摘 要：我國(guó)的雙塊式無砟軌道建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)成熟時(shí)期，軌道排架法施工正在逐步穩(wěn)定，并使用了一套具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的施工裝備，文章對(duì)混凝土的浮力進(jìn)行了分析，并應(yīng)用MSC.Nastran軟件對(duì)單梁式軌道排架在混凝土浮力的影響下產(chǎn)生的變形進(jìn)行計(jì)算，為以后的雙塊式無砟軌道施工提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙塊式無砟軌道；混凝土浮力；MSC.Nastran；軌道排架；施工精度

1 混凝土上浮力產(chǎn)生的理論分析和計(jì)算

1.1 混凝土上浮力出現(xiàn)的根源

用軌排框架法施工時(shí)，軌枕通過扣件與軌排的鋼軌相連接，在道床板混凝土澆筑時(shí)會(huì)對(duì)軌枕塊產(chǎn)生一定的上浮力，該上浮力是由于液態(tài)混凝土對(duì)埋入軌枕產(chǎn)生的一個(gè)浮力，其大小等于埋入混凝土內(nèi)軌枕的體積與液態(tài)混凝土比重的乘積。

1.2 軌排結(jié)構(gòu)及實(shí)際工況

圖1 單梁式軌道排架

1.3 混凝土上浮力對(duì)軌道高程的影響只取決于鋼軌和托梁的剛度，與軌排橫向調(diào)整及鎖定方式無關(guān)軌道排架橫向調(diào)整和鎖定采用的是斜支撐軌向鎖定器，是基于充分利用三角形的穩(wěn)定特性，確保軌道在混凝土澆筑及其他操作過程中橫向位置的精準(zhǔn)性。

如前所述，上浮力主要是由液態(tài)混凝土對(duì)軌枕塊產(chǎn)生的，在道床板混凝土澆筑前斜支撐軌向鎖定器已將軌排調(diào)整到位并且鎖死。上浮力通過軌枕塊傳遞到鋼軌，再由鋼軌傳遞到軌排的托梁。該上浮力若對(duì)精調(diào)完的軌道產(chǎn)生高程上的影響只有兩種情況。第一種情況是：鋼軌和軌排托梁自身剛度原因產(chǎn)生變形而引起；第二種情況是：若該上浮力太大，足以將軌排和軌枕頂離地面，對(duì)軌道高程上的影響為鋼軌和托梁變形與頂離地面高度的疊加。這兩種均與軌排橫向調(diào)整鎖定器是否有斜度無關(guān)，只是由于上浮力的存在會(huì)使得軌排豎向支撐絲杠與斜支撐鎖定器豎向分力的大小和分配產(chǎn)生一定的影響。

1.4 混凝土上浮力較小，不足以將軌排和軌枕頂離地面，上述第二種情況不存在

下面以計(jì)算說明，計(jì)算時(shí)以7.15m軌排為例。

軌排框架整體自重量：2337kg

7.15軌排懸掛11組軌枕，每組軌枕重250kg，一個(gè)軌排懸掛的軌枕重量為：11×250=2750kg；

（軌排+軌枕）重量G=2337kg+2750kg=5087kg=50870N

灌筑混凝土后，液態(tài)混凝土對(duì)每組軌枕的浮力：

一組軌枕埋入混凝土內(nèi)體積：

V=840×275×100×2=4.6×107mm3

液態(tài)混凝土比重取rc=25kN/m3

一組軌枕產(chǎn)生的上浮力F1=25000×10-9×4.6×107=1150N

對(duì)整個(gè)軌排產(chǎn)生的上浮力F=11×1150N=12650N

經(jīng)計(jì)算可得：F=12650N

故軌排框架不會(huì)被上浮力頂離地面，所以上浮力對(duì)軌道高程的影響僅由鋼軌和軌排托梁產(chǎn)生的變形而引起。

2 上浮力對(duì)單梁式軌排軌道高程影響的計(jì)算分析

下面對(duì)軌排框架上浮值進(jìn)行計(jì)算和分析，本次計(jì)算所采用的計(jì)算程序是MSC.Nastran V 2005.1。

2.1 計(jì)算依據(jù)

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）》

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）》

《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10754-2010）

《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424-2010）

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

以下計(jì)算參數(shù)均為五院軌排的實(shí)際參數(shù)。

矩形管尺寸為：3000（長(zhǎng)）mm×180（高）mm×90（寬）mm×10（厚）mm；

軌枕被混凝土包裹尺寸約為：840（長(zhǎng)）mm×275（寬）mm×100（高）mm；

矩形鋼管：Q235鋼；

楊氏模量：E=2.1×105 N/mm2；泊松比v=0.3；質(zhì)量密度？籽=7.85 ×10-6kg/mm3

鋼軌：采用60kg軌；

混凝土重度取rc=25 kN/m3

計(jì)算時(shí)分為兩種工況，對(duì)比混凝土澆筑前后上浮力對(duì)軌道高程的影響。

工況一：混凝土澆筑前未產(chǎn)生上浮力工況；

工況二：混凝土澆筑后產(chǎn)生上浮力工況。

2.3 有限元模型

以7.15m軌排建模，掛11組軌枕，每組軌枕按8個(gè)受力點(diǎn)施加在鋼軌上，即每個(gè)扣件按2個(gè)施力點(diǎn)。

在有限元計(jì)算模型中，矩形鋼管結(jié)構(gòu)所采用的單元為板單元，鋼軌結(jié)構(gòu)所采用的單元為體單元。單元大小合理配置，形狀盡量接近正方形或正方體。

有限元模型中考慮的主要構(gòu)件參見圖2～圖5。包括矩形鋼管（如圖3）；鋼軌（如圖4）；

圖2 軌道排架整體結(jié)構(gòu)圖 圖3 矩形鋼管

圖4 鋼軌 圖5 邊界條件

2.4 邊界條件

計(jì)算采用如圖5所示的邊界條件：在矩形鋼管螺栓固定位置處施加約束，Tx=Ty=Tz=0， Rx=Ry=Rz=0

2.5 荷載

●結(jié)構(gòu)自重：1370kg（模型重）。

●軌枕荷載：一組為250kg。

每處懸掛點(diǎn)按四點(diǎn)接觸，每個(gè)點(diǎn)集中力為

F=2500÷2÷4=312.5N（向下）

●軌排配件重量分配到每個(gè)點(diǎn)力：

（23370-13700）÷88=110N（向下）（其中2337kg為排架總重）

●灌筑混凝土后，液態(tài)混凝土對(duì)每組軌枕的浮力：

F浮=1150N

等效于每個(gè)點(diǎn)集中力為：F'=1150÷8=143.8N（向上）

2.6 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 鋼軌頂面位移計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖7 工況一 鋼軌位移結(jié)果圖（mm）

圖8 工況二 鋼軌位移結(jié)果圖（mm）

3 結(jié)束語(yǔ)

由以上計(jì)算結(jié)果分析可知：混凝土澆筑后上浮力對(duì)軌道的影響值僅為0.01025mm，《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10754-2010）中規(guī)定軌道軌面高程誤差為±2.0mm，由上浮力對(duì)軌道高程產(chǎn)生的影響僅為規(guī)范允許誤差值的四百分之一。

由此可見，混凝土上浮力對(duì)軌道精度的幾乎可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)施工精度帶來影響。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：吳敬蓬（1977-），男，工程師，2008年畢業(yè)于日本九州產(chǎn)業(yè)大學(xué)，研究生，主要從事鐵路施工機(jī)械設(shè)計(jì)工作。