張豐華，　唐進(jìn)鋒，　譚　亞

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410075)

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橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道底座板屈曲分析

張豐華，唐進(jìn)鋒，譚亞

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075)

摘要：根據(jù)橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特性，利用有限元分析方法，采用梁?jiǎn)卧M鋼軌，實(shí)體單元模擬軌道板、底座板和橋梁，彈簧單元分別模擬砂漿填充層和滑動(dòng)層，建立CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道縱向力計(jì)算模型?；诂F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的底座板厚度資料和橋梁資料，計(jì)算出模型中各單元參數(shù)值。利用當(dāng)?shù)貧鉁刭Y料和軌道機(jī)車類型，得到最大溫升和列車制動(dòng)力值，計(jì)算出溫度荷載和列車制動(dòng)荷載作用下底座板厚度不足處縱向力值。分析溫度荷載和列車制動(dòng)荷載對(duì)底座板厚度不足處屈曲的影響。

關(guān)鍵詞：CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道；有限元；溫度荷載；屈曲

0引言

CRTS Ⅱ型板式軌道由于其狀態(tài)穩(wěn)定、維護(hù)成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主要形式，成功應(yīng)用于京津城際、京滬、滬杭等客運(yùn)專線[1]。CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)參與傳力的主要部件有鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、端刺、固結(jié)機(jī)構(gòu)[2-3]。底座板是橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要縱向和垂向受力構(gòu)件，其受力狀況直接影響高速列車運(yùn)行安全[4]。本文選取杭長(zhǎng)客專某大型連續(xù)梁橋施工段，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道底座板厚度不足的底座板厚度，并進(jìn)一步建立有限元模型，對(duì)底座板厚度不足處的屈曲進(jìn)行計(jì)算分析，為進(jìn)一步研究CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道底座板提供參考。

1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1.1底座板厚度測(cè)量

測(cè)量的施工段為一座四跨連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋跨度(75+135+135+75)m，屬于大跨度連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋兩側(cè)為32 m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)。在施工現(xiàn)場(chǎng)，重點(diǎn)測(cè)量底座板厚度嚴(yán)重不足地段，通過(guò)精確測(cè)量，得到里程DK234+456.5～DK246+236.6范圍內(nèi)底座板厚度數(shù)據(jù)。對(duì)簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁過(guò)渡段雙線兩側(cè)底座板厚度都進(jìn)行多次測(cè)量。

1.2底座板厚度統(tǒng)計(jì)

連續(xù)梁橋底座板厚度不足處厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　底座板實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)厚度比較　mm

底座板厚度嚴(yán)重不足處左右線厚度統(tǒng)計(jì)如圖1和圖2所示。由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出：底座板厚度不足地段呈散點(diǎn)分布特點(diǎn)，底座板厚度不足處連續(xù)長(zhǎng)度都不超過(guò)30 m，其中左線底座板厚度最小值為132 mm，與設(shè)計(jì)厚度相差53 mm，最大值為165 mm，與設(shè)計(jì)厚度相差20 mm。右線底座板厚度最小值為140 mm，與設(shè)計(jì)厚度相差45 mm，最大值171 mm，與設(shè)計(jì)厚度相差14 mm。

圖1　左線底座板厚度連續(xù)不足段落實(shí)測(cè)厚度與設(shè)計(jì)厚度比較

圖2　右線底座板厚度連續(xù)不足段落實(shí)測(cè)厚度與設(shè)計(jì)厚度比較

2計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、端刺、固結(jié)機(jī)構(gòu)等部件，本文利用ANSYS有限元軟件，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行模擬，建立有限元縱向力分析模型，如圖3所示。鋼軌采用梁?jiǎn)卧?BEAM4)模擬，軌道板和底座采用實(shí)體模型(SOLID45)模擬，彈性模量3.0×1010N/m2,泊松比0.2[5]，線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃，CA砂漿采用彈簧單元模擬[6]。采用軌道-梁-墩一體化模型[7]，橋梁采用實(shí)體單元(SOLID45)模擬，鋼軌、道床板和橋梁層間相互作用關(guān)系采用彈簧(COMBIN14)模擬，扣件采用WJ-8型扣件，滑動(dòng)層摩擦阻力依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，“兩布一膜”摩擦系數(shù)取0.15～0.35[8-9]。吳斌等[10]通過(guò)荷載試驗(yàn)認(rèn)為在列車靜荷載作用下，采用梁體模型能很好地反映砂漿內(nèi)部用力狀態(tài)。箱型橋梁采用實(shí)體模型(SOLID45)模擬，計(jì)算模型橫斷面如圖4所示。

圖3　計(jì)算模型縱斷面示意圖

圖4　計(jì)算模型橫斷面圖

3底座板力學(xué)分析

3.1屈曲分析公式

橋上CRTS Ⅱ型板式軌道結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向長(zhǎng)度，在縱向上可以看做細(xì)長(zhǎng)桿件[7]。當(dāng)溫度升高或者受列車制動(dòng)荷載作用時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)受到壓力作用。當(dāng)溫度壓力或制動(dòng)壓力超過(guò)軌道板屈曲臨界力時(shí)，底座板會(huì)產(chǎn)生屈曲。將CRTS Ⅱ型板式軌道底座板厚度不足段兩端視為鉸支，整體視為細(xì)長(zhǎng)壓桿，長(zhǎng)度系數(shù)μ取為1。由歐拉公式可得，軌道板受壓屈曲變形臨界力

(1)

