西北地區(qū)的氣候條件。目前,蘭新線已經(jīng)提出了幾種新型的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式,諸如將道床板結(jié)構(gòu)單元化處理,將原來(lái)連續(xù)結(jié)構(gòu)的道床板分塊澆筑成單元式,道床板下采用不同的凸臺(tái)設(shè)置方式或者直接對(duì)道床板設(shè)置限位結(jié)構(gòu),道床板之間設(shè)置傳力桿機(jī)構(gòu)等。本文旨在對(duì)采用單元形式澆筑道床板并設(shè)置了凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算,通過(guò)對(duì)所得結(jié)果分析,從而檢驗(yàn)該種軌道結(jié)構(gòu)形式的合理性,為新型的雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐。
為適應(yīng)西北地區(qū)大溫差等惡劣的氣候條件,蘭新線雙塊式無(wú)砟軌道以普通CRTSⅠ雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新,將連續(xù)澆筑的道床板單元化處理,即采用單元式道床板結(jié)構(gòu)取代連續(xù)型道床板結(jié)構(gòu)。該種軌道結(jié)構(gòu)形式是蘭新線提出的一種新型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)之一,其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)線路適應(yīng)性好,造價(jià)低,施工工藝簡(jiǎn)單。
溫度對(duì)連續(xù)道床板的影響比較大,因此道床板采用單元板形式設(shè)計(jì),將道床板分塊澆筑,形成一塊塊單元板式的結(jié)構(gòu),這樣設(shè)計(jì)可以避免道床板在溫度作用下產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力,通過(guò)在道床板與板之間設(shè)置伸縮縫,使得道床板在縱向方向能夠進(jìn)行一定的伸縮,從而釋放其內(nèi)部應(yīng)力。但是道床板的這種單元式結(jié)構(gòu)又使其軌道結(jié)構(gòu)的整體性大大降低,道床板之間無(wú)相互作用,因此單個(gè)道床板的位移難以控制,易引起無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的不平順,因此考慮在道床板下設(shè)置凸臺(tái)結(jié)構(gòu)以限制其縱、橫向的位移,凸臺(tái)設(shè)置可以多樣化,蘭新線就采用了多種方式設(shè)置,本文采用的方式為將凸臺(tái)設(shè)置于單元式道床板的兩端,即道床板下采用兩塊凸臺(tái)結(jié)構(gòu),凸臺(tái)在板端穿出,道床板與支承層間鋪設(shè)土工布,目的在于讓兩者之間能夠相對(duì)滑移,保證良好的變形協(xié)調(diào)。
具體軌道結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示。
考慮到道床板單元板式結(jié)構(gòu),且相互之間影響較小,本次計(jì)算取兩塊道床板進(jìn)行分析就能夠滿足基本要求。
采用有限元分析軟件對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,建立其力學(xué)模型。鋼軌采用梁?jiǎn)卧M;考慮到重點(diǎn)對(duì)道床板結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,因此,軌枕與道床板看成整體結(jié)構(gòu)與支承層均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬;扣件采用彈簧單元模擬;支承層與下部基礎(chǔ)的連接采用彈簧單元模擬。道床板與支承層之間因?yàn)殇佋O(shè)了土工布,兩者之間存在著摩擦,因此采用接觸形式進(jìn)行模擬,考慮兩者之間的摩擦系數(shù)。
圖1 橫斷面
圖2 凸臺(tái)設(shè)置方式
具體力學(xué)模型如圖3所示。
圖3 力學(xué)模型
鋼軌采用60 kg/m鋼軌計(jì)算參數(shù),彈性模量2.1×105MPa,泊松比 0.3,鋼軌線膨脹系數(shù) 11.8×10-6/℃ ,密度7 830 kg/m3。
道床板長(zhǎng)6.48 m,寬2.80 m,高0.26 m。彈性模量3.25×104MPa,泊松比0.2,鋼軌線膨脹系數(shù)1×10-5/℃ ,密度2 500 kg/m3。
支承層長(zhǎng)26.0 m,寬3.4 m,高0.3 m。彈性模量6×103MPa,泊松比 0.2,鋼軌線膨脹系數(shù) 1×10-5/℃,密度2 500 kg/m3。其中凸臺(tái)尺寸為線路縱向方向2.740 m,橫向1.000 m,高0.045 m,設(shè)置于道床板兩端下方。
軌枕間距0.65 m,道床板間伸縮縫為0.02 m。道床板與支承層之間摩擦系數(shù)取為0.60。
考慮到蘭新線特殊的地理位置,溫度是影響軌道結(jié)構(gòu)的主要因素之一,所以應(yīng)以溫度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的作用為主線進(jìn)行分析。由于溫度的漸變性,軌道結(jié)構(gòu)的溫度不是突然達(dá)到最低或者最高兩種極限情況,所以本文只建立了指定溫度下的溫度荷載工況,即環(huán)境溫度設(shè)定為10℃,考慮道床板溫度梯度以45℃/m變化(上高下低)以及軌道結(jié)構(gòu)整體按10℃變化趨勢(shì)升降溫兩種情況。
計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 道床板最大應(yīng)力分布
圖5 道床板豎向位移分布
