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        CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)應(yīng)力筋破壞所致附加荷載的影響分析

        2015-05-09 09:22:53蔡小培
        鐵道學(xué)報(bào) 2015年12期
        關(guān)鍵詞:單根扣件砂漿

        趙 磊,高 亮,蔡小培,辛 濤

        1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

        無砟軌道作為高速鐵路線下結(jié)構(gòu)的重要組成部分,需承受列車軸重、溫度荷載以及下部基礎(chǔ)變形等作用,軌道板作為直接承受列車荷載的結(jié)構(gòu),平順性、耐久性和抗裂性要求較高[1]。目前國內(nèi)外無砟軌道板大量采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)以防止混凝土開裂,其中,CRTSⅠ型板式無砟軌道板為后張雙向預(yù)應(yīng)力混凝土板[2]?,F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),運(yùn)營階段CRTSⅠ型板式無砟軌道出現(xiàn)局部預(yù)應(yīng)力筋斷裂,其中縱橫向預(yù)應(yīng)力筋均有不同程度破壞,構(gòu)成行車安全隱患。CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)應(yīng)力筋斷裂情況如圖1所示。

        圖1 CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)應(yīng)力筋斷裂情況

        目前,國內(nèi)對無砟軌道預(yù)應(yīng)力筋斷裂原因的研究已取得一定成果。方峰等[3]在對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行大量廠內(nèi)測試后分析得出,部分預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)錨具對中不良或錨具硬度控制不當(dāng)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋被錨具咬傷是造成預(yù)應(yīng)力筋斷裂的主要原因;另外,預(yù)應(yīng)力筋存在表面缺陷或內(nèi)部缺陷一般也會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋斷裂。周明華[4]對夾片式錨具的錨固性能分析認(rèn)為,預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度、表面硬度、錨具錨孔的錐度尺寸與夾片角度尺寸的配合、夾片硬度、錨板硬度、安裝工藝和試驗(yàn)初張力等均會(huì)對錨具的錨固性能有影響。張德強(qiáng)[5]結(jié)合秦沈客運(yùn)專線CRTSⅠ型無砟軌道試驗(yàn)段和日本新干線運(yùn)營檢查中發(fā)現(xiàn)的軌道板封錨混凝土脫落情況,分析認(rèn)為錨固端封錨效果對軌道板預(yù)應(yīng)力筋破壞有一定影響。

        但對于預(yù)應(yīng)力筋破壞致使軌道板產(chǎn)生附加荷載的病害研究在國內(nèi)尚缺乏。目前,預(yù)應(yīng)力理論與試驗(yàn)研究多集中在預(yù)應(yīng)力混凝土梁及其預(yù)應(yīng)力下的應(yīng)力分布和承載能力方面[6-8],預(yù)應(yīng)力板的研究也多針對其承載能力開展[9-11],而對預(yù)應(yīng)力損失的研究集中于混凝土梁預(yù)應(yīng)力的均勻損失[12,13],很少涉及單根或多根預(yù)應(yīng)力筋破壞帶來的偏心效應(yīng)。國外也僅有部分關(guān)于混凝土偏心預(yù)應(yīng)力分析方法[14-16]可為無砟軌道板預(yù)應(yīng)力筋破壞后的受力計(jì)算提供一定參考。本文對無砟軌道板預(yù)應(yīng)力筋破壞后軌道板受力進(jìn)行分析,對不同位置及不同程度的軌道板縱橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞工況下軌道板受力與變形的變化進(jìn)行仿真分析。文中所采用的考慮預(yù)應(yīng)力筋的無砟軌道設(shè)計(jì)方法將為無砟軌道設(shè)計(jì)提供新的思路。

        1 計(jì)算模型的建立

        CRTSⅠ型板式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿、底座板、樹脂橡膠等構(gòu)成。

        1.1 鋼軌與扣件參數(shù)