式中，π表示圓周率；E表示底座板彈性模量；I表示按底座板實(shí)際厚度計(jì)算的慣性矩；l表示底座板側(cè)向擋塊距離；μ表示長(zhǎng)度系數(shù)。若溫度荷載或制動(dòng)荷載產(chǎn)生的壓力Ft≥Fcr，則軌道結(jié)構(gòu)可視為發(fā)生屈曲。

3.2溫度荷載對(duì)底座板屈曲的影響

按照當(dāng)?shù)販囟葴y(cè)試資料，混凝土按升溫31.8 ℃，通過(guò)模型計(jì)算得出底座板對(duì)應(yīng)位置處壓力Ft。若Ft≥Fcr，則軌道板有發(fā)生屈曲的危險(xiǎn)。軌道板厚度嚴(yán)重不足地段處在DK243+510～DK243+565范圍內(nèi)。圖5為左線底座板厚度不足處壓力和臨界力比較圖；圖6為右線底座板厚度不足處壓力和臨界力比較圖。

圖5　左線底座板厚度不足段壓力與臨界力

圖6　右線底座板厚度不足段壓力與臨界力

圖5和圖6中計(jì)算臨界力時(shí)，利用公式(1)，其中l(wèi)取側(cè)向擋塊距離8 m，I取底座板實(shí)際厚度慣性矩。由圖5，圖6可知，左線底座板厚度不足區(qū)段在DK243+543.4處滿足臨界力條件，其他位置壓力大于臨界力，底座板會(huì)發(fā)生屈曲。右線底座板厚度不足區(qū)段平均厚度155 mm，在DK243+517.7～DK243+521.6區(qū)間處，壓力大于臨界力，此處底座板有發(fā)生屈曲的可能。

3.3列車制動(dòng)力對(duì)底座板屈曲的影響

計(jì)算采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載，僅考慮一線制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力取10.496 kN/m/線，制動(dòng)力作用長(zhǎng)度400 m。經(jīng)計(jì)算可得最不利作用位置制動(dòng)附加力為1 545.6 kN/線。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，由圖可以得出列車在底座板不足地段制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力結(jié)果，橫坐標(biāo)代表底座板不足地段里程，縱坐標(biāo)代表底座板受力大小，正值代表底座板受拉，負(fù)值代表底座板受壓。

圖7　一線制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力結(jié)果

當(dāng)列車在最不利位置制動(dòng)時(shí)，底座板厚度不足區(qū)段看做兩端鉸支的細(xì)長(zhǎng)壓桿，底座板不足區(qū)段平均高度0.145 m，由公式(1)計(jì)算得出臨界力Fcr=880.4 kN ，F(xiàn)制動(dòng)>Fcr，制動(dòng)荷載作用下底座板壓力大于底座板屈曲臨界力，底座板在制動(dòng)力作用下會(huì)產(chǎn)生屈曲。

4結(jié)論

本文基于CRTSII型板式無(wú)砟軌道底座板厚度不足區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，利用ANSYS軟件建立連續(xù)梁橋上有限元模型，分析底座板厚度不足處施加溫度荷載和制動(dòng)荷載時(shí)的受力特點(diǎn)，得到如下結(jié)論：

(1)溫度荷載作用下，底座板厚度不足區(qū)段不同厚度處臨界應(yīng)力不同，導(dǎo)致屈曲變形位置不連續(xù)，呈間斷分布，在運(yùn)營(yíng)中會(huì)導(dǎo)致局部底座板混凝土壓碎失效情況的發(fā)生。

(2)由于底座板厚度不足區(qū)段出現(xiàn)在連續(xù)梁與簡(jiǎn)支梁連接處，施加制動(dòng)荷載時(shí)，厚度不足處底座板所受壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置壓力，底座板在單線制動(dòng)情況下仍然有發(fā)生屈曲變形的危險(xiǎn)。

(3)溫度荷載作用下，左線區(qū)段底座板所受壓力比屈曲臨界力大20%，右線區(qū)段底座板所受壓力值僅高于屈曲臨界力值3%，考慮整體屈曲變形時(shí)，可采用相應(yīng)加固措施，增大屈曲臨界力，以達(dá)到運(yùn)營(yíng)安全的需要。

(4)底座板厚度變化導(dǎo)致的底座板縱向不平順性，更增加了底座板屈曲變形量的累積，在底座板最薄弱處，進(jìn)一步導(dǎo)致底座板和軌道板上拱現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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Analysis on Base Plate Buckling of CRTS II Ballastless Slab Track

Zhang Fenghua,Tang Jinfeng,Tan Ya

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:According to the characteristics of CRTS II slab track structure, with rails modeled by beams, slab tracks and base plates modeled by solid unit while the bearing layers modeled by springs, the model of longitudinal force of CRTS II Ballastless Slab Track is established through finite element analysis. By using the data of base plate thickness and bridge, the parameters of the model are calculated. The data of local temperature and the locomotice type are obtained, and the maximum temperature rise and brake force are calculated. By loading temperature load and brake force, the longitudinal force at base plate thickness lack is calculated. The influence of temperature load and brake force to buckling at base plate thickness lack is analyzed.

Key words:CRTS II ballastless slab track; finite element; temperature load; buckling

中圖分類號(hào)：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-0373(2016)01-0055-05

作者簡(jiǎn)介：張豐華(1989-)，男，碩士研究生，從事高速鐵路橋上無(wú)縫線路技術(shù)設(shè)計(jì)工作。E-mail:csuzfh@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E080704)

收稿日期：2015-01-06責(zé)任編輯:車軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.10

張豐華 ，唐進(jìn)鋒，譚亞.橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道底座板屈曲分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(1):55-58.