CRTSⅡ型板式無砟道岔板下自流平混凝土填充質(zhì)量影響分析

齊春雨

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司軌道交通勘察設(shè)計工程實驗室，天津 300142)

自流平混凝土由水泥、砂石、摻和料、超塑化劑等混合配制而成,加水拌和后即可泵送施工。它具有良好的流動性,在自重作用下能夠自流平,自密實,具有良好的均勻性和穩(wěn)定性,在流態(tài)時不泌水,不起泡,硬化后體積穩(wěn)定性好,不產(chǎn)生收縮裂縫；初凝時間較長,終凝時間較短,具有較高的早期強(qiáng)度；表面較為平整、耐磨性好；與基層材料黏結(jié)力較強(qiáng)。可節(jié)約勞力以及施工費用,提高施工效率和質(zhì)量,加快工程進(jìn)度,特別適應(yīng)于大面積的板下灌注。

CRTSⅡ型板式無砟道岔是一種新型的無砟道岔結(jié)構(gòu)形式,國內(nèi)第一次使用在京津城際高速鐵路上,并在隨后的京滬高速鐵路上獲得了廣泛使用。CRTSⅡ型板式無砟道岔在施工過程中,需要向無砟道岔板下灌注自流平混凝土,由于施工、材料等系列原因,可能會導(dǎo)致自流平混凝土灌注局部不密實；運營期間在列車荷載長期作用下,這些潛在的缺陷可能劣化,乃至將導(dǎo)致道岔板與自流平混凝土之間出現(xiàn)脫層、局部出現(xiàn)空隙現(xiàn)象,在脫層以及出現(xiàn)空隙的部位會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致脫層在橫縱向快速擴(kuò)展,影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力,進(jìn)而影響列車運行的舒適性以及安全性。對此,加強(qiáng)施工管理是必須的,但是什么樣的缺陷將會產(chǎn)生多大的應(yīng)力集中,需要針對不同的工況,建立合理的力學(xué)模型進(jìn)行定量分析。

1 CRTSⅡ型板式無砟道岔區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計

CRTSⅡ型板式無砟道岔區(qū)無砟軌道自上而下由以下部分組成：道岔、扣件、道岔板、底座(自流平混凝土層)和找平層,其中找平層采用C25混凝土,不配筋,混凝土厚度為13 cm；道岔板鋼筋混凝土厚24 cm,其上設(shè)置300 mm寬、縱向間距為60 cm的橫向承臺,承臺表面水平；承臺間的道岔板表面設(shè)置0.5%的橫向排水坡以及橫向預(yù)裂縫,預(yù)裂縫深4 cm。道岔板混凝土強(qiáng)度等級為C55,設(shè)置HRB335級鋼筋,工廠預(yù)制。底座厚度為180 mm。底座混凝土強(qiáng)度等級為C40,采用流動性好的混凝土(自流平混凝土)現(xiàn)場澆筑,在道岔板與底座兩端間設(shè)置一定量的剪力筋。如圖1，圖2所示。

圖1 等待灌注自流平混凝土的道岔板

圖2 岔區(qū)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面

2 分析工況及其假設(shè)簡化

為了分析自流平混凝土填充不密實對無砟軌道結(jié)構(gòu)的具體影響情況,在存在空隙的道岔板正上方施加垂向荷載,分析軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中情況,假設(shè)在鐵路經(jīng)過一段時間的運營后,鋼軌正下方的道岔板與自流平混凝土之間存在0.2 m×0.2 m、0.3 m×0.3 m、0.4 m×0.4 m、0.6 m×0.6 m大小的規(guī)則的不密實區(qū)域,自流平混凝土空隙位置如圖3所示。在灌注自留平混凝土?xí)r,正常不會出現(xiàn)0.4 m×0.4 m大小的空隙,只有在經(jīng)過列車運行一段時間后空隙旁邊的混凝土在列車荷載的碾壓作用下,會變成散粒體,從而形成更大的空隙。假定出現(xiàn)空隙的道岔板為18號高速無砟道岔中的一塊,尺寸為6 m×2.7 m×0.24 m。

圖3 道岔板填充不密實平面簡圖

3 分析模型與主要參數(shù)

