CRTSⅡ型板式軌道軌道板溫度測量與變形分析

韓志剛，孫 立

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、水泥瀝青砂漿調(diào)整層、連續(xù)底座板(橋梁)或支承層(路基)、滑動(dòng)層(橋上)、側(cè)向擋塊(橋上)等部分組成。如圖1所示。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意

在CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，水泥瀝青砂漿層作為軌道板和混凝土底座或支承層之間的墊層材料，起到填充、調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)高度、支撐承力并傳力作用，并可以為軌道板提供一定的剛度、彈性和韌性。水泥瀝青砂漿的性能直接影響到列車運(yùn)行品質(zhì)、軌道結(jié)構(gòu)耐久性以及運(yùn)營維修成本，他是高速鐵路建造的關(guān)鍵工程材料之一。

目前在CRTSⅡ型板式無砟軌道施工過程中發(fā)現(xiàn)，軌道板與水泥瀝青砂漿存在離縫現(xiàn)象，離縫主要出現(xiàn)在軌道板4個(gè)邊角位置。如圖2所示。

圖2 軌道板與水泥瀝青砂漿層離縫

初步分析離縫是由于軌道板沿其厚度方向不均勻溫度梯度引起的;因?yàn)閯偸┕ね戤吽酁r青砂漿層，軌道板沒有承受列車載荷作用;當(dāng)軌道板均勻升溫時(shí)，會(huì)引起軌道板沿其長度和寬度方向的伸長變形;當(dāng)軌道板均勻降溫時(shí)，會(huì)引起軌道板沿其長度和寬度方向的收縮變形;而當(dāng)軌道板沿其厚度方向存在溫度梯度時(shí)，會(huì)使得軌道板產(chǎn)生豎向的翹曲變形。

軌道板與水泥瀝青砂漿層的離縫不僅會(huì)加快水對(duì)軌道板的侵蝕，加速砂漿裸露部位的破損脫落，而且也會(huì)對(duì)將來的行車造成安全隱患。

本文基于Ansys有限元軟件建立軌道板溫度梯度分析模型，以試驗(yàn)測量的軌道板溫度和變形為初始分析條件，分析不均勻溫度梯度對(duì)軌道板翹曲變形的影響，通過實(shí)測軌道板變形結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證有限元分析模型的可靠性，并為CRTSⅡ無砟軌道板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 軌道板溫度、變形測量

1.1 軌道板傳熱性能概述

CRTSⅡ型軌道板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其傳熱性能存在明顯滯后現(xiàn)象。當(dāng)軌道板被太陽照射，其結(jié)構(gòu)表面溫度迅速上升，但內(nèi)部大部分區(qū)域仍保持原來的溫度狀態(tài)，會(huì)在軌道板厚度方向形成不均勻的溫度梯度。軌道板的溫度梯度變化不僅與其朝向、日照直射強(qiáng)度和日照時(shí)間有關(guān)，而且與環(huán)境溫度有關(guān)。

1.2 軌道板溫度觀測

軌道板內(nèi)部溫度梯度的分布情況一直是設(shè)計(jì)者最關(guān)注的問題，本次試驗(yàn)只對(duì)軌道板表面和底面進(jìn)行測量。其中采用4個(gè)測溫電偶測量軌道板板底溫度，4個(gè)測量點(diǎn)分別位于板端、中間位置其分布如圖3所示。采用紅外測溫槍測量軌道板表面溫度。

圖3 板底溫度測量點(diǎn)分布示意

軌道板板底溫度采用4個(gè)測溫電偶的平均值，測量數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示，(8月份測量某塊軌道板，板底面和表面溫度與時(shí)間變化關(guān)系)，從圖中可以得到以下結(jié)論。

(1)軌道板底面與表面的溫度隨日照、環(huán)境溫度和時(shí)間的變化而變化;軌道板表面從2:00～13:00處于升溫狀態(tài)，最高溫度為51.2℃，從13:00～2:00處于降溫狀態(tài)，最低溫度為30.8℃;軌道板底面溫度變化幅度遠(yuǎn)小于板表面溫度變化幅度，而且升溫、降溫滯后于軌道板表面，從6:00～16:00處于升溫狀態(tài)，最高溫度為40.6℃，從16:00～6:00點(diǎn)處于降溫狀態(tài)，最低溫度為30.8℃。