        考慮扣件對因縱橫向預(yù)應(yīng)力破壞引起的軌道板收縮的限制效應(yīng),建立鋼軌和扣件模型。鋼軌為標(biāo)準(zhǔn)CHN60軌,選用實(shí)體單元進(jìn)行模擬;扣件為WJ-8型扣件,用三向彈簧-阻尼單元模擬;扣件間距為0.629 m,每組扣件提供的最大縱向阻力為9.0 kN,橫向靜剛度為50 kN/mm,垂向靜剛度為35 kN/mm。

        1.2 軌道板參數(shù)

        軌道板材料為C60混凝土,采用雙向預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行施工,預(yù)應(yīng)力筋為低松弛預(yù)應(yīng)力鋼棒,直徑13 mm,抗拉強(qiáng)度不低于1 420 MPa,縱向單根預(yù)應(yīng)力筋張拉力為122 kN,橫向單根預(yù)應(yīng)力筋張拉力為127 kN。軌道板、鋼筋均是實(shí)體單元,鋼筋與軌道板內(nèi)部節(jié)點(diǎn)建立三向彈簧進(jìn)行耦合,其中,沿鋼筋徑向的彈簧剛度為0,簡化認(rèn)為鋼筋與管道無摩擦,其余兩個(gè)方向的彈簧假定為剛性,預(yù)應(yīng)力筋與軌道板間無相互侵入。預(yù)應(yīng)力筋端部與軌道板節(jié)點(diǎn)區(qū)域耦合。預(yù)應(yīng)力筋損失時(shí),端部節(jié)點(diǎn)耦合去除。軌道板尺寸及預(yù)應(yīng)力筋布置如圖2所示。

        圖2 軌道板尺寸及預(yù)應(yīng)力筋布置

        1.3 砂漿層及底座參數(shù)

        根據(jù)CRTSⅠ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)圖紙并參考文獻(xiàn)[17],砂漿層彈性模量300 MPa;底座板為現(xiàn)澆C40混凝土板,底座板凸臺(tái)與軌道板和砂漿間設(shè)置樹脂橡膠填充層,填充層彈性模量為25 MPa。考慮砂漿層為灌注法施工,因此砂漿層與軌道板、底座板間充分黏結(jié)。本文采用節(jié)點(diǎn)耦合方法對層間黏結(jié)進(jìn)行模擬。砂漿層和底座板均采用實(shí)體單元模擬,砂漿層尺寸參數(shù)、底座板及凸臺(tái)尺寸參數(shù)如圖3、圖4所示。

        圖3 砂漿層尺寸參數(shù)

        圖4 底座板及凸臺(tái)參數(shù)

        本文計(jì)算主要考慮軌道板的受力及變形問題,因此利用路基彈簧對路基進(jìn)行簡化模擬,路基彈簧垂向剛度取76 MPa/m,縱橫向剛度以路基彈簧垂向力為基準(zhǔn),底座與路基間摩擦系數(shù)為0.5。

        1.4 荷載計(jì)算參數(shù)

        本文僅考慮因預(yù)應(yīng)力筋破壞給軌道板受力及變形帶來的附加荷載,忽略車輛及溫度等荷載的影響。對不同位置處預(yù)應(yīng)力筋的破壞及多根預(yù)應(yīng)力筋破壞的組合工況對軌道板附加荷載進(jìn)行針對性分析??v向及橫向預(yù)應(yīng)力筋布置如圖5所示。

        圖5 縱向及橫向預(yù)應(yīng)力筋布置

        考慮截面關(guān)于中心線A和B的對稱性,以及上下層預(yù)應(yīng)力筋破壞時(shí)引起翹曲變形效應(yīng)上的區(qū)別,在計(jì)算單根縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞時(shí),選取的工況有Z1、Z2、Z3和Z4;計(jì)算多根縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞時(shí),選取的工況有Z1+Z2和Z1+Z2+Z1′+Z2′;計(jì)算單根橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞的影響時(shí),分別考慮H1~H8預(yù)應(yīng)力筋破壞帶來的影響;計(jì)算多根橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞的影響時(shí),考慮預(yù)應(yīng)力筋從邊緣開始破壞,且不考慮預(yù)應(yīng)力筋的間隔破壞。分別對預(yù)應(yīng)力筋破壞根數(shù)為2、4、6、8、10和12進(jìn)行計(jì)算與分析。