本文利用大型有限元軟件ANSYS,計算分析18號高速無砟道岔板下自流平混凝土填充局部不密實的工況下,無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力情況。所建有限元模型中鋼軌用beam4梁單元模擬,扣件用combin14彈簧單元模擬,道岔板用solid65體單元模擬,自流平混凝土填充密實部分用combin14彈簧單元模擬,為減小相鄰道岔板的影響,有限元分析模型中縱向取3塊道岔板,假設(shè)左右兩邊道岔板的自流平混凝土填充完好,只有中間一塊道岔板局部出現(xiàn)填充不密實情況。分析模型中找平層底部全部約束,模型如圖4所示,計算參數(shù)如表1所示。列車垂直荷載為125 kN。

圖4 計算模型側(cè)面簡圖

表1 主要計算參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)受力分析(圖5、圖6、表2)

圖5 第一主應(yīng)力比較

圖6 第三主應(yīng)力比較

表2 各工況軌道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力 MPa

從圖5、圖6中可以看出,當(dāng)?shù)啦戆迮c自流平混凝土之間的空隙小于0.3 m×0.3 m時,并沒有出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中；當(dāng)空隙大小為0.4 m×0.4 m時,開始產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域開始擴(kuò)展;當(dāng)空隙為0.6 m×0.6 m時,軌道板應(yīng)力集中已十分明顯,且應(yīng)力集中區(qū)域較大。圖5、圖6的(c)中空隙大小為0.4 m×0.4 m,從該部分圖形中可以看出,空隙處與填充完全的混凝土邊界處會產(chǎn)生應(yīng)力集中,圖5(c)中應(yīng)力集中邊界處兩邊的第一主應(yīng)力分別為1.10 MPa、0.28 MPa,應(yīng)力集中較為明顯；同時在圖5(c)中,軌道結(jié)構(gòu)的左邊鋼軌處道岔板與自流平混凝土之間填充密實,右邊的對稱位置處存在不密實的填充區(qū)域,兩者在軌道結(jié)構(gòu)的橫向形成對比,顯然右邊部分應(yīng)力集中區(qū)域較大。圖5、圖6的(d)圖中空隙大小為0.6 m×0.6 m,由于道岔板與自流平混凝土之間的空隙較大,其應(yīng)力集中區(qū)域范圍較上一種工況更大,圖5(d)中應(yīng)力集中邊界處兩邊的第一主應(yīng)力分別為1.11、0.37 MPa。表2為各工況軌道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值,從表中可以看出,隨著道岔板與自流平混凝土之間空隙的增大,主應(yīng)力也相應(yīng)增大。因此當(dāng)列車在無砟道岔結(jié)構(gòu)上運行長久后,自流平混凝土填充層中較小的不密實區(qū)域慢慢演變?yōu)檩^大的空隙,空隙處將產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致空隙沿縱向與橫向快速擴(kuò)張,軌道與道岔板變形會迅速增長,因此必須提前采取相關(guān)維護(hù)措施。

5 結(jié)語

當(dāng)自流平混凝土在一定范圍內(nèi)填充不密實時,在列車垂直荷載作用下會導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域隨著填充空隙的增大而迅速劣化,需要進(jìn)行快速且有效地軌道結(jié)構(gòu)維護(hù)工作,防止在列車荷載作用下,道岔板與自流平混凝土之間的分層現(xiàn)象迅速沿著軌道橫縱向擴(kuò)展。

自流平混凝土配合比設(shè)計是底座板灌注能否順利、會否出現(xiàn)不密實缺陷的關(guān)鍵,必須嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書施工。施工前必須進(jìn)行嚴(yán)格的原材料選擇和充分的室內(nèi)試驗,以及大量的仿真模擬灌注試驗。包括放樣、綁扎鋼絲、吊裝道岔板及按照現(xiàn)場的灌注工藝,灌注自流平混凝土,直至混凝土擴(kuò)張度、和易性、強(qiáng)度等性能穩(wěn)定。施工過程中對找平層的高程和平整度要進(jìn)行嚴(yán)格控制,找平層必須進(jìn)行相應(yīng)的拉毛處理,保證找平層與自流平混凝土之間具有足夠的摩擦力。同時在灌注自流平混凝土之前必須檢查中間扣壓裝置與側(cè)向扣壓裝置,防止道岔板在澆筑自流平混凝土后產(chǎn)生過大的上浮量。

[1]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,2006.

[2]趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京：中國鐵道出版社,2006.

[3]劉小潔,余志武.自密實混凝土的研究與應(yīng)用綜述[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2006,3(2):6-9.

[4]何華武.無碴軌道技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社,2005.

[5]王平,劉學(xué)毅.無縫道岔計算理論與設(shè)計方法[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2007.