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        CRTSⅡ型板式軌道施工過程中軌道板受力特性分析

        2013-11-27 03:19:36史克臣
        鐵道建筑 2013年9期
        關(guān)鍵詞:精調(diào)溫度梯度板式

        史克臣

        (蘭新鐵路甘青有限公司,甘肅蘭州 730000)

        目前,我國高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)近萬公里,無砟軌道以其高平順性、高穩(wěn)定性和少維修的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用,采用無砟軌道的線路已達(dá)50%以上。我國高速鐵路的無砟軌道主要有板式軌道和雙塊式無砟軌道兩大類,其中板式軌道的優(yōu)點(diǎn)更為突出,表現(xiàn)為軌道幾何尺寸的高精度容易得到保證,現(xiàn)場施工量少,軌道精調(diào)量少,因此,我國無砟軌道線路中,鋪設(shè)板式軌道的比例達(dá)到近80%。

        研究認(rèn)為,無砟軌道作為混凝土結(jié)構(gòu),初始傷損是其長期服役過程中劣化破壞的主要原因。在國內(nèi)CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ型板式軌道中,軌道板的尺寸(長×寬×厚)分別為4.96 m×2.40 m×0.19 m,6.45 m×2.55 m×0.20 m和5.60 m×2.50 m×0.21 m,CRTSⅡ型軌道板尺寸相對較大,施工過程中受起吊、支撐及溫度作用的影響較大。因此,本文以CRTSⅡ型板式軌道為研究對象,通過建立有限元計算模型進(jìn)行計算分析,研究其在施工過程中軌道板的受力特性,為優(yōu)化設(shè)計和施工控制提供依據(jù)。

        1 計算模型和參數(shù)

        CRTSⅡ型軌道板由10個承軌臺構(gòu)成,每個承軌臺中心間距為650 mm。軌道板為橫向單向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),鋼筋布置7層,每個承軌臺范圍內(nèi)布置6根φ10的橫向預(yù)應(yīng)力筋,沿軌道板中性軸以下10 mm布置,施加預(yù)應(yīng)力870 MPa;縱向設(shè)6根φ20精軋螺紋鋼筋(HRB500),用于軌道板縱連;其余為φ8普通鋼筋。采用ANSYS軟件建立的計算模型如圖1所示。劃分單元近20萬個,其中軌道板混凝土采用實(shí)體Solid45單元模擬;普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元模擬,預(yù)應(yīng)力的施加采用降溫法,軌道板下的彈性墊層采用Solid45單元模擬。由于CRTSⅡ型板式軌道是典型的縱連板,為使單塊軌道板受力條件更加趨于縱連板真實(shí)環(huán)境,對軌道板模型兩端施加鏡像約束進(jìn)行模擬。圖2為局部模型,側(cè)面黑點(diǎn)為內(nèi)部鋼筋端部。軌道板混凝土強(qiáng)度等級為C60,彈性模量為36 000 MPa,泊松比為 0.2,密度為2 500 kg/m3,抗拉強(qiáng)度為2.04 MPa,抗壓強(qiáng)度為27.5 MPa;鋼筋彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 800 kg/m3;板下CA砂漿厚度為30 mm,彈性模量為7 000~10 000 MPa,泊松比為0.20,線膨脹系數(shù)為0.90×10-5/℃,密度為1 950 kg/m3;混凝土和鋼筋的線膨脹系數(shù)為1.00×10-5/℃ 。

        圖1 CRTSⅡ型軌道板模型

        圖2 軌道板局部模型

        2 計算結(jié)果及分析

        軌道板從工廠預(yù)制完成后,需要運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場存放,然后起吊到已施工底座板或支承層上粗鋪,經(jīng)過精調(diào)后進(jìn)行CA砂漿灌注,待CA砂漿達(dá)到9 MPa及以上時可進(jìn)行軌道板縱連,形成完整的CRTSⅡ型板式軌道體系。在整個施工過程中,直接影響軌道板受力特性的工序有軌道板起吊、軌道板精調(diào)支撐和軌道板縱連前后的溫度翹曲。

