雙塊式無砟軌道裂紋對道床板受力的影響分析

徐光鑫,楊榮山

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

由于軌道結構不可避免的會出現裂紋，裂紋的存在破壞了道床板連續性，尤其當裂紋寬度較大時，有可能影響無砟軌道結構受力。當裂紋深度大于道床板保護層厚度時，道床板下層鋼筋穿過裂紋，鋼筋應力有可能發生突變。因此，綜合采用雙塊式無砟軌道實體有限元模型和計算力學模型，來探究在列車荷載以及溫度荷載下不同形式的構造裂紋對軌道結構中道床板受力的影響[1]。

1 雙塊式無砟軌道結構實體模型及參數

1.1 計算模型

圖1 路基上雙塊式無砟軌道模型

圖2 無砟軌道含裂紋的力學模型

雙塊式無砟軌道有限元模型和力學模型分別如圖1、圖2所示。道床板的裂紋采用預設裂紋的方法來模擬，同時認為開裂處混凝土還保持某種連續，仍可以傳遞部分荷載和應力，該特性通過ABAQUS軟件的單元生死功能來實現。軌枕和道床板，以及道床板和支撐層間采用粘結(Tie)處理。列車荷載取為豎向準靜態檢算荷載(即170 kN)作用于離裂紋最近的扣件上方；軸向溫度荷載考慮為最大降溫幅度，即按施工溫度與環境最低溫度差取值，以最不利情況來分析，取軌道整體降溫50 ℃。以此來模擬不同裂紋的形式對道床板和縱向鋼筋的應力影響。

1.2 計算參數

鋼軌為60 kg/m，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；扣件剛度為20 kN/mm；軌枕尺寸為長0.6 m、寬0.28 m、厚0.05 m，采用C60混凝土，彈性模量為3.65×104MPa，密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.167； 軌道板尺寸為長10 m、寬2.8 m、厚0.26 m，采用C40混凝土，彈性模量為3.25×104MPa，密度為2 400 kg/m3，泊松比為0.167；支承層尺寸為長10 m、寬3.4 m、厚0.3 m，采用C20混凝土，彈性模量為2.25×104MPa，泊松比為0.167；縱向鋼筋直徑為20 mm，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；路基支承面剛度為76 MPa/m。

2 列車荷載作用下道床板受力分析

2.1 列車荷載作用下無裂紋道床板受力分析

由雙塊式無砟軌道有限元模型進行建模，分析在道床板開裂前軌道結構的受力特性，得出結果如下。

(1)道床板拉應力

由于道床板是以鋼筋混凝土澆筑而成的，其極限抗拉強度很小，裂紋的產生是由于拉應力超過其極限抗拉強度，因此，應采用拉應力表征道床板的應力狀態。計算結果如圖3所示。

圖3 無裂紋的雙塊式無砟軌道道床板拉應力云圖

由圖3可知，無裂紋時，無砟軌道在列車荷載作用下，道床板最大拉應力為0.281 MPa，遠未達到混凝土容許抗拉強度。

(2)道床鋼筋應力

經過上層鋼筋和下層鋼筋結果對比，上層鋼筋應力較下層鋼筋應力更大，因此將上層鋼筋應力作為控制應力，其應力計算結果如圖4所示。

圖4 無裂紋的雙塊式無砟軌道上層鋼筋應力云圖

由圖4可知，無裂紋時，無砟軌道在列車荷載作用下，道床板鋼筋最大拉應力為3.759 MPa，遠未達到鋼筋屈服強度。

2.2 列車荷載作用下含裂紋道床板受力分析

在列車荷載作用下，對于不同形式的道床板裂紋，通過對裂紋深度以及寬度的構造下得出了雙塊式無砟軌道的受力情況，計算結果如表1、表2所示。

表1 含表面裂紋的道床板受力 MPa

表2 含貫通裂紋的軌道板受力 MPa

圖5、圖6給出了含表面裂紋的道床混凝土和縱向鋼筋受力的曲線圖，可清晰看出道床板受力規律。

圖5 含表面裂紋的道床混凝土受力曲線

圖6 含表面裂紋的縱向鋼筋受力曲線

由圖5、圖6可知：

(1)當列車荷載作用時，隨著應力的釋放，表面裂紋在同一深度情況下，裂紋寬度的變化對道床板拉應力和鋼筋應力影響都較小；

(2)表面裂紋在同一寬度情況下，裂紋深度的變化對道床板拉應力和鋼筋應力影響較大，最大道床板拉應力為0.738 MPa，最大鋼筋應力為15.69 MPa，兩者均遠未超過容許應力。

圖7、圖8給出了含貫穿裂紋的道床混凝土和縱向鋼筋受力的曲線圖，可清晰看出道床板受力規律。

圖7 含貫穿裂紋的道床混凝土受力

圖8 含貫穿裂紋的縱向鋼筋受力

由圖7、圖8可知：

(1)當列車荷載作用時，貫穿裂紋在同一深度情況下，裂紋寬度的變化對道床板拉應力和鋼筋應力影響較小；

(2)貫穿裂紋在同一寬度情況下，裂紋深度的變化對道床板拉應力和鋼筋應力影響較大，最大道床板拉應力為1.326 MPa，最大鋼筋應力為37.34 MPa，兩者均遠未超過容許應力。

3 軸向溫度荷載作用下含裂紋的道床板受力分析

由于道床板的連續性，當完整的雙塊式無砟軌道軸向溫度在較低溫度時便會開裂，因此本節只考慮軸向溫度荷載作用下含裂紋的無砟軌道道床板受力，通過改變裂紋寬度大小，判斷裂紋寬度的變化是否對無砟軌道受力有影響。只考慮全斷面貫通裂紋，取計算工況為：溫度變化幅度為50 ℃。計算結果如表3所示。

表3 含全斷面貫通裂紋的無砟軌道道床板受力 MPa

由表3可知，在軸向溫度荷載50 ℃作用下，隨著裂紋寬度的變化，道床混凝土拉應力及鋼筋應力變化較小，但是遠遠大于在列車荷載作用下的道床板應力和鋼筋應力。

4 結論

本文通過運用有限元軟件計算，對于雙塊式無砟軌道裂紋對道床板受力影響得出如下結論。

(1)含表面裂紋的無砟軌道與無裂紋的無砟軌道相比，道床板混凝土受力有所增加，但增幅不大，縱向鋼筋應力在裂紋深度較大時增幅很大。

(2)含貫穿裂紋的無砟軌道與無裂紋的無砟軌道相比，道床板混凝土受力有小幅度的增加，而縱向鋼筋應力隨著裂紋深度的增加而逐漸增大，但遠遠未超過鋼筋的屈服強度。

(3)在列車荷載作用下或者溫度荷載作用下，裂紋寬度的變化對道床板受力影響較小；裂紋深度的變化對道床板有一定的影響，隨著深度的增加，道床板內鋼筋應力增加較緩。當深度超過50 mm(即保護層厚度)時，鋼筋應力明顯增大。

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