鐵路隧道接觸網可更換預埋槽道新型錨桿型式研究及有限元分析

王凌云， 于國軍， *， 朱少杰， 劉雅林， 呂 偉

(1. 江蘇大學土木工程與力學學院， 江蘇 鎮江 212013； 2. 河南經緯電力科技股份有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著經濟建設和科學技術的發展，高鐵及軌道交通技術發展迅速。在鐵路隧道中，接觸網的安裝布置對于鐵路安全運營顯得十分重要[1-2]。常用的接觸網增強方法為錨桿錨固，直接在混凝土管片上進行打孔，利用膨脹螺栓固定，但這種方法操作難度大，容易造成混凝土管片和錨栓處應力集中，容易造成破壞，且難以更換維修，一旦破壞，易發生交通安全事故，造成不可估量的損失。

于是，有學者提出了新型的可更換的預埋槽道型式。熊光連等[3]設計了一種多孔預埋槽道，用方管代替槽道，方管和多根錨桿固定連接，方管底部設計多個條形通孔用于安裝T型螺栓，通孔的設計使T型螺栓在可以調整位置的基礎上，使被安裝的設備不易移動或掉落，提高了預埋槽道的強度。凌敏[4]設計了一種預埋槽道及波形螺紋錨桿，通過將錨桿表面設計為螺紋的方法增強了錨桿與混凝土之間的握裹力。凌敏[5]還設計了一種預埋槽道及頂部截面為蘑菇形的錨桿，錨桿頂部蘑菇形的設計使其容易插入鋼筋網中，避免錨桿碰撞到鋼筋或者鋼筋和錨桿互相擠壓后受力變形的問題。這些方案解決了傳統工藝螺栓易脫落的問題，但槽道與錨桿焊接固定，如有槽道磨損不容易更換。

劉平原[6]設計了一種可拆卸預埋槽道，槽道背面設置有通孔，螺栓穿過通孔與錨桿連接，如果槽道發生銹蝕，可以通過拆卸螺栓更換槽道。武成義等[7]設計了一種可更換式槽道，結構簡單，方便更換，提高了工作效率。胡建軍[8]設計了一種地鐵用可更換式槽道，槽道與錨桿通過螺栓連接，且錨桿外部設置了套管，錨桿和槽道均可以進行更換，增加了使用壽命。這些方案解決了錨桿可更換的問題，節省了人力物力，但錨桿都設置為光滑表面，沒有考慮錨桿與混凝土之間的作用力，有試驗表明錨桿與混凝土相互作用較小時，槽道很容易被外部荷載拉出[9]。

本文在現有預埋槽道結構型式、對預埋槽道的技術要求和現有專利的基礎上，通過考慮槽道可更換和錨桿抗拔性能，設計了多種新型可更換預埋槽道結構型式。文章中采用大型通用有限元軟件ABAQUS，對預埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、混凝土等主要構件的應力和變形進行分析，著重研究有無螺紋和翼緣個數及型式對預埋槽道整體力學性能的影響，探索錨桿和混凝土的受力規律。

1 計算模型與方法

1.1 預埋錨桿結構型式

圖1示出所設計的幾種預埋錨桿結構型式。設計帶內六角螺母的鎖緊螺桿用來連接錨桿與槽道，在槽道發生銹蝕或損壞的情況下，可以通過內六角扳手卸掉鎖緊螺桿，使槽道和錨桿脫離從而進行槽道更換，節約人力物力。

對于方案1和方案2，由于沒有翼緣，因此槽道抗拉承載力只靠錨桿與混凝土的錨固黏結力支撐。

對于方案3和方案4，增加了1個翼緣，制造簡單。方案4中錨桿軋制為全螺紋，增加了與混凝土的錨固黏結力。

對于方案5—8，在方案1、方案2的基礎上，分別增加2個、3個翼緣，方案6和方案8在增加翼緣的同時錨桿軋制為全螺紋，預埋槽道的抗拉性能有一定提升。

對于方案9和方案10，不同于其他方案用增加翼緣來提高抗拉性能，而是將錨桿設計為變截面型式，預埋件在混凝土中受力均勻，但增大了槽道口混凝土的拉應力。

(a) 方案1： 無翼緣光滑錨桿 (b) 方案2： 無翼緣螺紋錨桿

(c) 方案3： 單層翼緣光滑錨桿 (d) 方案4： 單層翼緣螺紋錨桿

(e) 方案5： 雙層翼緣光滑錨桿 (f) 方案6： 雙層翼緣螺紋錨桿

(g) 方案7： 3層翼緣光滑錨桿 (h) 方案8： 3層翼緣螺紋錨桿

(i) 方案9： 變截面光滑錨桿 (j) 方案10： 變截面螺紋錨桿

圖1多種預埋錨桿結構型式

Fig. 1 Various structure forms of embedded bolt

1.2 有限元計算模型

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，擁有非常豐富的材料模型庫，可以模擬金屬、橡膠、復合材料、混凝土等多種材料，也可以模擬典型工程材料的性能。同時ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，可以分析復雜的固體力學、結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大且復雜的問題，模擬高度非線性問題。本文使用ABAQUS對預埋槽道的拉拔和剪切性能進行有限元分析[10-11]。

