黃驊港某碼頭裝船機軌道靜彎試驗及有限元分析

程 林，嚴加寶，孫治林

（1.天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300452；2.天津大學 建筑工程學院，天津 300350；3.神華黃驊港務有限責任公司，河北 061000）

引 言

黃驊港三、四期泊位共用一座碼頭，裝船機軌道位于碼頭南北兩側。三、四期泊位工程裝船機軌道在運行不長的時間內，出現了軌頭磨損、裂紋、甚至斷裂的情況，除此之外，還出現鋼軌下部膠泥層損壞下沉、膠墊板擠出的現象，嚴重影響了港口的安全生產和效益發揮。

為研究下部支撐系統對軌道應力與變形的影響，實驗室內進行裝船機軌道靜彎試驗，模擬軌道實際安裝形式，利用液壓千斤頂和反力梁施加荷載。采用大型有限元分析軟件ABAQUS，對室內試驗無法實現的工況進行補充分析，模擬軌道在多輪壓、單輪壓、偏心荷載作用下、不同支撐系統條件下的軌道應力響應。

1 軌道室內靜彎試驗

1.1 靜彎試驗裝置

試驗基座完全按照實際工程設計，進行足尺試驗。基礎采用鋼筋混凝土結構，長度3 m，寬0.9 m。混凝土采用C50，鋼筋采用HRB400。基座內配筋滿足抗彎計算、抗剪計算、抗沖切計算及撓度計算。試驗裝置如圖1所示，混凝土基座上部鋪設25 mm厚鋼板，安裝鋼板時，保證其上表面水平，鋼板與混凝土之間采用軌道專用膠泥填充，膠泥厚度為35 mm。扣板采用GANTREX系統中專用柔性扣板，間距500 mm。軌道與鋼板之間鋪設膠墊板，利用液壓千斤頂和反力梁施加荷載。

圖1 試驗裝置示意

1.2 試驗方案

為了研究鋼軌在不同種類支撐系統下的變形和應變響應，設置7種不同工況，如表1所示。

表1 試驗工況

膠墊板如圖2所示。

圖2 膠墊板實物

加載時采用分配梁加載，兩個加載點位于軌道跨中兩側各450 mm處，模擬現場輪距900 mm。在軌道中點、距離中點450 mm處（即輪壓作用點）、扣板處、距梁端點450 mm截面處布置應變片，每個截面布置7個應變片。沿軌道長度方向布置位移計，如圖3所示。

圖3 截面應變片及位移計布置

1.3 試驗結果

1）軌道下鋪設不同種類膠墊板的整體變形

如圖4所示，膠墊板的存在會使加載點處軌道撓度變形增大；膠墊板的存在會使軌道整體撓度變形趨于均勻；一層鋼板加強的膠墊板加載點處軌道撓度為1.2 mm，兩層鋼板加強的膠墊板加載點處軌道撓度為1.8 mm，普通膠墊板加載點處軌道撓度為2.2 mm。加強鋼板的存在可以降低鋼軌的位移變形。

圖4 不同種類膠墊板下軌道整體變形

2）膠墊板空隙對鋼軌撓度變形的影響

如圖5所示，膠墊板存在空隙導致加載作用處軌道位移增大 2.5倍；5 cm空隙時最大位移為1.8 mm，10 cm空隙時最大位移為2.45 mm，20 cm空隙時最大位移為2.5 mm。軌道最大變形隨著膠墊板鋪設空隙的增大而增大；鋪設空隙達到10 cm以后，位移增長緩慢，最大位移趨于定值。

圖5 膠墊板破壞時鋼軌整體變形

3）荷載作用下軌道應變分布

如圖6所示，軌道下方鋪設膠墊板時，軌道各個截面應變將顯著增大；不鋪設膠墊板情況下，距輪壓 300 mm處截面應變很小，輪壓影響范圍為300 mm。鋪設膠墊板的輪壓影響范圍為500 mm；加載點正下方荷載-應變曲線呈現出雙折線的趨勢，與膠墊板自身的力學特性相關；加載點附近應變為壓應變，距離截面300 mm和600 mm處變為拉應變，說明0～300 mm和300～600 mm之間分別存在一個反彎點，軌道的拉壓狀態發生變化。

圖6 鋼軌不同位置處截面應變

2 軌道有限元分析

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS對軌道在輪壓作用下的狀態進行模擬。

2.1 偏心荷載作用下軌道應力

圖7 軌道應力分布

對比軸心加載和偏心加載兩種工況，可以看出，在對稱荷載作用下，應力呈對稱分布；偏心荷載的作用不僅會引起鋼軌截面應力分布的不對稱，還會產生扭矩使鋼軌應力增大。有限元分析表明，當偏心距為40 mm時，因偏心而產生的應力不均，其中最大應力將增大25 %。偏心荷載作用下，軌道上表面的輪軌接觸范圍明顯加大，鋼軌在向前移動的過程中，軌道應力處于拉壓循環的狀態，過大的應力會導致拉壓幅值的增大，降低鋼軌的耐久性，更易產生裂紋，進而開展。同時，由于裝船機輪子與鋼軌的接觸特點，如果存在偏心，輪子與鋼軌接觸部位增多，兩者之間的磨損也更加明顯，軌距角處因為接觸面積的減小導致應力更大，產生應力集中，造成鋼軌的損傷；一旦偏心荷載作用下鋼軌表面產生磨損，將會導致后期的磨損與偏心現象更加嚴重，實際中應盡量避免偏心荷載。

2.2 膠墊板厚度對軌道應力影響

模擬膠墊板厚度為8 mm、5 mm和14 mm。

圖8 不同厚度膠墊板軌道應力分布

相同輪壓作用下，5 mm厚的膠墊板，此時鋼軌的最大應力為127.8 MPa，8 mm厚的膠墊板，此時鋼軌最大應力為174.7 MPa。14 mm厚的膠墊板，中間夾層添加兩層1 mm厚的鋼板，這種情況下鋼軌的應力最大值為125.5 MPa，鋼軌的應力值比普通膠墊板明顯下降，但是加大膠墊板的剛度，往往不能很好的緩解上部機械帶來的振動，結合室內試驗結果，添加雙層鋼板的膠墊板在均勻基床底部應力方面沒有很好的效果，基床應力分布的差值較大，容易造成局部沉陷，進而引起鋼軌破壞。

2.3 膠泥層的靜力分析結果

圖9 有無膠墊板情況下膠泥層的應力

軌道膠泥屬于早強、高強材料，抗壓強度很高，不易發生受壓破壞。對于膠泥層主要進行剪切應力分析。不同工況下膠泥層剪切應力如圖9所示。當鋼軌下側布設膠墊板時，膠泥層的剪切應力明顯降低，剪切應力分布更為均勻。膠墊板的存在可以有效的減緩膠泥層的應力集中現象，起到了均勻分配和緩沖的作用。

3 結 語

1）膠墊板的存在會使軌道整體撓度變形趨于均勻，下部膠泥層的應力會顯著減小。加強鋼板的存在可以降低鋼軌的位移變形。

2）膠墊板存在空隙導致加載作用處軌道位移增大2.5倍，下部支撐系統應力集中更嚴重，膠墊板鋪設時避免存在空隙，發現膠墊板破壞應及時更換。

3）偏心荷載作用下，軌道應力將增大25 %，軌道表面接觸斑增大，形狀不規則，軌道易發生磨損。

4）過厚的膠墊板會導致軌道應力增大，選擇合適剛度的膠墊板，可以保證下部支撐系統受力均勻。