趙紅光

(南京地鐵建設(shè)公司，江蘇南京 210000)

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九鄉(xiāng)河改造臨時軌道過渡施工方案分析研究

趙紅光

(南京地鐵建設(shè)公司，江蘇南京 210000)

九鄉(xiāng)河位于南京地鐵4號線靈山站-東流站區(qū)間，因其洞內(nèi)加固及改造后管片上浮等原因，需采用臨時軌道過渡方案。選取軌排運輸組織及混凝土運輸組織兩種施工組織最不利工況，采用有限元分析軟件模擬計算對臨時軌道過渡方案進行檢算。結(jié)果顯示，在最不利列車荷載作用下，支墩和臨時軌排結(jié)構(gòu)均不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，支墩中鋼筋可以提供可靠的抗拔錨固要求。

臨時過渡 有限元分析 穩(wěn)定性檢算 抗拔錨固

九鄉(xiāng)河位于南京地鐵四號線靈山站-東流站區(qū)間，因九鄉(xiāng)河改造需在洞內(nèi)加固及改造后管片上浮，需重新調(diào)線調(diào)坡等原因，影響軌道鋪設(shè)范圍為1.54 km。為了保證正常機鋪，根據(jù)鋪軌工期要求，需采用臨時軌道過渡，待地下段整體道床鋪設(shè)至臨近接軌點時，再拆除臨時軌道。

臨時軌道過渡方案采用沿線路縱向間隔1 200 mm布置一對支墩，并在支墩上鋪設(shè)臨時軌排的布置方法，為檢算此方案能否滿足正常施工組織要求，需對該臨時軌道過渡施工方案進行計算分析。

1 計算參數(shù)與計算模型

考慮臨時軌道過渡地段共存在兩種較大荷載工況：(1)軌排運輸組織，由軌道車牽引兩節(jié)平板車，搭載2塊25 m長軌排；(2)混凝土運輸組織，由軌道車牽引一節(jié)平板車，混凝土罐車一臺。其中靜荷載匯總見表1。

運用大型有限元分析軟件建立有限元計算分析模型，其中鋼軌單元采用歐拉梁進行簡化模擬，支墩以及軌枕均采用實體單元進行模擬，支墩中鋼筋均采用桿單元進行模擬，扣件系統(tǒng)運用3向線性彈簧進行簡化模擬。有限元分析模型在支墩下方進行各向位移以及轉(zhuǎn)角約束，在鋼軌兩端施加對稱約束，即僅放開垂向、橫向位移約束。

表1 靜荷載匯總

列車轉(zhuǎn)向架間距離較遠，距離較遠的荷載相互疊加影響較小。因此，在建立模型時，為提升計算效率，建立總長8.4 m的臨時軌排支墩。檢算時分別選取軌道車、軌排運輸平板車單個轉(zhuǎn)向架和混凝土罐下方轉(zhuǎn)向架3種主要荷載方式進行分析，并分別考慮不同荷載作用位置時結(jié)構(gòu)受力狀況。模型結(jié)構(gòu)見圖1～圖3。

圖1 模型整體結(jié)構(gòu)

圖2 鋼軌與扣件模型示意

圖3 支墩中鋼筋模型示意

2 計算結(jié)果分析

建立了3種主要計算工況并分別考慮不同荷載作用位置下的軌道結(jié)構(gòu)受力情況，經(jīng)過前期試算，選取最不利荷載組合方式對結(jié)構(gòu)整體受力情況進行分析。最不利的荷載組合方式為混凝土罐下方轉(zhuǎn)向架直接作用在鋼軌上，此時鋼軌受到4個垂向荷載作用，單個輪重荷載作用力為105 kN，同時2對垂向荷載以單個支墩為中心對稱(見圖4)。

圖4 垂向荷載作用示意

2.1 支墩結(jié)構(gòu)受力分析

(1)支墩結(jié)構(gòu)垂向受力分析

支墩結(jié)構(gòu)垂向應(yīng)力計算結(jié)果見圖5。

圖5 支墩結(jié)構(gòu)垂向應(yīng)力

通過計算分析可知，最大垂向應(yīng)力出現(xiàn)在2對垂向荷載中心處的支墩上，最大壓應(yīng)力為1.18 MPa，此值小于C30混凝土抗壓強度標準值(20.1 MPa)，支墩上混凝土結(jié)構(gòu)不會因受壓出現(xiàn)傷損。此時最大垂向拉應(yīng)力約為0.05 MPa，此值小于C30混凝土抗拉強度標準值(2.01 MPa)，表明即使在這種最不利的荷載作用條件下，支墩垂向上不會出現(xiàn)拉裂。