(2)軌道板表面、底面溫度差的變化與板表面溫度變化情況基本一致，從4:00～13:00溫度差逐漸增大，最大正溫差為12.4℃;從13:00～4:00溫度差逐漸減小，最大負(fù)溫差為-5.5℃;同時(shí)，在一天內(nèi)出現(xiàn)2次零溫差(板底面溫度與板表面溫度相同)，分別出現(xiàn)在早上6:00和下午16:00。軌道板表面與底面溫差變化幅度在-5.5～12.4℃，軌道板的溫度梯度在-0.275～0.62℃/cm之間變化。

圖4 實(shí)測軌道板表面和底面溫度

圖5 軌道板表面與底面溫度差

1.3 軌道板變形觀測

軌道板的翹曲變形隨著軌道板溫度梯度的變化而變化。通過試驗(yàn)測得，當(dāng)軌道板表面處于升溫時(shí)，板表面溫度高于板底面溫度，軌道板邊緣產(chǎn)生向下的翹曲變形，但由于水泥瀝青砂漿層屬于高彈性模量材料，抗壓縮變形能力強(qiáng)，所以軌道板產(chǎn)生向下的翹曲變形量不大;當(dāng)軌道板表面處于降溫時(shí)，板表面溫度低于板底面溫度，軌道板邊緣產(chǎn)生向上的翹曲變形，由于水泥瀝青砂漿層抗拉變形能力弱，軌道板產(chǎn)生的翹曲量在0.1～0.45 mm變化。

2 軌道板有限元模擬分析

2.1 建立模型

在使用有限元軟件Ansys模擬計(jì)算時(shí)，依據(jù)軌道板的結(jié)構(gòu)特性，選擇合理的單元建立軌道板模型，模型如圖6所示。鋼軌、扣件、軌道板、水泥瀝青砂漿層分別采用Beam單元、彈簧單元、實(shí)體單元、桿單元模擬;底座采用固定位移約束模擬。

圖6 軌道板有限元模型

2.2 分析假設(shè)

依據(jù)實(shí)測軌道板表面和底面溫度，溫度差在-5.5～12.4℃，溫度梯度-0.275～0.62℃/cm;在有限元模擬計(jì)算過程中，假設(shè)軌道板沿厚度方向的溫度梯度呈線性分布。鋼軌、扣件和軌道板的材料參數(shù)參照相關(guān)規(guī)范，水泥瀝青砂漿為高彈性模量材料(受壓不受拉)，彈性模量Eca=7 000～10 000 MPa。

2.3 模型參數(shù)確定

為了驗(yàn)證建立的有限元模型能夠反映實(shí)際軌道板的溫度變形，下面分別從軌道板升降溫、水泥瀝青砂漿彈性模量和鋼軌、軌道板自重3個(gè)方面討論，確定模型參數(shù)。

情況1，軌道板溫度采用實(shí)測溫度，考慮鋼軌、軌道板自重，水泥瀝青砂漿的彈性模量取值7 000～10 000 MPa，軌道板邊角的翹曲變形量與水泥瀝青砂漿的彈性的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 軌道板翹曲變形量與水泥瀝青砂漿彈性模量的關(guān)系(考慮鋼軌、軌道板自重)

從模擬結(jié)果曲線可知，水泥瀝青砂漿的彈性模量對(duì)軌道板的翹曲變形影響很小。

從2:00～6:00，軌道板底面溫度大于表面溫度，隨著軌道板表面升溫，表面溫度逐漸升高，溫度梯度增大，軌道板的翹曲變形量逐漸減小，軌道板的最大翹曲變形量為0.3 mm;

從6:00～15:00隨著軌道板表面溫度繼續(xù)升高，軌道板表面溫度大于底面溫度，軌道板4個(gè)邊角產(chǎn)生的翹曲變形量基本保持不變，約為0.08 mm;

從15:00～2:00，隨著軌道板表面溫度的降低，板底面溫度大于板表面溫度，軌道板4個(gè)邊角產(chǎn)生向上的翹曲變形，最大翹曲變形量為0.35 mm。

