有軌電車嵌入式軌道板溫度翹曲變形量研究

易 欣 楊 剛 劉光勝

(1.廣深鐵路股份有限公司廣州工務段,510600， 廣州; 2.成都市新筑路橋機械股份有限公司,611430,成都∥助理工程師)

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有軌電車嵌入式軌道板溫度翹曲變形量研究

易 欣1楊 剛2劉光勝2

(1.廣深鐵路股份有限公司廣州工務段,510600， 廣州; 2.成都市新筑路橋機械股份有限公司,611430,成都∥助理工程師)

選取已鋪軌并覆蓋200 mm綠化土的嵌入式軌道板,對其溫度梯度及高程變化進行連續24 h 觀測,以研究氣溫變化對軌道板溫度梯度及翹曲變形的影響。采用理論方法和有限元數值方法計算軌道板翹曲變形,并將計算結果與實測值進行對比分析,為嵌入式軌道的結構設計提供參考。結果表明:在24 h觀測時間內,軌道板溫度梯度基本為正,其最大值為10.4 ℃/m。在最大正溫度梯度作用下,軌道板最大翹曲變形為0.028 0 mm。通過理論計算和數值計算得到的最大翹曲位移分別為0.019 4 mm和0.027 0 mm。二者均與現場測量結果接近,驗證了溫度實測數據、有限元數值計算模型及邊界條件的準確性和可靠性。

有軌電車; 嵌入式軌道; 溫度梯度; 翹曲變形

First-author′s address Guangzhou Track Maintenance Division,Guangzhou-Shenzhen Railway Co.,Ltd.,510600,Guangzhou,China

有軌電車嵌入式軌道結構使用高彈性的聚氨酯材料替代傳統軌道的扣件系統,其鋼軌完全由承軌槽內的聚氨酯材料及軌下彈性墊板固定和支撐[1]。軌道結構由59R2槽型鋼軌、高分子填充材料、嵌入式軌道板、自密實混凝土、底座、路基等部分組成,其結構橫斷面如圖1所示。

圖1 軌道結構橫斷面圖

當氣溫變化時,混凝土材料的導熱性能差,于是軌道板面和板底之間存在溫度差。溫度差通常由溫度梯度(軌道板溫度梯度=(板面溫度-板底溫度)/板厚度)來表示。軌道板厚度越大,板面與板底的溫度差也越大。在溫度梯度荷載作用下,軌道板會發生溫度翹曲變形[2-3],從而引起兩個問題:①軌道板與自密實混凝土層間粘結關系破壞,層間出現離縫;②層間離縫會降低自密實混凝土層對軌道板的約束作用,從而引起軌道板橫縱向幾何形位發生變化。

目前，國內在高速鐵路方面已有針對板式軌道翹曲變形的研究。文獻[4-5]對CRTSI型軌道平板和框架板進行了溫度測試,提出無論平板還是框架板,其上下表面溫差最大值均發生在13—15點,溫度梯度約為52.6～68.4 ℃/m。文獻[6-7]對CRTSII型軌道板進行了長達半年的觀測,提出軌道板板面溫度、溫度梯度均與氣溫變化規律一致,且隨著軌道結構深度的增大,溫度和溫度梯度的波動幅度均逐漸減小；板面溫度的高低決定了軌道板溫度梯度的大小。

由于軌道結構形式存在差異,嵌入式軌道板溫度翹曲研究不能照搬其研究成果。其差異主要有三個方面:①板厚不同。嵌入式軌道板厚260 mm，比高鐵上200 mm的軌道板厚；而軌道板厚度決定了上下表面溫度梯度的大小。②覆蓋方式不同。嵌入式軌道板表面有200 mm的覆土,而高鐵上的軌道板無覆蓋；這對軌道板溫度梯度的影響很大。③限位方式不同。嵌入式軌道板通過其下的自密實混凝土層和門型鋼筋進行限位,而高鐵上的軌道板限位則由凸型擋臺或板間縱連來實現。

嵌入式軌道板是有軌電車的主要承載部件。目前，國內尚無嵌入式軌道結構設計理論。溫度梯度荷載常年作用于軌道板,需通過實測溫度數據導入力學模型分析對其軌道結構的影響，并據此判斷其在嵌入式軌道軌道結構設計中是否作為主要作用荷載。因此,本文基于成都市有軌電車嵌入式軌道試驗段的軌道板溫度梯度實測結果,采用有限元法和理論解法對嵌入式軌道結構在溫度梯度作用下的翹曲變形進行研究,為該軌道結構的推廣應用提供理論依據。

1 軌道板溫度梯度及翹曲變形觀測試驗

1.1 試驗概況

2014年5月26日16: 00～2014年5月27日16:00,對成都市有軌電車嵌入式軌道試驗段進行氣溫、軌道板溫度梯度及溫度翹曲變形的觀測。試驗期間天氣晴朗,最高氣溫30.4 ℃。觀測頻次為1次/h。