(2)支墩結(jié)構(gòu)縱向受力分析

列車荷載并未作用在支墩結(jié)構(gòu)的正上方，因此支墩將受到較大的沿縱向的拉壓應(yīng)力作用，支墩沿縱向所受應(yīng)力見圖6。

圖6 支墩結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力

通過計算分析可知，最大縱向應(yīng)力出現(xiàn)在2對垂向荷載中心處的支墩上，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕作用位置正下方，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕作用位置兩側(cè)。支墩上最大拉應(yīng)力為0.15 MPa，最大壓應(yīng)力為0.50 MPa，此值分別小于2.01 MPa和20.1 MPa，支墩混凝土不會在縱向上拉裂或壓碎傷損。

(3)支墩結(jié)構(gòu)橫向受力分析

軌枕作用在支墩上的位置并不在支墩結(jié)構(gòu)的中心位置，因此支墩結(jié)構(gòu)屬于偏心受壓部件，會在橫向上出現(xiàn)較大的拉壓應(yīng)力，支墩沿橫向所受應(yīng)力見圖7。

圖7 支墩結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)力

通過計算分析可知，最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕作用位置正下方，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在支墩底部。支墩結(jié)構(gòu)上最大拉應(yīng)力為0.18 MPa，最大壓應(yīng)力為0.19 MPa，此值分別小于2.01 MPa和20.1 MPa，由此可得支墩混凝土不會在橫向上拉裂或壓碎傷損。

(4)支墩結(jié)構(gòu)位移分析

支墩結(jié)構(gòu)在受到列車荷載作用下會出現(xiàn)不同方向的撓曲變形，因此支墩結(jié)構(gòu)不同位置會出現(xiàn)位移，但混凝土結(jié)構(gòu)過大的撓曲變形會造成支墩結(jié)構(gòu)折斷，有必要檢算支墩結(jié)構(gòu)的位移。

通過計算分析可得，支墩結(jié)構(gòu)在最不利列車荷載作用條件下，三向最大位移均小于0.01 mm，支墩結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)較大撓曲變形，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況。

2.2 鋼軌結(jié)構(gòu)位移分析

在列車垂向荷載以及結(jié)構(gòu)本身自重作用下，鋼軌結(jié)構(gòu)將會發(fā)生較為明顯的垂向位移變形，同時由于支墩間距比較大，也將造成鋪設(shè)在上方的軌排結(jié)構(gòu)發(fā)生二次彎沉，這都會對軌道結(jié)構(gòu)造成不利影響，有必要對鋼軌結(jié)構(gòu)的垂向位移進行研究分析。由于結(jié)構(gòu)受力、約束條件以及扣件作用的影響，鋼軌的縱、橫向位移變化量非常小，此處不再對鋼軌的縱、橫向位移進行分析研究。圖8為在結(jié)構(gòu)本身重力作用下鋼軌的垂向位移，圖9為列車荷載和重力共同作用下鋼軌的垂向位移。

圖8 重力作用下鋼軌的垂向位移

圖9 列車荷載和重力共同作用下鋼軌的垂向位移

由圖9可以看出，僅在重力作用下，鋼軌的最大垂向位移約為0.06 mm，此時鋼軌的沉降量并不大。在列車荷載和重力共同作用下鋼軌的最大垂向位移約為2.48 mm，此時鋼軌的沉降量較大，對車輛安全運行有比較大的影響，但考慮結(jié)構(gòu)本身為臨時軌道結(jié)構(gòu)，且軌排運輸車和混凝土運輸車的行駛速度較低并對行車舒適性沒有要求，可以認為此種最不利荷載條件下，鋼軌最大垂向位移雖超過1.5 mm，但并不會造成較大安全隱患。應(yīng)當注意的是軌排運輸車和混凝土運輸車在臨時軌道結(jié)構(gòu)上行駛時速度不可過高。

2.3 軌排穩(wěn)定性分析

軌排結(jié)構(gòu)在列車荷載以及自身重力的影響下會出現(xiàn)不同位移變形，此處對軌排結(jié)構(gòu)的位移進行計算分析，以期對軌排結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出判斷。