圖8顯示在2:00，當(dāng)水泥瀝青砂漿的彈性模量為8 000 MPa時(shí)，軌道板的翹曲變形云圖。最大的翹曲變形發(fā)生在軌道板4個(gè)邊角位置，翹曲變形量為0.35 mm。

圖8 軌道板翹曲變形云圖

情況2，軌道板溫度采用實(shí)測溫度，忽略鋼軌、軌道板自重，水泥瀝青砂漿的彈性模量為8 000 MPa時(shí)，軌道板的翹曲變形量與水泥瀝青砂漿的彈性的變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 鋼軌、軌道板自重對(duì)翹曲變形的影響

當(dāng)軌道板底面溫度大于表面溫度時(shí)，忽略鋼軌、軌道板自重，軌道板產(chǎn)生的翹曲變形量要比考慮自重產(chǎn)生的翹曲變形量大30%;當(dāng)軌道板表面溫度大于底面溫度時(shí)，考慮自重和忽略自重，軌道板邊角的翹曲變形量基本一致。

考慮自重軌道板產(chǎn)生的最大翹曲變形量為0.35 mm;忽略自重軌道板產(chǎn)生的最大翹曲變形量為0.473 mm;通過與試驗(yàn)測量的最大翹曲變形量0.45 mm相比，當(dāng)模型參數(shù)忽略鋼軌、軌道板自重、水泥瀝青砂漿的彈性模量為8 000 MPa時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果基本一致。

3 軌道板模型的應(yīng)用

由于CRTSⅡ型板無砟軌道采用縱聯(lián)結(jié)構(gòu)，前面對(duì)單一軌道由于溫度梯度變化產(chǎn)生的翹曲變形進(jìn)行了分析，下面基于單一軌道板模型，建立3塊縱聯(lián)軌道板模型，分析軌道板縱聯(lián)后溫度梯度對(duì)軌道板翹曲變形的影響。

3塊縱聯(lián)軌道板有限元模型如圖10所示。

圖10 縱聯(lián)軌道板分析模型

其中，水泥瀝青砂漿的彈性模量取8 000 MPa，忽略鋼軌、軌道板自重，溫度梯度取-0.275℃/cm，軌道板的翹曲變形量取中間軌道板模擬結(jié)果。

從模擬結(jié)果可知，中間軌道板4個(gè)邊角產(chǎn)生向上最大翹曲變形為0.33 mm。與前面單一軌道板最大翹曲變形量0.473 mm相比，縱聯(lián)后軌道板翹曲變形量比單塊軌道板的翹曲變形量減小約30%。

4 結(jié)論與展望

本文基于對(duì)CRTSⅡ型板無砟軌道溫度和變形的測量，使用Ansys有限元軟件建立分析模型，分析不均勻溫度梯度對(duì)軌道板翹曲變形的影響，通過試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對(duì)比，確定模型參數(shù)并驗(yàn)證分析模型的可靠性，得到如下結(jié)論。

(1)依據(jù)實(shí)測軌道板溫度數(shù)據(jù)，可知軌道板板底與表面的溫度隨日照、時(shí)間的變化而變化，板表面與底面溫差變化幅度為-5.5～12.4℃，溫度梯度在-0.275～0.62℃/cm變化;

(2)通過試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證當(dāng)軌道板板底溫度高、板表面溫度低時(shí)，軌道板4個(gè)邊角產(chǎn)生向上翹曲變形;水泥瀝青砂漿的彈性模量對(duì)軌道板的翹曲變形影響很小;當(dāng)忽略鋼軌、軌道板自重時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果基本一致。

(3)依據(jù)單一軌道板模型以及模擬參數(shù)，建立3塊縱聯(lián)軌道板模型，縱聯(lián)后軌道板由溫度梯度產(chǎn)生的翹曲變形量比單塊軌道板的翹曲變形量減小約30%。

本次對(duì)軌道板溫度測量是在8月份進(jìn)行，缺少其他季節(jié)測量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步完善。待數(shù)據(jù)完善后，需要進(jìn)一步驗(yàn)證分析模型的可靠性。

［1］王其昌，韓啟孟.板式軌道設(shè)計(jì)與施工［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

［2］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］王森榮，孫 立，李秋義.無砟軌道軌道板溫度測量與溫度應(yīng)力分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(2).