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(jié)構(gòu)不可避免的會出現(xiàn)裂紋，裂紋的存在破壞了道床板連續(xù)性，尤其當裂紋寬度較大時，有可能影響無砟軌道結(jié)構(gòu)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(fā)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(gòu)造裂紋對軌道結(jié)構(gòu)中道床板受力的影響[1]。

1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)實體模型及參數(shù)

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(xù)，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(xiàn)。軌枕和道床板，以及道床板和支撐層間采用粘結(jié)(Tie)處理。列車荷載取為豎向準靜態(tài)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(huán)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(shù)

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(jié)構(gòu)的受力特性，得出結(jié)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(chǎn)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(tài)。計算結(jié)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(jīng)過上層鋼筋和下層鋼筋結(jié)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(jié)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(gòu)造下得出了雙塊式無砟軌道的受力情況，計算結(jié)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(guī)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?。?/p>

(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(guī)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??；

(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(xù)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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?。涣鸭y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(nèi)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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