隧道內(nèi)摩擦板和端刺結(jié)構(gòu)方案研究

段玉振，張麗平，楊榮山

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

1 隧道內(nèi)端刺概述

當(dāng)橋隧相連時，橋上的無砟軌道產(chǎn)生的溫度力和制動力等將影響到隧道內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。若是橋與路基相連可采用倒T型端刺，將作用在底座板上的溫度力和制動力通過摩擦板和端刺傳遞到與橋梁相連接的路基中。但橋隧相連時將溫度力和制動力通過摩擦板和端刺傳遞到隧道仰拱上而不是路基上，本文旨在找出一種適合橋與隧道相連時摩擦板與端刺的形狀與尺寸。

這里提出三種研究方案。三種方案在摩擦板長度、端刺尺寸上各不相同。分別建立隧道內(nèi)端刺結(jié)構(gòu)有限元分析模型，根據(jù)特殊高墩大跨橋梁鋪設(shè)連續(xù)現(xiàn)澆雙塊式無砟軌道研究課題中計算出來的端刺受力，分析隧道內(nèi)不同端刺結(jié)構(gòu)方案的受力及變形情況。本文對這三種方案進(jìn)行了具體的分析。

2 計算方案及計算參數(shù)

2.1 計算方案

方案一:隧道內(nèi)摩擦板長80 m，摩擦板末端設(shè)置16 m長大端刺并錨固于仰拱內(nèi)，大端刺后設(shè)置4 m長的過渡板。端刺與隧道仰拱回填層錨固，計算簡圖如圖1。

方案二:隧道內(nèi)摩擦板長100 m，不設(shè)端刺，僅在摩擦板后面10 m范圍內(nèi)設(shè)置錨固銷釘。摩擦板后面10 m與隧道仰拱回填層錨固，計算簡圖如圖2。

方案三:隧道內(nèi)摩擦板長100 m，均勻設(shè)置10個長1.0 m，高0.7 m的小端刺，端刺左右兩端填充橡膠墊板，彈簧剛度取500 kN/mm，計算簡圖如圖3。

2.2 計算參數(shù)

1)材料參數(shù)

①摩擦板及端刺，取彈性模量為3.0×1010Pa，泊松比為0.167。②隧道仰拱回填層采用片石混凝土，強(qiáng)度取C20，彈性模量為2.6×1010Pa，泊松比為0.2。③隧道仰拱采用素混凝土，取彈性模量為2.55×1010Pa，泊松比為0.2。④考慮最不利荷載工況，摩擦板和隧道仰拱回填層之間的摩擦系數(shù)取零。

2)作用荷載

橋梁在整體溫度變化 ±8.5℃情況下，根據(jù)特殊高墩大跨橋梁鋪設(shè)連續(xù)現(xiàn)澆雙塊式無砟軌道研究課題中計算出來的端刺受力為11 000 kN。

圖1 方案一計算簡圖

3)端刺、摩擦板最大縱向位移

參照京津城際鐵路，最大縱向位移限值取3 mm。

3 預(yù)定方案計算及其結(jié)果

3.1 方案一

1)計算模型

采用有限元分析軟件ANSYS建立三維有限元力學(xué)模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。模型中摩擦板、端刺、隧道回填層及仰拱均采用實體單元(SOLID95)進(jìn)行模擬，摩擦板尺寸為長80.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;端刺尺寸為長16.0 m，寬9.0 m，高0.5 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度為0.3 m，隧道回填層中心高度為1.5 m。利用ANSYS建立的實體模型如圖4和圖5。

圖2 方案二計算簡圖

圖3 方案三計算簡圖

2)計算結(jié)果及其分析

圖4 側(cè)視圖(二維)

圖5 計算模型

圖6 端刺前端等效應(yīng)力

計算結(jié)果如圖6、表1所示。在最不利情況下，摩擦板與仰拱回填層不黏結(jié)，當(dāng)摩擦板端部受拉時，端刺前端高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為9.06 MPa，隧道內(nèi)仰拱回填層高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為4.40 MPa，其值都比較小，滿足要求。最大縱向位移為 6.60 mm，超過3.00 mm，不滿足要求。

表1 方案一計算結(jié)果

3.2 方案二

1)計算模型

采用有限元分析軟件ANSYS對墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，利用前處理模塊Preprocessor建立三維有限元力學(xué)模型，摩擦板、隧道回填層及仰拱都用實體單元solid95進(jìn)行模擬，摩擦板尺寸取長100.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度取0.3 m，隧道回填層中心高度取1.5 m。利用ANSYS建立的實體模型如圖7、圖8。

2)計算結(jié)果及其分析

計算結(jié)果如圖9、表2所示。在最不利情況下，摩擦板與仰拱回填層不黏結(jié)，當(dāng)摩擦板端部受拉時，端刺前端高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為6.86 MPa，隧道內(nèi)仰拱回填層高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為3.82 MPa，滿足要求。最大縱向位移為9.23 mm，超過3.00 mm，不滿足要求。

表2 方案二計算結(jié)果

圖7 側(cè)視圖(二維)

