溫度對雙塊式無砟軌道道床板及凸臺結構的影響分析

楊 斌，錢小益，史青翠

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;2.蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊 830011)

隨著高速鐵路的不斷發展，新型無砟軌道結構在我國得到了廣泛應用。CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道由于其結構簡單、對線路適應性好、具有較好的平順性、施工工藝相對簡單等優點逐步成為我國客運專線無砟軌道結構的首選形式之一。經過綜合分析研究與比較，新建蘭新第二雙線某區段擬采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道形式。但是，由于蘭新線地處我國西北部，該區氣候條件十分惡劣，以往的雙塊式無砟軌道結構已經無法適應這種嚴寒、大溫差的環境，因此，急需開發出新型的無砟軌道結構以適應西北地區的氣候條件。目前，蘭新線已經提出了幾種新型的無砟軌道結構形式，諸如將道床板結構單元化處理，將原來連續結構的道床板分塊澆筑成單元式，道床板下采用不同的凸臺設置方式或者直接對道床板設置限位結構，道床板之間設置傳力桿機構等。本文旨在對采用單元形式澆筑道床板并設置了凸臺結構的Ⅰ型雙塊式無砟軌道進行數值模擬與計算，通過對所得結果分析，從而檢驗該種軌道結構形式的合理性，為新型的雙塊式無砟軌道結構設計提供理論支撐。

1 采用單元式道床板結構的雙塊式無砟軌道

為適應西北地區大溫差等惡劣的氣候條件，蘭新線雙塊式無砟軌道以普通CRTSⅠ雙塊式無砟軌道結構為基礎對其進行創新，將連續澆筑的道床板單元化處理，即采用單元式道床板結構取代連續型道床板結構。該種軌道結構形式是蘭新線提出的一種新型雙塊式無砟軌道結構之一，其結構相對簡單，對線路適應性好，造價低，施工工藝簡單。

溫度對連續道床板的影響比較大，因此道床板采用單元板形式設計，將道床板分塊澆筑，形成一塊塊單元板式的結構，這樣設計可以避免道床板在溫度作用下產生較大的內部應力，通過在道床板與板之間設置伸縮縫，使得道床板在縱向方向能夠進行一定的伸縮，從而釋放其內部應力。但是道床板的這種單元式結構又使其軌道結構的整體性大大降低，道床板之間無相互作用，因此單個道床板的位移難以控制，易引起無砟軌道結構的不平順，因此考慮在道床板下設置凸臺結構以限制其縱、橫向的位移，凸臺設置可以多樣化，蘭新線就采用了多種方式設置，本文采用的方式為將凸臺設置于單元式道床板的兩端，即道床板下采用兩塊凸臺結構，凸臺在板端穿出，道床板與支承層間鋪設土工布，目的在于讓兩者之間能夠相對滑移，保證良好的變形協調。

具體軌道結構形式如圖1、圖2所示。

2 力學模型

考慮到道床板單元板式結構，且相互之間影響較小，本次計算取兩塊道床板進行分析就能夠滿足基本要求。

采用有限元分析軟件對軌道結構進行模擬，建立其力學模型。鋼軌采用梁單元模擬;考慮到重點對道床板結構進行力學分析，因此，軌枕與道床板看成整體結構與支承層均采用實體單元進行模擬;扣件采用彈簧單元模擬;支承層與下部基礎的連接采用彈簧單元模擬。道床板與支承層之間因為鋪設了土工布，兩者之間存在著摩擦，因此采用接觸形式進行模擬，考慮兩者之間的摩擦系數。

圖1 橫斷面

圖2 凸臺設置方式

具體力學模型如圖3所示。

圖3 力學模型

鋼軌采用60 kg/m鋼軌計算參數，彈性模量2.1×105MPa，泊松比 0.3，鋼軌線膨脹系數 11.8×10－6/℃ ，密度7 830 kg/m3。

道床板長6.48 m，寬2.80 m，高0.26 m。彈性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，鋼軌線膨脹系數1×10－5/℃ ，密度2 500 kg/m3。

支承層長26.0 m，寬3.4 m，高0.3 m。彈性模量6×103MPa，泊松比 0.2，鋼軌線膨脹系數 1×10－5/℃，密度2 500 kg/m3。其中凸臺尺寸為線路縱向方向2.740 m，橫向1.000 m，高0.045 m，設置于道床板兩端下方。

軌枕間距0.65 m，道床板間伸縮縫為0.02 m。道床板與支承層之間摩擦系數取為0.60。

3 不同溫度荷載工況下計算結果分析

考慮到蘭新線特殊的地理位置，溫度是影響軌道結構的主要因素之一，所以應以溫度變化對軌道結構的作用為主線進行分析。由于溫度的漸變性，軌道結構的溫度不是突然達到最低或者最高兩種極限情況，所以本文只建立了指定溫度下的溫度荷載工況，即環境溫度設定為10℃，考慮道床板溫度梯度以45℃/m變化(上高下低)以及軌道結構整體按10℃變化趨勢升降溫兩種情況。