        2.1 軌道板起吊

        軌道板典型的起吊工具為專用吊架,如圖3所示,起吊點(diǎn)在3號和8號承軌臺兩側(cè)。在向上起吊過程中瞬時加速度可以達(dá)到1.5倍重力,因此采用1.5×9.8 m/s2作為重力加速度。

        圖3 軌道板起吊

        圖4為軌道板豎向變形情況,最大變形發(fā)生在起吊點(diǎn)及附近承軌臺范圍內(nèi),最大可達(dá)0.58 mm。同時,在起吊點(diǎn)附近產(chǎn)生最大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,內(nèi)部普通鋼筋軸向應(yīng)力較小,最大值僅為20.2 MPa,遠(yuǎn)小于鋼筋抗拉強(qiáng)度;板面和板底橫向應(yīng)力都為壓應(yīng)力,最大值分別為3.6 MPa和0.6 MPa,遠(yuǎn)低于混凝土抗壓強(qiáng)度;板底縱向應(yīng)力為壓應(yīng)力,最大值為1.9 MPa;但板面縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力,在 0.9 MPa左右,局部可達(dá)2.4 MPa,已超過混凝土設(shè)計抗拉強(qiáng)度,如果起吊過程中出現(xiàn)掉點(diǎn)偏移和瞬時加速度過大現(xiàn)象,容易造成內(nèi)部橫向微裂縫。該裂縫在線路開通運(yùn)營后,容易發(fā)展成為肉眼可見的橫向裂縫。

        圖4 軌道板豎向變形(單位:mm)

        2.2 軌道板精調(diào)支撐

        軌道板粗鋪完成后,需要進(jìn)行精調(diào)作用。如圖5所示,一般情況下,在軌道板前、后兩端測量標(biāo)架Ⅰ和標(biāo)架Ⅲ承軌臺下各設(shè)1對可以進(jìn)行平面及高程雙向調(diào)節(jié)的千斤頂,中間標(biāo)架Ⅱ承軌臺下設(shè)1對僅具高程調(diào)節(jié)能力的千斤頂。精調(diào)時首先調(diào)整標(biāo)架Ⅰ兩側(cè)千斤頂,然后調(diào)整標(biāo)架Ⅲ千斤頂,再調(diào)整標(biāo)架Ⅱ千斤頂,最后四角測量完畢后調(diào)整6個千斤頂。可以看出,在精調(diào)過程中,最不利的情況是標(biāo)架Ⅰ、標(biāo)架Ⅲ對應(yīng)的兩對千斤頂支撐,中間千斤頂不受力。計算結(jié)果表明,最大變形發(fā)生在軌道板中間,其最大值為0.45 mm;最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在精調(diào)千斤頂處的軌道板表面,其最大值為1.9 MPa,已接近混凝土設(shè)計抗拉強(qiáng)度,在軌道板內(nèi)部容易出現(xiàn)隱性橫向裂縫。

        圖5 軌道板精調(diào)作業(yè)順序

        為降低軌道板出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險,可將標(biāo)架Ⅰ、標(biāo)架Ⅲ及相應(yīng)千斤頂位置內(nèi)移到鄰近的承軌臺上。計算結(jié)果表明,最大拉應(yīng)力仍出現(xiàn)在精調(diào)點(diǎn)附近,減小到1.6 MPa,能夠保證軌道板不會因千斤頂頂起而產(chǎn)生裂紋。