通過計算分析可得，除空吊處軌枕出現(xiàn)約0. 11 mm豎向位移外，位于支墩上的軌枕結(jié)構(gòu)在最不利列車荷載作用條件下，三向最大位移均小于0.01 mm，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況。這主要是由于作為底部基礎(chǔ)支承的支墩結(jié)構(gòu)在最不利列車荷載作用下并未出現(xiàn)較大幅度的撓曲變形，上部的軌排結(jié)構(gòu)也不會出現(xiàn)較大變形。2.4 鋼筋抗拔力計算

以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)為例，該規(guī)范規(guī)定當計算中充分利用鋼筋受拉強度時，其錨固長度按式(1)計算

(1)

式中l(wèi)a——受拉鋼筋的基本錨固長度；

fy——錨固鋼筋的抗拉強度設(shè)計值，取195 MPa；

ft——錨固區(qū)混凝土的抗拉強度設(shè)計值，取1.45 MPa；

d——錨固鋼筋的直徑，取12 mm；

av——錨固鋼筋的外形系數(shù)，其中螺紋肋鋼筋外形系數(shù)為0.13。

將上述參數(shù)帶入式(1)，可得

根據(jù)計算結(jié)果，錨固鋼筋的基本錨固長度為209.8mm，設(shè)計支墩中鋼筋的錨固長度為400mm，滿足設(shè)計要求，可以提供可靠的抗拔錨固要求。

3 結(jié)束語

(1)通過計算，在最不利列車荷載作用下，支墩的最大縱、橫以及垂向拉壓應(yīng)力均小于C30混凝土抗拉壓強度標準值，支墩結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)裂紋或壓碎傷損。

(2)通過計算，在最不利列車荷載作用下，鋼軌的最大垂向位移約為2.48mm，考慮結(jié)構(gòu)本身為臨時軌道結(jié)構(gòu)，且軌排運輸車和混凝土運輸車的行駛速度較低并對行車舒適性沒有要求，可以認為此種最不利荷載條件下并不會造成較大安全隱患。應(yīng)當注意軌排運輸車和混凝土運輸車在臨時軌道結(jié)構(gòu)上行駛時速度不可過高。

(3)通過計算，在最不利列車荷載作用下，支墩和軌排結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及三向位移，支墩和軌排結(jié)構(gòu)均不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

(4)根據(jù)相關(guān)公式計算得，錨固鋼筋的基本錨固長度為209.8mm，設(shè)計支墩中鋼筋的錨固長度為400mm，滿足設(shè)計要求，可以提供可靠的抗拔錨固要求。

[1] 劉學毅，趙坪銳，楊榮山.客運專線無砟軌道設(shè)計理論與方法[M].成都：西南交通大學出版社，2010

[2] 劉學毅，王平.車輛—軌道—路基系統(tǒng)動力學[M].成都：西南交通大學出版社，2010

[3] 楊成寬.隧道內(nèi)雙塊式無碴軌道軌排架法施工測量控制技術(shù)[J].鐵道勘察，2009(1)

[4] 張世基.重載鐵路大跨度預應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計實例分析[J].鐵道勘察，2014(1)

[5] 龔曙光，桂蘭，云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

[6] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

[7]GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[8] 馮健.北京地鐵7號線北京西站既有結(jié)構(gòu)無枕式整體道床設(shè)計[J].鐵道勘察，2014(1)

[9] 任娟娟，劉學毅，趙坪銳.連續(xù)道床板裂紋計算方法及影響因素[J].西南交通大學學報，2010，45(1)．

[10]林紅松，李培剛，顏華，等.列車荷載下考慮道床裂紋的無砟軌道受力特性[J].西南交通大學學報，2010，45(6)

[11]劉道通，楊寶峰.地鐵軌道施工常見問題及解決方案[J].鐵道工程學報，2010(4)

[12]劉祺.鐵路隧道施工階段質(zhì)量安全監(jiān)控要點[J].鐵道勘察，2015(6)

[13]林紅松.基于斷裂和損傷力學的無砟軌道靜動力特性研究[D].成都：西南交通大學，2009

Analysis and Research on the Temporary Track Transition Construction Scheme on Jiuxiang River

ZHAO Hongguang

2016-06-13

趙紅光(1972—)，男，1995年畢業(yè)于北方交通大學鐵道工程專業(yè)，高級工程師。

1672-7479(2016)05-0104-04

U215.7

B