馮 洋

(海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司,福建 福州 350000)

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整體溫度作用下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力變形分析

馮 洋

(海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司,福建 福州 350000)

介紹了CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的組成與應(yīng)用現(xiàn)狀，利用ABAQUS有限元軟件，建立了軌道結(jié)構(gòu)模型，對(duì)整體溫度作用下CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的受力變形特點(diǎn)進(jìn)行了研究，為養(yǎng)護(hù)維修時(shí)機(jī)及措施提供了依據(jù)。

無(wú)砟軌道,溫度作用,受力變形特點(diǎn),軌道結(jié)構(gòu)模型

1 CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道

我國(guó)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道主要是在德國(guó)Rheda 2000型無(wú)砟軌道的研究基礎(chǔ)之上，將該類型無(wú)砟軌道的幾何結(jié)構(gòu)、制作材料及軌道電路等方面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。CRTSⅠ無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)高度為725 mm，結(jié)構(gòu)主要包括鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層等，該結(jié)構(gòu)從上向下剛度遞減。CRTSⅠ雙塊式無(wú)砟軌道大量應(yīng)用于我國(guó)武廣線、合武線、襄渝線等線路，其軌道結(jié)構(gòu)能夠較好的保證列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性、舒適性以及行車(chē)速度要求，然而由于路橋、路隧或橋隧地段的結(jié)構(gòu)剛度不同、施工過(guò)程中缺陷以及自然條件下溫度的影響，該軌道結(jié)構(gòu)在線路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中仍存在著一些問(wèn)題。

2 整體溫度荷載的選取

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的整體溫度是指該結(jié)構(gòu)在厚度方向上的均勻分布的整體溫度[1]。影響結(jié)構(gòu)整體溫度變化主要有兩個(gè)因素：日溫度變化和年溫度變化[2]。日溫度變化是將一天中的最高與最低的平均溫度作為日溫度變化的幅度，而年溫度變化是將月最高與最低的平均溫度作為年溫度變化的幅度。在整體溫度作用下，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要會(huì)表現(xiàn)出縱向、橫向的變形，根據(jù)膨脹原理，當(dāng)軌道板的整體溫度升高時(shí)，混凝土必然會(huì)發(fā)生膨脹，由于受約束條件的限制，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)有壓應(yīng)力的產(chǎn)生；軌道板在溫度降低的過(guò)程中，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，若拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)則會(huì)產(chǎn)生裂縫甚至造成結(jié)構(gòu)的失效[3,4]。我國(guó)地域遼闊，東北地區(qū)溫差可達(dá)80 ℃以上，而廣東地區(qū)溫差只有40 ℃[5，6]?？紤]全國(guó)范圍軌道結(jié)構(gòu)溫度，對(duì)軌道板、支承層加施加體溫度荷載，整體溫度荷載設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 整體溫度荷載 ℃

3 軌道結(jié)構(gòu)模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)無(wú)砟軌道實(shí)體建模。鋼軌、軌枕、支撐層均采用C3D8R單元模擬。

用彈簧連接來(lái)模擬扣件帶來(lái)的扣壓力和剛度，軌枕、支撐層和軌道板相互之間用綁定方式連接來(lái)模擬相互之間的作用效果，裝配結(jié)果見(jiàn)圖1。

4 仿真數(shù)據(jù)

按照表1對(duì)無(wú)砟軌道上施加溫度荷載。

4.1 溫升荷載下軌道結(jié)構(gòu)受力變形結(jié)果

軌道整體結(jié)構(gòu)位移最高發(fā)生在最高溫度即50 ℃時(shí)，位移計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，溫升荷載作用下，軌道整體最大縱向及橫向位移對(duì)稱分布，均分布在軌道結(jié)構(gòu)邊緣；由于溫升荷載存在，結(jié)構(gòu)中間部位垂直正方向位移較大，而結(jié)構(gòu)邊緣部位均產(chǎn)生向下位移，且結(jié)構(gòu)中間部位位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣部位，結(jié)構(gòu)整體有中部上拱趨勢(shì)。溫升荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)受力變形計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著溫度的上升，軌道板整體受力呈上升的趨勢(shì)。