        2.3 軌道板縱連前后溫度翹曲

        軌道板縱連前除CA砂漿對其有粘結(jié)作用外,處于無約束狀態(tài)。在溫度梯度100℃/m和 -50℃/m情況下,軌道板翹曲變形如圖6所示。在正溫度梯度作用下,軌道板中部上拱,出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大達(dá)到2.1 MPa;角邊下壓CA砂漿,出現(xiàn)壓應(yīng)力,最大達(dá)到21.3 MPa;靠近四角區(qū)域最大翹曲變形為0.42 mm。在負(fù)溫度梯度作用下,軌道板角邊上翹,四角區(qū)域翹曲拉應(yīng)力最大達(dá)到3.5 MPa,最大翹曲變形0.03 mm;中部區(qū)域下壓,靠近四角區(qū)域最大壓應(yīng)力為0.43 MPa。可以看出,在正溫度梯度下,軌道板四角區(qū)域處的壓應(yīng)力超過了CA砂漿的抗壓強(qiáng)度(15 MPa),容易引起CA砂漿破壞;在負(fù)溫度梯度下,四角區(qū)域處最大拉應(yīng)力超過CA砂漿抗拉強(qiáng)度,引起其進(jìn)一步破碎。實(shí)測結(jié)果表明,軌道板在正常陽光輻射下,夏季和冬季每天都要經(jīng)歷正負(fù)梯度的交替變化,從而在軌道板邊角區(qū)域,特別是軌道板四角區(qū)域每天都要經(jīng)歷壓拉應(yīng)力變化,最容易發(fā)生與CA砂漿層的離縫。

        圖6 軌道板溫度翹曲變形

        軌道板縱連以后,形成了板間的相互約束。在正溫度梯度下,軌道板翹曲變形形態(tài)與縱連前相同,最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和翹曲變形值分別為 1.0 MPa,6.8 MPa,0.41 mm;在負(fù)溫度梯度下,軌道板翹曲變形形態(tài)與縱連前也相同,最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和翹曲變形值分別為1.5 MPa,0.2 MPa,0.01 mm。正負(fù)溫度梯度下應(yīng)力和變形最大值均小于縱連前的值,且均在容許范圍內(nèi),極大地降低了軌道板與CA砂漿層離縫的風(fēng)險。因此,在軌道板鋪設(shè)完成后,CA砂漿強(qiáng)度達(dá)到9 MPa后及時進(jìn)行縱連是控制軌道板離縫的重要措施。

        3 結(jié)論

        通過建立CRTSⅡ型板式軌道有限元模型,對軌道板鋪設(shè)過程中的受力特性進(jìn)行了分析。得到以下結(jié)論:

        1)在軌道板起吊過程中,起吊點(diǎn)附近軌道板面局部拉應(yīng)力最大達(dá)到2.4 MPa,已超過C60混凝土設(shè)計抗拉強(qiáng)度,容易引起軌道板橫向裂紋,在施工過程中應(yīng)當(dāng)控制吊點(diǎn)位置和起吊速度。

        2)在軌道板精調(diào)過程中,在最不利支撐情況下,精調(diào)千斤頂處軌道板表面出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力達(dá)到1.9 MPa,已經(jīng)接近C60混凝土設(shè)計抗拉強(qiáng)度,出現(xiàn)裂紋的幾率增大,應(yīng)優(yōu)化千斤頂位置。

        3)在正溫度梯度100℃/m和負(fù)溫度梯度-50℃/m情況下,軌道板縱連前最大拉、壓應(yīng)力都比較大,且主要出現(xiàn)在軌道板四角附近區(qū)域,最大壓應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到21.33 MPa,超過了CA砂漿層抗壓強(qiáng)度,是軌道板四角區(qū)域發(fā)生離縫的主要原因;軌道板縱連后溫度翹曲效應(yīng)大為降低,最大應(yīng)力在極低水平上。表明軌道板及時縱連是控制軌道板與CA砂漿層離縫的重要措施。

        [1]趙國堂.高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

        [2]劉鈺,趙國堂.CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)層間早期離縫研究[J].中國鐵道科學(xué),2013,34(4):1-7.

        [3]劉學(xué)毅,趙坪銳,楊榮山,等.客運(yùn)專線無砟軌道設(shè)計理論與方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.

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