1.2.1 材料的選用

模型共包括外部混凝土、預埋錨桿、鎖緊螺桿、槽道、T型螺栓5個部分。采用ABAQUS中的塑性損傷模型定義混凝土部分，它可以模擬混凝土材料的拉裂和壓碎等力學現象。該模型采用各向同性損傷彈性結合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式表示混凝土的非彈性行為，是一個基于塑性的連續介質損傷模型。同時，它基于各向相同破壞的假設，可用于單向加載、循環加載及動態加載等情況，同時考慮了由于拉壓塑性應變導致的彈性剛度的退化以及循環荷載作用下的剛度恢復，具有較好的收斂性。對于本模型采用的C50混凝土，根據GB50010—2010《混凝土結構設計規范》[12]附錄C中曲線定義混凝土的單軸受壓本構關系，輸入ABAQUS中需要的應力和塑性應變參數，其余相關參數選用見表1。

表1 混凝土彈性參數取值

鋼材部分用等向強化準則定義，采用理想雙線性彈塑性模型。預埋錨桿、鎖緊螺桿屈服強度取345 MPa，T型螺栓屈服強度取640 MPa，槽道取235 MPa[13]。其余相關參數選用見表2。

表2 鋼材彈性參數取值

1.2.2 模型建立

有限元模型中，采用實體單元建立，單元類型均采用8節點縮減積分單元C3D8R，共離散為43 704個單元。T型螺栓型號為M12，預埋錨桿上端錨板翼緣直徑為15 mm、高度為2 mm，預埋錨桿直徑為8 mm、長度為60 mm，預埋槽道厚4 mm、寬30 mm、高20 mm，具體模型如圖2所示。

(a) 整體剖面

(b) 整體網格

(c) 預埋錨桿

(d) T型螺栓

(e) 鎖緊螺桿

(f) 槽道

圖2可更換預埋槽道有限元模型

Fig. 2 Finite element models of replaceable embedded channel

1.2.3 接觸的定義

在預埋錨桿端部和錨桿豎向與混凝土接觸部分設置接觸對為面與面接觸，選擇鋼材為主面，混凝土為從面，采用有限滑移公式描述接觸面之間的滑移。接觸屬性中，法向行為采用hard contact描述，切向行為采用允許“彈性滑移”的罰摩擦公式描述。在槽道與混凝土的接觸中采用相同的定義，但考慮到槽道表面較為光滑，也為了加速收斂，不考慮其中摩擦。為加速收斂其余接觸均采用“Tie”綁定。

1.2.4 邊界條件及荷載施加

可更換預埋錨桿間距取200 mm[14]，故混凝土總長400 mm，對混凝土側表面施加位移約束，荷載施加在設置的T型螺栓上，T型螺栓通過與槽道翼緣的接觸將力傳遞給下部槽道，和試驗加載方式一致。為避免應力集中并減少接觸，將30 kN集中力折算成面荷載加載在T型螺栓上。

1.3 錨桿拉剪計算方法

1.3.1 錨桿受拉分析

對于有翼緣的預埋錨桿，抗拉承載力可分為2個部分： 錨桿在混凝土中的錨固黏結力和翼緣錨板下部混凝土的抗壓承載力。

對錨固黏結力，達到錨固極限狀態時，鋼筋拔出力F1與錨固力平衡，則

F1=πdlτu。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：d為錨固鋼筋的直徑；l為臨界錨固長度；τu為平均黏結強度；ft為混凝土抗拉強度設計值；α為錨固鋼筋的外形系數，光圓鋼筋取0.16，螺旋肋鋼筋取0.13。

對翼緣錨板下部混凝土的抗壓承載力

(3)

式中：D為翼緣錨板的直徑；fck為混凝土軸心抗壓強度。

1.3.2 錨桿受剪分析

由于預埋件受剪最大承載力難以定量分析，在學術探究的過程中，業界內存在不同的受剪預埋件抗剪承載力計算理論和公式。

王寶珍等[15]以“剪力-摩擦”理論為支撐，得出預埋件的極限抗剪力計算公式：

Q=υAgσs。

(4)