對(duì)道床板應(yīng)力進(jìn)行分析,為方便建模,凸臺(tái)及道床板邊緣處未進(jìn)行圓滑,因此道床板對(duì)應(yīng)于凸臺(tái)處邊緣及角落產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中,在實(shí)際施工過(guò)程中可以對(duì)凸臺(tái)以及道床板邊緣進(jìn)行圓滑,所以,不考慮應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,從道床板整體受力來(lái)看,其底部平均拉應(yīng)力為2.0 MPa左右,略微超限。
因?yàn)闇囟忍荻葘?dǎo)致道床板下部受拉,所以在溫度上高下低的情況下,凸臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用效果甚微,這種工況下可以忽略其影響。
對(duì)道床板結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析,道床板在溫度梯度的作用下中部會(huì)向上微微凸起,道床板發(fā)生了一定程度的翹曲,其中部凸起的最大位移為0.24 mm,道床板與支承層之間發(fā)生了分離,形成了離縫。
綜上所述,溫度梯度作用下,支承層對(duì)道床板的約束作用比較弱,不能有效地控制道床板的翹曲,道床板下中部會(huì)產(chǎn)生離縫現(xiàn)象,道床板底部拉應(yīng)力易超限,軌道結(jié)構(gòu)的受力及使用功能受到了一定的影響。
根據(jù)以往資料,蘭新線極限溫度取為 -41.5℃(最低)和47.7℃(最高),道床板初始溫度設(shè)定為10℃,計(jì)算分析升降溫10℃,20℃,30℃以及極限溫度下的道床板應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。
道床板隨溫度變化發(fā)生沿線路縱向方向的伸縮,根據(jù)分析結(jié)果,道床板最大應(yīng)力主要由拉應(yīng)力控制,壓應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)的抗壓要求,所以只給出了道床板隨溫度變化的最大拉應(yīng)力圖示。由圖6可以看出,道床板在溫度降低的過(guò)程中,結(jié)構(gòu)滿足混凝土抗拉設(shè)計(jì)要求,其中極限溫度下最大拉應(yīng)力為1.02 MPa。在溫度升高的過(guò)程中,道床板極限溫度下拉應(yīng)力為2 MPa,超限不多,正常溫度下也均滿足抗拉要求。對(duì)道床板板縫處的位移進(jìn)行分析,凸臺(tái)設(shè)置到道床板板端位置,因此道床板板端處不受凸臺(tái)的約束,下部支承層對(duì)道床板結(jié)構(gòu)的約束作用比較小,道床板板端產(chǎn)生了相對(duì)于凸臺(tái)邊緣的位移,滿足了其釋放應(yīng)力的要求。從圖7可以看出道床板縱向方向相對(duì)于凸臺(tái)邊緣處最大位移為1.6 mm。
圖6 不同溫度下道床板最大拉應(yīng)力
圖7 不同溫度下道床板板縫處的最大位移
綜上所述,在溫度變化荷載的作用下,道床板可以在支承層上有效地滑移,從而可以釋放其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力,保證結(jié)構(gòu)合理受力。同時(shí),板縫的存在,使得道床板能夠在板縫處有一定的伸縮空間,也驗(yàn)證了采用單元板式的合理性。
考慮到以下幾點(diǎn)原因,所以本文只針對(duì)結(jié)構(gòu)整體溫度升高時(shí)對(duì)凸臺(tái)進(jìn)行了計(jì)算分析,建立整體溫度為40℃(即將基礎(chǔ)溫度為10℃的軌道結(jié)構(gòu)升高30℃)的有限元模型。
1)溫度梯度(上高下低)情況下,道床板中部向上翹曲,其底部受拉,所以凸臺(tái)與道床板產(chǎn)生了分離,對(duì)道床板結(jié)構(gòu)受力影響較小;
2)整體溫度變化情況下,當(dāng)溫度下降時(shí),由于道床板收縮,凸臺(tái)與道床板之間產(chǎn)生了分離,所以也不對(duì)這種情況下的凸臺(tái)進(jìn)行分析。
凸臺(tái)應(yīng)力應(yīng)變情況如圖8、圖9所示。
圖8 凸臺(tái)應(yīng)力分布
圖9 凸臺(tái)位移分布
從凸臺(tái)應(yīng)力應(yīng)變分布圖可知,凸臺(tái)在縱向方向?qū)Φ来舶逵幸欢ǖ南拗谱饔?,從而可以約束道床板的較大位移變化,道床板中部位置對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)承受道床板對(duì)它的擠壓力,凸臺(tái)最大壓應(yīng)力為2.81 MPa,最大位移為0.154 mm。
此外,凸臺(tái)直接澆筑到道床板的板端,這樣設(shè)置的目的在于可以讓凸臺(tái)不約束道床板的端部區(qū)域,從而可以使其能夠在板縫處一定空間內(nèi)有效伸縮,釋放板內(nèi)部應(yīng)力。應(yīng)力圖(圖8)表明了這一點(diǎn),板端處凸臺(tái)應(yīng)力遠(yuǎn)小于板中部位置凸臺(tái)應(yīng)力。
通過(guò)對(duì)溫度作用下的雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,本文得出以下結(jié)論:
1)在溫度梯度作用下,由于鋪設(shè)土工布時(shí),支承層對(duì)道床板約束較小,所以道床板的翹曲不能被有效約束,道床板中部易上拱,且下部產(chǎn)生了拉應(yīng)力超限。設(shè)想通過(guò)對(duì)道床板中部采用黏結(jié)設(shè)置從而控制道床板翹曲,兩側(cè)鋪設(shè)土工布允許道床板兩端伸縮釋放應(yīng)力,此結(jié)論可以給蘭新線“部分摩擦式雙塊式無(wú)砟軌道”結(jié)構(gòu)的提出提供理論支撐。
2)溫差較大地區(qū)鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道,應(yīng)將道床板單元化,板與板之間設(shè)置伸縮縫,給道床板提供一定的伸縮空間。
3)單元式道床板下應(yīng)設(shè)置凸臺(tái),凸臺(tái)可以有效地限制道床板縱橫向的位移,凸臺(tái)應(yīng)穿出道床板的端部,從而減小對(duì)其端部的縱向限制,讓道床板端部能夠有效伸縮,從而釋放其內(nèi)部應(yīng)力。
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