        2 縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞影響分析

        對不同縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞工況進(jìn)行計(jì)算分析,并與初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下軌道板受力和變形進(jìn)行對比,不同工況下軌道板縱向應(yīng)力云圖如圖6所示。

        (a)初始預(yù)應(yīng)力(b)Z1破壞工況

        圖6 不同縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞工況下軌道板縱向應(yīng)力云圖

        2.1 不同位置單根縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞影響分析

        選取Z1、Z2、Z3、Z44根預(yù)應(yīng)力筋分別破壞工況以及初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下軌道板受力與變形進(jìn)行對比,其計(jì)算結(jié)果峰值匯總見表1。

        表1 單根預(yù)應(yīng)力筋破壞計(jì)算結(jié)果峰值匯總

        注:表格前4行數(shù)據(jù)為軌道板混凝土應(yīng)力;應(yīng)力計(jì)算結(jié)果單位為MPa,位移及位移差單位為mm;下表皆同。

        由表1可知,不同位置處預(yù)應(yīng)力筋的破壞對軌道板應(yīng)力峰值影響較小,縱橫向拉壓應(yīng)力峰值基本無變化。分析其計(jì)算云圖可知,板上應(yīng)力峰值出現(xiàn)在未破壞的預(yù)應(yīng)力筋附近。因此,需要通過分析不同截面位置處軌道板受力的變化來分析不同位置預(yù)應(yīng)力筋破壞的影響,圖7為預(yù)應(yīng)力破壞狀態(tài)下軌道板內(nèi)力的變化趨勢。

        圖7 預(yù)應(yīng)力破壞狀態(tài)下軌道板內(nèi)力變化

        相對于預(yù)應(yīng)力筋未破壞時(shí)的狀態(tài),預(yù)應(yīng)力筋破壞后混凝土內(nèi)力明顯降低,上層預(yù)應(yīng)力筋的破壞對軌道板軸力的影響稍大,但總體差異不明顯。同時(shí),端部縱向軸力降低120 kN左右,與單根預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)張拉力接近;由于底部砂漿層對軌道板的約束,板中的預(yù)應(yīng)力破壞小于端部預(yù)應(yīng)力的破壞量。

        垂向位移差計(jì)算結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力筋破壞會(huì)帶來一定程度的垂向位移差,且上層預(yù)應(yīng)力筋破壞引起的垂向位移差比下層預(yù)應(yīng)力筋明顯。

        縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞后,未破壞的縱向預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力有所增加,橫向預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力有所減小,但總的來說變化幅度有限。

        圖8為軌道板橫向彎矩沿縱向分布情況,可以看出,預(yù)應(yīng)力筋未破壞時(shí)軌道板橫向彎矩基本為0;預(yù)應(yīng)力筋破壞后,軌道板端部出現(xiàn)較明顯的彎矩,上下層預(yù)應(yīng)力筋破壞所造成的彎矩方向相反,且上層破壞引起橫向彎矩稍大,在3.7 kN·m左右。

        圖8 軌道板橫向彎矩對比

        2.2 不同縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量影響分析

        選取單根預(yù)應(yīng)力筋破壞(Z2)、2根預(yù)應(yīng)力筋破壞(Z1+Z2)以及4根預(yù)應(yīng)力筋破壞(Z1+Z2+Z1′+Z2′)與未破壞的情況進(jìn)行對比。其計(jì)算結(jié)果峰值匯總見表2。