4.2 溫降荷載下軌道結(jié)構(gòu)受力變形結(jié)果

對(duì)無(wú)砟軌道施加溫降荷載，應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 溫升荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)受力變形計(jì)算結(jié)果

溫度變化幅度20304050軌道板縱向應(yīng)力/MPa-12.5-15.8-18.5-21.3橫向應(yīng)力/MPa2.48/-10.43.72/-15.74.97/-20.96.20/-26.1垂向應(yīng)力/MPa0.79/-9.551.19/-14.31.58/-19.11.98/-23.9垂向位移/mm0.1560.2330.3110.389支撐層縱向應(yīng)力/MPa-10.5-12.8-14.6-16.2橫向應(yīng)力/MPa0.61/-6.430.91/-9.461.21/-12.91.5/-16.1垂向應(yīng)力/MPa0.74/-6.41.10/-9.641.48/-12.91.85/-16.7垂向位移/mm0.0900.1350.1790.225注:表中應(yīng)力為正表示受拉,為負(fù)表示受壓;位移為正表示與坐標(biāo)軸方向相同,為負(fù)表示方向相反

表3 溫降荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)受力變形計(jì)算結(jié)果

由表3可知，隨著溫度的下升，軌道板整體受力呈遞減的趨勢(shì)。

5 結(jié)果分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)無(wú)砟軌道施加整體溫升荷載和溫降荷載，兩種工況下獲得的計(jì)算結(jié)果數(shù)值相同，符號(hào)相反，因此可知該軌道結(jié)構(gòu)在兩種工況下的受力特性具有相似的規(guī)律。

溫升荷載下，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向與結(jié)構(gòu)位移方向在縱向上具有一致性?？v向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和垂向應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)溫度的增加而增大，且縱向應(yīng)力大于橫向應(yīng)力與垂向應(yīng)力。軌道結(jié)構(gòu)在位移上呈現(xiàn)上拱的趨勢(shì)且縱向存在較大的壓應(yīng)力。實(shí)際工況中，如果溫度升高幅度較大時(shí)，軌道有可能發(fā)生中部上拱失穩(wěn)破壞，且兩軌道結(jié)構(gòu)接觸縫處的混凝土可能發(fā)生受壓破壞。

溫降荷載下，軌道結(jié)構(gòu)縱向承受較大的拉應(yīng)力，并且隨著溫度的降低而增大。實(shí)際工況中，如果軌道板受到拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度則會(huì)發(fā)生收拉破壞，而接觸縫處的粘結(jié)能力較低，在溫度較低的環(huán)境下，接觸縫處極其容易發(fā)生收拉開(kāi)裂，因此接觸縫處為軌道結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

基于以上分析，本文提出關(guān)于CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道施工的幾點(diǎn)建議：

1)支承層連續(xù)攤鋪，連續(xù)軌道板地段支承層應(yīng)每隔5.2 m左右設(shè)1處橫向伸縮假縫。伸縮假縫位置應(yīng)在兩軌枕的正中間設(shè)置，避免伸縮假縫位置處于軌枕塊的下方。

2)支承層采用C20混凝土?xí)r，混凝土在攪拌、運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中不應(yīng)發(fā)生離析。

3)道床板架立混凝土模板時(shí)，應(yīng)充分濕潤(rùn)軌枕混凝土，精確調(diào)整軌距、水平、方向后，方可進(jìn)行道床板及底座混凝土灌注。

4)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%前，禁止在道床板上行車(chē)及碰撞軌枕。

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Analysis on ballastless track structure stress deformation under integral temperature effect

Feng Yang

(Haixia(Fujian)TransportationEngineeringDesignCo.,Ltd,Fuzhou350000,China)

The paper introduces the components and application status of CRTSⅠ-style ballastless track, establishes track structure model by applying ABAQUS finite element software, and studies the stress deformation properties of CRTSⅠ-style ballastless track under integral temperature effect, which has provided some guidance for maintenance and repairing measures.

ballastless track, temperature effect, stress deformation property, track structure model

1009-6825(2017)13-0149-02

2017-02-26

馮 洋(1989- )，女，碩士，助理工程師

U213.244

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