圖8 計算模型

圖9 縱向位移

3.3 方案三

1)計算模型

采用有限元分析軟件ANSYS對墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，各部件都用實體單元solid95進(jìn)行模擬，橡膠墊板用非線性彈簧單元COMBIN39進(jìn)行模擬。摩擦板尺寸取長100.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;小端刺尺寸取長1.0 m，寬1.0 m，高0.7 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度取0.3 m，隧道回填層中心高度取1.5 m。利用 ANSYS建立的實體模型如圖10、圖11所示。

圖10 側(cè)視圖(二維)

圖11 計算模型

圖12 端刺等效應(yīng)力

2)計算結(jié)果及其分析

計算結(jié)果如圖12、表3所示。從表3可以看出摩擦板及端刺最大拉應(yīng)力為7.13 MPa，隧道仰拱回填層最大拉應(yīng)力2.84 MPa，均滿足要求。最大縱向位移為0.87 mm，小于3.00 mm，滿足要求。

表3 彈簧剛度取500 kN/mm時方案三計算結(jié)果

4 新增方案

4.1 方案描述

基于預(yù)定方案二基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，預(yù)定方案二為隧道內(nèi)摩擦板長取100.0 m，不設(shè)端刺，僅在摩擦板后面10.0 m范圍內(nèi)設(shè)置錨固銷釘，根據(jù)計算結(jié)果可知，由于摩擦板太長，摩擦板前端橋上的無砟軌道產(chǎn)生的溫度力和制動力等作用到摩擦板和端刺時，導(dǎo)致縱向位移較大，并且摩擦板太長也影響施工和不經(jīng)濟(jì)。本方案對預(yù)定方案二進(jìn)行改進(jìn)，具體措施為:隧道內(nèi)摩擦板長取20.0 m，不設(shè)端刺，并且摩擦板全部錨固于仰拱內(nèi)。新增方案計算簡圖見圖13。

4.2 計算模型

采用有限元分析軟件ANSYS對墊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，利用前處理模塊Preprocessor建立三維有限元力學(xué)模型，摩擦板、隧道回填層及仰拱都用實體單元solid95進(jìn)行模擬，摩擦板尺寸取長20.0 m，寬9.0 m，高0.4 m;隧道仰拱用內(nèi)徑為8.0 m，外徑為8.3 m的部分圓柱體代替，其底部厚度取0.3 m，隧道回填層中心高度取1.5 m。利用ANSYS建立的實體模型如圖14、圖15所示。

4.3 計算結(jié)果及其分析

計算結(jié)果如圖16、表4所示。在最不利情況下，摩擦板與仰拱回填層不黏結(jié)，當(dāng)摩擦板端部受拉時，其前端高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為7.42 MPa，隧道內(nèi)仰拱回填層高應(yīng)力區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.20 MPa，最大縱向位移為0.066 mm，其值都比較小，滿足要求，這一方案可行。

圖13 新增方案計算簡圖

圖14 側(cè)視圖(二維)

圖15 計算模型

圖16 縱向位移

表4 新增方案計算結(jié)果

5 方案對比

將預(yù)定的三個方案和新增方案計算結(jié)果統(tǒng)一列表，見表5所示。將4個方案的計算結(jié)果進(jìn)行比較可知，采用摩擦板大端刺得方案一和不設(shè)端刺僅在摩擦板后面10 m范圍內(nèi)設(shè)置錨固銷釘方案二不能滿足最大位移＜3 mm的要求。采用摩擦板小端刺的方案三和把摩擦板全部錨固于仰拱內(nèi)的新增方案，無論是摩擦板及端刺最大拉應(yīng)力、隧道仰拱回填層最大拉應(yīng)力，還是最大縱向位移，均比較合理。但是綜合其應(yīng)力、縱向位移的大小，以及經(jīng)濟(jì)程度和施工等方面進(jìn)行比較可知，新增方案最具優(yōu)勢。

表5 全部方案計算結(jié)果

6 結(jié)論

通過模型加載計算、最大拉應(yīng)力與最大縱向位移的分析可以看出，采用摩擦板全部錨固于仰拱的方案 (新增方案)，最大拉應(yīng)力和最大縱向位移均小于允許值。能夠確保隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，且此方案摩擦板長度比其他幾個方案短很多，工程量與費用也相應(yīng)減少，從經(jīng)濟(jì)方面講也比其他幾個方案優(yōu)越。

［1］葛海娟.鄭武段客運專線CRTSⅡ型板式無砟軌道摩擦板和端刺方案研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2010(2):41-04.

［2］宋勇.精通 ANSYS有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［3］周長城.ANSYS 11.0基礎(chǔ)與典型范例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［4］羅強(qiáng)，蔡英，翟婉明，等.高速鐵路路橋過渡段的動力學(xué)性能分析［J］.工程力學(xué)，1999(5):65-70.

［5］陳小平，王平.客運專線橋上縱連板式無砟軌道制動附加力影響因素分析［J］.鐵道建筑，2008(9):87-90.

［6］徐錫江.大跨橋上縱連板式軌道縱向力計算研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

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

［8］蔡小培，高亮，魏強(qiáng)，等.CRTSⅡ型板式無砟軌道臺后Ⅱ型主端刺錨固結(jié)構(gòu)受力分析［J］.鐵道建筑，2010(12):121-124.

［9］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2005.

［10］王森榮.板式無砟軌道溫度力研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［11］陳文.橋上縱連板無砟軌道的垂向動力特性研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.