        表2 不同數(shù)量預(yù)應(yīng)力筋破壞計(jì)算結(jié)果

        由于應(yīng)力峰值出現(xiàn)在未破壞預(yù)應(yīng)力筋處,軌道板縱橫向拉壓應(yīng)力在不同預(yù)應(yīng)力筋破壞情況下差異不明顯,在5%以內(nèi)。

        圖9為軌道板垂向位移差隨著軌道板破壞鋼筋數(shù)量變化的趨勢,隨著縱向應(yīng)力鋼筋的破壞軌道板有逐漸翹曲的趨勢。

        圖9 軌道板垂向位移差變化趨勢

        圖10為預(yù)應(yīng)力筋破壞后軌道板縱向軸力變化趨勢,圖11為預(yù)應(yīng)力筋破壞所致軌道板中部和端部預(yù)壓力損失的對比。從圖10和圖11可知,軌道板預(yù)應(yīng)力損失隨著預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量的增加基本呈線性增長趨勢,并且中部預(yù)應(yīng)力損失僅為端部預(yù)應(yīng)力損失的一半左右,這與下部砂漿層的彈性模量和軌道板與砂漿層間的黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。

        圖10 預(yù)壓力沿軌道板縱向變化趨勢

        圖11 軌道板端部與中部預(yù)壓力損失對比

        圖12為軌道板橫向彎矩沿縱向變化趨勢,圖13為軌道板端部橫向彎矩變化趨勢。軌道板橫向彎矩隨著預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量的增加基本呈線性增加趨勢,軌道板中部基本無附加彎矩產(chǎn)生。

        圖12 軌道板橫向彎矩沿縱向變化趨勢

        圖13 軌道板端部橫向彎矩變化趨勢

        3 橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞影響分析

        對橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞的多種工況進(jìn)行計(jì)算,并與初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下軌道板受力和變形進(jìn)行對比分析,圖14為不同橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞工況下軌道板橫向應(yīng)力云圖。

        (a)H1破壞(b)H1~H4破壞(c)H1~H8破壞(d)H1~H12破壞

        圖14 不同橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞工況下軌道板橫向應(yīng)力云圖

        3.1 不同位置單根橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞影響分析

        選取H1~H8共8根預(yù)應(yīng)力筋分別破壞工況以及初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下軌道板受力與變形進(jìn)行對比,其計(jì)算結(jié)果峰值匯總見表3。

        由圖14和表3可知,軌道板橫向拉壓應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力筋破壞后變化較小,縱向應(yīng)力幾乎無變化;與縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞情況類似,其應(yīng)力峰值仍出現(xiàn)在未破壞預(yù)應(yīng)力鋼筋處。

        表3 不同位置橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞計(jì)算結(jié)果峰值匯總

        圖15為軌道板橫向預(yù)壓力變化趨勢,相對于預(yù)應(yīng)力筋未破壞時(shí),軌道板內(nèi)力明顯降低,但不同位置內(nèi)力總體差異不明顯,端部預(yù)應(yīng)力筋所帶來的影響稍大。同時(shí),軌道板側(cè)邊橫向預(yù)應(yīng)力破壞較大,中部破壞較小,側(cè)邊與中心預(yù)應(yīng)力破壞差異在30 kN左右。這與縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞時(shí)趨勢一致,由下部砂漿層約束作用造成。

        圖15 軌道板橫向預(yù)壓力變化趨勢

        軌道板的垂向位移差在橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋破壞時(shí)差異較小,原因是橫向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在軌道板中性軸處,其破壞不會(huì)帶來軌道板的翹曲變形。

        橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞后,其余未破壞的橫向預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增加,縱向預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力減小,但變化幅度有限且不同破壞位置的影響不大。