采用溫度計測量大氣溫度,并用測溫槍測量承軌槽頂部溫度。在軌道板板面和板底布置溫度傳感器,共布置9個測點(板面6個,板底3個)。測點布置詳見圖2。采用百分表對軌道板翹曲變形進行測量,并用全站儀進行校核。變形觀測點具體位置如圖3的點1#～6#所示。

圖2 成都有軌電車軌道板測溫點布置

1.2 溫度梯度觀測結果分析

圖3 軌道板翹曲變形觀測點平面布置

溫度和溫度梯度的觀測結果如圖4所示。由圖可知:①在24 h測試時間內,軌道板板面和板底最大溫差值為2.7 ℃；僅出現正溫度梯度,且其值較小,最大值僅為10.4 ℃/m。②當氣溫最高時,正溫度梯度達到最大值；當氣溫最低時,正溫度梯度降至最低值；變化范圍為0～10.4 ℃/m。③承軌槽頂面溫度變化基本與氣溫一致,而軌道板溫度變化與氣溫相差較大,且其變化幅度較小。

圖4 試驗軌道板溫度變化及溫度梯度曲線

經分析，可得以下結論:

(1) 嵌入式軌道結構表面覆蓋有200 mm厚的綠化填土,所測承軌槽頂面溫度與其底面溫度相差較大,而軌道板板面溫度與承軌槽底部溫度幾乎相同。可見，覆蓋填土對于軌道板上下表面溫差起決定性作用。故計算溫度梯度時,軌道板上表面溫度為覆蓋填土下的板面溫度,而非承軌槽頂面溫度。

(2) 嵌入式軌道板出現最大溫度梯度(15:00—17:00)及最小溫度梯度(6:00—8:00)的時間較普通裸露在大氣中的板有將近2 h的延遲。普通板最大正、負溫度梯度分別出現在(13:00—15:00)和4:00左右[7]。

(3) 在24 h測試時間內,軌道板基本為正溫度梯度。這與高鐵上板式軌道測試結果有很大的不同[5-6]。由于軌道板位于土層以下,其四周均填土夯實,并與空氣相互隔絕,故自密實混凝土的水化作用和路基的散熱均較緩慢。這導致軌道板溫度變化速率隨軌道結構深度的增加逐漸降低,從而板面和板底溫度變化都很小。

1.3 翹曲變形觀測結果分析

軌道板溫度翹曲變形規律如圖5所示。

圖5 軌道板溫度翹曲變化規律

由圖可知,當溫度梯度最大時(15:00—17:00),翹曲變形值最大,為0.028 0 mm;當溫度梯度較小時(6:00—8:00),翹曲變形值接近0。軌道板產生的翹曲變形量在0～0.028 0 mm之間變化。

分析可得，在15:00—17:00時段軌道板處于正溫度梯度作用,而此時，氣溫最大值也同時出現。由于混凝土自身的膨脹大于板角下翹值,因此試驗測得的翹曲變形為正值。由此可見,軌道板的翹曲位移量很小。

2 軌道板溫度翹曲變形分析

2.1 力學模型及參數

本文采用有限元法分析溫度梯度作用下嵌入式軌道板翹曲位移的影響。其中，軌道板、自密實混凝土、底座板均采用實體單元模擬,其彈性模量分別為3.45×104MPa、3.25×104MPa和3.25×104MPa,泊松比均為0.20;鋼軌、門型鋼筋采用梁單元模擬,其彈性模量分別為2.06×105MPa和2.00×104MPa,泊松比均為0.30;高分子填充材料采用三向彈簧單元模擬,其垂向剛度為103 MPa,縱向剛度為34.2 MPa,橫向剛度為41.3 MPa。軌道板長6 000 mm,寬2 500 mm,厚260 mm。軌道板下自密實混凝土層厚度為120 mm。基于現場測試結果,最大溫度梯度取值為10.4 ℃/m。

模型考慮了軌道結構自重及門型鋼筋對軌道板翹曲變形的影響,并假設下部基礎無變形(即不考慮下部基礎的變形)。根據嵌入式軌道結構本身的特點,層間關系采用全粘結。計算模型如圖6所示。

圖6 嵌入式軌道板理論計算模型

2.2 有限元計算結果分析

軌道板翹曲變形云圖如圖7所示。由圖可知，嵌入式軌道板在正溫度梯度作用下的翹曲變形較小,最大變形量為0.019 4 mm。

圖7 軌道板翹曲變形云圖(放大1 000倍)

經分析，在正溫度梯度作用下,軌道板板端向下翹,板中上拱；而承軌槽頂卻出現了向上的最大翹曲量。這是因為承軌槽頂直接裸露在大氣中,造成承軌槽上下表面溫差很大,從而引起混凝土自身的熱脹位移大于其下翹值。