式中：Q為極限抗剪力；υ為預埋件錨板與混凝土之間的摩擦因數，計算中取為0.7；Ag為預埋件錨桿截面面積；σs為預埋件錨桿的屈服強度。

2 結果與討論

對于方案1和方案2： 由于沒有翼緣，因此槽道抗拉承載力只靠錨桿與混凝土的錨固黏結力支撐。由式(3)可以得出方案1的抗拉承載力為15.03 kN，方案2的抗拉承載力為18.5 kN，達不到初始設計要求的30 kN。

經過有限元計算分析，得到其余各方案下各部件的受力情況，僅列出方案4和方案5縱向軸拉的有限元應力云圖，如圖3和圖4所示，其余各方案具體數據見表3。

根據有限元計算結果分析不同方案中各部件的最大主應力(Mises應力)以及塑性損傷，得出以下結論。

1)方案3和方案4為單層翼緣設計，通過比較可以發現： 剪切仿真中2種方案各部件應力基本相同；軸拉仿真時，方案3由于塑性變形過大導致破壞，方案4槽道各部件應力滿足設計要求，說明方案4中螺紋的設計使預埋槽道抗拉性能提升。

2)方案5和方案6為雙層翼緣設計，通過比較可以發現： 縱向剪切時2種方案混凝土應力基本相同；橫向剪切時方案5提前破壞；軸拉仿真時區別主要體現在混凝土受拉和受壓應力，方案6混凝土拉壓應力分別為2.868、23.09 MPa，小于方案5(2.954、23.57 MPa)，進一步說明方案6錨桿螺紋的設計提升了預埋槽道的抗拉性能。

比較方案4和方案6可知： 軸拉仿真時，方案6中混凝土拉應力大于方案4(2.698 MPa)，這是由于方案6中錨桿中部翼緣更靠近槽道，使翼緣下部混凝土拉應力增大。

3)方案7和方案8為3層翼緣設計，通過比較方案7和方案8可以發現： 剪切仿真中2種方案各部件應力基本相同；軸拉仿真時，方案7由于塑性變形過大導致破壞，方案8槽道各部件應力滿足設計要求，說明方案8中螺紋的設計使預埋槽道抗拉性能提升。

比較方案4、方案6和方案8，在軸拉仿真中混凝土受拉應力逐漸增大(分別為2.698、2.868、3.261 MPa)，這是由于翼緣數目增多的緣故。

4)方案9和方案10為錨桿變截面設計，通過比較方案9和方案10可以發現： 軸拉仿真中方案10的混凝土拉、壓應力分別為3.066、31.91 MPa，小于方案9的3.078、32.19 MPa，說明方案10螺紋的設計提升了預埋槽道抗拉性能；通過比較方案9、方案10和前述方案，可以看出混凝土拉壓應力比較大，不適用于進一步設計。

(a) 整體橫向剖面Mises應力

(b) 整體縱向剖面Mises應力

(c) 槽道整體Mises應力

(d) 槽道Mises應力

(e) 錨桿Mises應力

(f) 螺桿Mises應力

(g) T型螺栓Mises應力

(h) 槽道口周圍混凝土最大主應力

圖3方案4軸拉仿真結果(單位: MPa)

Fig. 3 Axial tension simulation results of scheme 4 (unit: MPa)

(a) 整體橫向剖面Mises應力

(b) 整體縱向剖面Mises應力

(c) 槽道整體Mises應力

(d) 槽道Mises應力

(e) 錨桿Mises應力

(f) 螺桿Mises應力

(g) T型螺栓Mises應力

(h) 槽道口周圍混凝土最大主應力

3 結論與建議

基于現有預埋槽道設計方案，結合國內外相關專利、文獻，本文設計了10種可更換預埋槽道，并采用ABAQUS進行了有限元分析，結論如下：

1)預埋錨桿需要翼緣錨板的支撐，螺紋的設計對預埋錨桿的軸拉效果有一定的提高。

2)更多翼緣的設計能顯著減少軸拉時的混凝土壓應力，但使混凝土拉應力更大，并且對剪切效果提高有限。

3)變截面型式的預埋件在混凝土中受力均勻，但性能提升不大且會增大混凝土的拉應力，單翼緣帶螺紋的設計更為合理。

綜上所述，更多的翼緣使槽道口周圍混凝土拉應力變大，而混凝土的軸心抗拉強度較低，混凝土的損傷大部分都是受拉開裂造成的，所以使拉應力增大的設計方案是不合適的，同時，多翼緣加工也較為復雜。因此，綜合考慮各設計方案中預埋槽道及混凝土的力學特性、預埋槽道的加工及安裝復雜程度，方案4單翼緣帶螺紋的型式可作為進一步優化設計的方案。本研究成果可為預埋槽道中預埋錨桿的結構型式設計提供參考，文中選用的結構尺寸暫無法完全滿足設計，仍需進一步對預埋槽道的材質選型和結構尺寸如翼緣直徑、翼緣厚度、錨桿高度等進行進一步的優化設計。