        圖16為不同位置處橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞后軌道板縱向彎矩分布情況對比。無預(yù)應(yīng)力破壞時(shí)軌道板縱向彎矩較小,基本為0;橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞后,軌道板產(chǎn)生一定程度的縱向彎矩,縱向彎矩隨不同縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞位置變化差別不大,H1破壞情況下縱向附加彎矩最大,約為0.48 kN·m。由于軌道板縱向彎矩較小,其垂向位移差也較小。

        圖16 軌道板縱向彎矩對比

        3.2 不同橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量影響分析

        選取橫向預(yù)應(yīng)力破壞數(shù)為1根(H1)、2根(H1~H2)、4根(H1~H4)、6根(H1~H6)、8根(H1~H8)、10根(H1~H10)和12根(H1~H12)進(jìn)行對比,其計(jì)算結(jié)果見表4。

        表4 不同位置橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞根數(shù)計(jì)算結(jié)果

        由表4可知,軌道板縱橫向拉壓應(yīng)力隨著橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量增加變化不明顯,僅橫向拉應(yīng)力有小幅度變化;軌道板垂向位移差變化范圍也較小,說明橫向預(yù)應(yīng)力筋的破壞對軌道板幾何形位影響較小。不同數(shù)量預(yù)應(yīng)力筋破壞后,其余未破壞的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化也較小,可以認(rèn)為單根預(yù)應(yīng)力筋受力不受相鄰預(yù)應(yīng)力筋破壞的影響。

        圖17為軌道板橫向拉應(yīng)力隨橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量增加的變化趨勢??梢钥闯?,橫向預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)破壞時(shí),軌道板橫向拉應(yīng)力有小幅度增加,隨著破壞鋼筋數(shù)量的增加,橫向拉應(yīng)力增加幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

        圖17 軌道板橫向應(yīng)力變化趨勢

        圖18為橫向預(yù)壓力隨著橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)增加而變化的趨勢。可以看出,隨著預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)增加軌道板內(nèi)力明顯降低,板中預(yù)應(yīng)力破壞較小,端部預(yù)應(yīng)力破壞量較大,與縱向預(yù)應(yīng)力筋破壞時(shí)軌道板縱向預(yù)應(yīng)力變化趨勢較一致。

        圖18 軌道板橫向預(yù)壓力變化趨勢

        圖19為縱向彎矩隨橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)增加的變化趨勢??梢钥闯觯瑱M向預(yù)應(yīng)力筋破壞后,軌道板產(chǎn)生一定程度的縱向彎矩,縱向彎矩隨著破壞鋼筋數(shù)量增加基本呈線性增加趨勢。

        圖19 軌道板縱向彎矩變化趨勢

        4 結(jié)論

        本文對CRTSⅠ型無砟軌道板預(yù)應(yīng)力破壞引起的附加荷載進(jìn)行仿真分析,主要結(jié)論有:

        (1)預(yù)應(yīng)力筋破壞對軌道板縱橫向應(yīng)力峰值影響較小,在5%以內(nèi),原因是預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軌道板應(yīng)力峰值均位于未破壞的預(yù)應(yīng)力筋錨固端。軌道板整體預(yù)壓力隨著預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量增加而減小,其中端部預(yù)壓力損失是中部預(yù)應(yīng)力損失的2倍左右,主要是層間黏結(jié)約束對預(yù)壓力損失抵消效應(yīng)在板中逐漸累積。

        (2)縱向預(yù)應(yīng)力破壞后,附加彎矩導(dǎo)致軌道板出現(xiàn)0.1 mm以內(nèi)的翹曲變形,這種翹曲變形效應(yīng)隨著單層預(yù)應(yīng)力筋破壞數(shù)量的增加而增加,且上層預(yù)應(yīng)力筋影響更明顯。軌道板縱向彎曲剛度較大,橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞引起軌道板翹曲變形較小。

        (3)縱橫向預(yù)應(yīng)力筋破壞后,其余未破壞的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化在1%以內(nèi),可以認(rèn)為單根預(yù)應(yīng)力筋受力不受相鄰預(yù)應(yīng)力筋破壞的影響。

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