3 數值解、理論解和實測結果的對比分析

[11],對軌道板在溫度梯度作用下的翹曲變形進行理論計算。計算溫度梯度取現場實測的最大溫度梯度10.4 ℃/m。

軌道板作為一種溫度線彈性體,其翹曲變形量與發生變形前后的溫度梯度成正比,為:

ΔL=αTnL

(1)

式中：

α——溫度變形系數,根據美國阿靈頓道路試驗結果可知α=0.000 01;

Tn——軌道板翹曲前后的溫度梯度;

L——軌道板厚度。

將有限元計算的數值解、理論解以及現場試驗得到的軌道板最大翹曲位移進行對比,如表1所示。

表1 不同方法得到的軌道板最大翹曲變形量 mm

通過表1可得以下結論:

(1) 理論解與現場試驗結果基本吻合,且數值解與理論解和實測數據相差不大,二者偏差不超過5%,驗證了計算結果的準確性和可靠性。

(2) 三種方法得到的翹曲位移均不足0.05 mm,遠小于高速鐵路普通板式軌道翹曲變形量[12]。這說明嵌入式軌道結構比普通的板式軌道結構穩定,其受到溫度荷載的影響很小。

4 結論

(1) 嵌入式軌道結構表面的覆蓋填土對于軌道板上下表面溫差起決定性作用;在實測中氣溫最高的時候,軌道板板面溫度和板底溫度差值最大為2.7 ℃;軌道板位于土層以下,其四周均填土夯實,并與空氣相互隔絕,在24 h觀測時間內,軌道板基本為正溫度梯度,且其值較小,最大正溫度梯度僅為10.4 ℃/m。

(2) 當溫度梯度最大時(15:00—17:00)時,翹曲變形值最大,為0.028 0 mm;當溫度梯度較小時(6:00—8:00),翹曲變形值接近0。由于覆蓋填土的作用,嵌入式軌道出現最大、最小溫度梯度的時間較裸露在大氣中的軌道板有2 h的延遲。這與填土的保溫、吸熱功能相關。

(3) 數值計算及理論計算得出的最大翹曲位移分別為0.019 4 mm和0.027 0 mm。二者均與現場測量結果接近。本文測量結果可作為成都地區嵌入式軌道溫度實測數據,其有限元數值計算模型及邊界條件準確可靠。

參考文獻

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[12] 朱曉嘉.CRTSⅡ型軌道板溫度效應及其對列車運行安全性的影響分析[D].成都：西南交通大學,2012.

福州首條地鐵5月18日投入試運營

為期3天的福州地鐵試乘活動5月13日上午開始，吸引了榕城市民積極參與。人民網記者與市民一道參與了當天試乘活動，并通過人民網福建頻道微博和微信平臺直播了試乘體驗盛況。記者在現場看到，參加試乘的市民群眾井然有序地進入地鐵口，通過安檢、刷票進站上車，并主動為老人讓座。現場工作人員和民警熱情地接受乘客咨詢，解答各種具體問題，不失時機地宣傳安全乘車、文明出行觀念。當天開放試乘的是福州地鐵1號線南段，全長9.76 km，設三叉街站、火車南站站等9個站點。福州地鐵采用的列車由位于福建泉州的中車公司組裝生產，標準載客數為1 460人，超員載客數為2 062人，跑完南段全程約18 min。列車最高時速80 km，平均時速為30 km(含停靠時間)。此前，福州地鐵公司通過地鐵沿線周邊街道、社區以及網絡平臺派發試乘券。據悉，福州地鐵將于5月18日投入試運營，正式對外售票，1號線運營時間為6：30至21：30，還將推出一卡通、月票、年票等優惠便民措施。

(摘自2016年5月13日人民網，記者 吳隆重、謝曦報道)

Temperature Buckling Deformation of the Embedded Track Slab in Tramcar System

YI Xin, YANG Gang,LIU Guangsheng

To study the effect of temperature variation on the temperature gradient and the buckling deformation of embedded track slab within 24 hours, a good track-laying that covers 200 mm greening soil slab is selected. According to the field test, theoretical method and finite element numerical method are used to calculate the slab warping displacement, and provide reference for the structural design of embedded track. The results show that within an observation of 24 hours, the performance of the slab displays substantially a positive temperature gradient, the maximum positive temperature gradient is 10.4 ℃/m, and the maximum warping deformations of slab is 0.0280 mm. Through theoretical calculation and numerical computation, the maximum warping displacement is measured as 0.019 4 mm and 0.027 0 mm respectively, both are close to the results of field measurement. Thus the rationality and reliability of the measured temperature data and the finite element model are verified.

tramcar; embedded track; temperature gradient; buckling deformation

U 213.2+42：U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2016.06.020

2014-08-13)