3.1 溫度梯度對道床板結構的影響

計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 道床板最大應力分布

圖5 道床板豎向位移分布

對道床板應力進行分析，為方便建模，凸臺及道床板邊緣處未進行圓滑，因此道床板對應于凸臺處邊緣及角落產生了一定的應力集中，在實際施工過程中可以對凸臺以及道床板邊緣進行圓滑，所以，不考慮應力集中對結構的影響，從道床板整體受力來看，其底部平均拉應力為2.0 MPa左右，略微超限。

因為溫度梯度導致道床板下部受拉，所以在溫度上高下低的情況下，凸臺結構對上部結構作用效果甚微，這種工況下可以忽略其影響。

對道床板結構變形進行分析，道床板在溫度梯度的作用下中部會向上微微凸起，道床板發生了一定程度的翹曲，其中部凸起的最大位移為0.24 mm，道床板與支承層之間發生了分離，形成了離縫。

綜上所述，溫度梯度作用下，支承層對道床板的約束作用比較弱，不能有效地控制道床板的翹曲，道床板下中部會產生離縫現象，道床板底部拉應力易超限，軌道結構的受力及使用功能受到了一定的影響。

3.2 整體升降溫對道床板結構的影響

根據以往資料，蘭新線極限溫度取為 －41.5℃(最低)和47.7℃(最高)，道床板初始溫度設定為10℃，計算分析升降溫10℃，20℃，30℃以及極限溫度下的道床板應力應變規律。

道床板隨溫度變化發生沿線路縱向方向的伸縮，根據分析結果，道床板最大應力主要由拉應力控制，壓應力均滿足結構的抗壓要求，所以只給出了道床板隨溫度變化的最大拉應力圖示。由圖6可以看出，道床板在溫度降低的過程中，結構滿足混凝土抗拉設計要求，其中極限溫度下最大拉應力為1.02 MPa。在溫度升高的過程中，道床板極限溫度下拉應力為2 MPa，超限不多，正常溫度下也均滿足抗拉要求。對道床板板縫處的位移進行分析，凸臺設置到道床板板端位置，因此道床板板端處不受凸臺的約束，下部支承層對道床板結構的約束作用比較小，道床板板端產生了相對于凸臺邊緣的位移，滿足了其釋放應力的要求。從圖7可以看出道床板縱向方向相對于凸臺邊緣處最大位移為1.6 mm。

圖6 不同溫度下道床板最大拉應力

圖7 不同溫度下道床板板縫處的最大位移

綜上所述，在溫度變化荷載的作用下，道床板可以在支承層上有效地滑移，從而可以釋放其內部產生的應力，保證結構合理受力。同時，板縫的存在，使得道床板能夠在板縫處有一定的伸縮空間，也驗證了采用單元板式的合理性。

3.3 溫度升高條件下凸臺的作用

考慮到以下幾點原因，所以本文只針對結構整體溫度升高時對凸臺進行了計算分析，建立整體溫度為40℃(即將基礎溫度為10℃的軌道結構升高30℃)的有限元模型。

1)溫度梯度(上高下低)情況下，道床板中部向上翹曲，其底部受拉，所以凸臺與道床板產生了分離，對道床板結構受力影響較小;

2)整體溫度變化情況下，當溫度下降時，由于道床板收縮，凸臺與道床板之間產生了分離，所以也不對這種情況下的凸臺進行分析。

凸臺應力應變情況如圖8、圖9所示。

圖8 凸臺應力分布

圖9 凸臺位移分布

從凸臺應力應變分布圖可知，凸臺在縱向方向對道床板有一定的限制作用，從而可以約束道床板的較大位移變化，道床板中部位置對應的凸臺承受道床板對它的擠壓力，凸臺最大壓應力為2.81 MPa，最大位移為0.154 mm。

此外，凸臺直接澆筑到道床板的板端，這樣設置的目的在于可以讓凸臺不約束道床板的端部區域，從而可以使其能夠在板縫處一定空間內有效伸縮，釋放板內部應力。應力圖(圖8)表明了這一點，板端處凸臺應力遠小于板中部位置凸臺應力。

4 結論

通過對溫度作用下的雙塊式無砟軌道結構進行分析，本文得出以下結論:

1)在溫度梯度作用下，由于鋪設土工布時，支承層對道床板約束較小，所以道床板的翹曲不能被有效約束，道床板中部易上拱，且下部產生了拉應力超限。設想通過對道床板中部采用黏結設置從而控制道床板翹曲，兩側鋪設土工布允許道床板兩端伸縮釋放應力，此結論可以給蘭新線“部分摩擦式雙塊式無砟軌道”結構的提出提供理論支撐。

2)溫差較大地區鋪設雙塊式無砟軌道，應將道床板單元化，板與板之間設置伸縮縫，給道床板提供一定的伸縮空間。

3)單元式道床板下應設置凸臺，凸臺可以有效地限制道床板縱橫向的位移，凸臺應穿出道床板的端部，從而減小對其端部的縱向限制，讓道床板端部能夠有效伸縮，從而釋放其內部應力。

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