黃驊港三期裝船機軌道斷裂原因分析

程 林 孫治林 嚴(yán)加寶 劉 超

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

1 概述

黃驊港三、四期泊位工程裝船機軌道在運行不長的時間內(nèi)，出現(xiàn)了裂縫、甚至斷裂的情況，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)還出現(xiàn)鋼軌下部膠泥層損壞下沉、膠墊板擠出的現(xiàn)象。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)鋼軌大多數(shù)破壞形式為彎曲型斷裂，其次為剪切型和接頭發(fā)生破壞。嚴(yán)重影響了港口的安全生產(chǎn)和效益發(fā)揮。以此為背景，從上部荷載、下部支撐系統(tǒng)、軌道自身狀況的角度分析軌道斷裂原因，尤其是通過現(xiàn)場測試鋼軌在裝船機正常工作下的應(yīng)力應(yīng)變，以文科勒地基模型為基礎(chǔ)，建立實時輪壓的修正計算公式，從鋼軌受力不均勻性影響給出裝船機軌道斷裂的原因分析，為類似工程鋼軌設(shè)計和選型提供技術(shù)參考。

2 裝船機軌道系統(tǒng)

2.1 軌道設(shè)計方案

神華黃驊港三、四期工程裝船機軌道總長約1 080 m，每120 m設(shè)置一處伸縮縫，全段共設(shè)置9處，成品標(biāo)準(zhǔn)軌長12 m，每12 m處采用焊接方式將兩節(jié)軌道焊接連接形成無縫軌道。軌道型號為QU100，扣板采用GANTREX系統(tǒng)中專用柔性扣板。軌道設(shè)計方案如圖1所示。

2.2 裝船機基本參數(shù)

裝船機最大輪壓：420 kN/450 kN(工作狀態(tài)/非工作狀態(tài))；

運行速度為30 m/min(15.2 r/min)；

工作級別：M7；

車輪直徑：D=630 mm；

車輪材料：42CrMo。

3 軌道斷裂情況

鋼軌主要的破壞模式有彎曲型斷裂、鋼軌表面磨損、接頭破壞等?，F(xiàn)場鋼軌典型破壞形態(tài)如圖2所示。

其中，彎曲型斷裂形式數(shù)目占破壞數(shù)的近85%。

4 斷裂原因分析

4.1 軌道自身原因

米國發(fā)等[1]提出鋼軌中的非金屬夾雜物對疲勞裂紋萌生有較大的促進(jìn)作用，裂紋常常出現(xiàn)在非金屬夾雜物的附近，夾雜物的材性與軌道母材不同，在溫度變化時，軌道與夾雜物的熱膨脹性能存在差異，母材和夾雜物的交界處便會產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致夾雜物與母材之間形成空穴。夾雜物形狀對應(yīng)力集中系數(shù)的影響較大，因此對疲勞裂紋萌生也有較大的影響。

4.2 輪壓分配不均勻

4.2.1文科勒地基模型

文科勒地基模型見圖3。

文克勒地基上梁的基本撓曲微分方程為:

(1)

當(dāng)分布荷載q=0時，式(1)變?yōu)辇R次四次系數(shù)線性微分方程：

(2)

(3)

其中，λ為梁的柔度特征值，量綱為(長度)-1，λ值與地基的基床系數(shù)和梁的抗彎剛度有關(guān)，λ值越小，則基礎(chǔ)的相對剛度越大。令:

(4)

其中，L為特征長度，若L越大，則梁對地基的相對剛度越大，根據(jù)梁的劃分原則鋼軌可以看做無限長梁。

短梁：

有限長梁：

(5)

無限長梁：

l>πL

對于無限長梁，在集中力F0作用下，其撓度ω，轉(zhuǎn)角θ，彎矩M及剪力V的計算如表1所示。對于承受多個集中荷載的無限長梁上任意截面的內(nèi)力時，可分別計算各荷載單獨作用時在該截面引起的效應(yīng)，然后疊加得到共同作用下的總效應(yīng)，注意在每一次計算時，均需要把坐標(biāo)原點移到相應(yīng)的集中荷載作用點處。

表1 無限長梁內(nèi)力計算表

4.2.2截面彎矩計算

現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，采集裝船機經(jīng)過時的實時應(yīng)變。裝船機經(jīng)過時，軌道處于彈性工作狀態(tài)，滿足平截面假定。鋼軌截面沿高度等分成多份，量測每一份的面積，根據(jù)軌頂和軌底應(yīng)變算出截面曲率，根據(jù)曲率確定應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求出平均應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力平衡和彎矩平衡條件，對中性軸取矩，求出截面彎矩，如圖4所示。

4.2.3輪壓分配

裝船機驅(qū)動輪布置情況如圖5所示，軌頂軌底應(yīng)變見圖6，裝船機輪壓分布見圖7。

結(jié)合裝船機參數(shù)表和計算出的裝船機輪壓分布圖，22.5%的 輪子超過了正常工作時允許的最大輪壓420 kN。最大輪壓為469.6 kN，超出允許最大輪壓12%。輪壓分配不均勻的原因來自于兩方面：下部支撐系統(tǒng)產(chǎn)生不均勻沉降，某些區(qū)域地基破壞嚴(yán)重，軌道發(fā)生較大變形；裝船機自身荷載分配不均勻。輪壓過大，導(dǎo)致軌道拉壓疲勞的應(yīng)力幅值增大，根據(jù)N—S曲線，如圖8所示，軌道使用壽命降低。

4.3 下部支撐系統(tǒng)的不均勻沉降

高程測量結(jié)果如圖9所示，兩軌橫向局部最大高差為30.26 mm。由于軌道不均勻沉降，軌道產(chǎn)生彎曲變形，如圖10所示，“曲弓波”效應(yīng)導(dǎo)致焊縫底部受壓，頂部受拉。在反復(fù)的疲勞荷載作用下，對焊接接頭產(chǎn)生“撕裂效應(yīng)”，接頭下邊緣最先斷裂后向上擴展，最終形成貫通裂縫而斷裂。

除此以外，下部膠泥存在氣泡也會對膠泥的抗剪性能造成影響。實驗室內(nèi)進(jìn)行膠泥的承載力實驗，控制氣泡大小，結(jié)果如圖11所示。

施工過程中調(diào)平鋼板下方膠泥中產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成膠泥劈裂破壞，孔洞率從0%增加到1.6%，2.7%，3.6%，膠泥抗壓承載力從80.68 MPa分別下降到73.24 MPa，71.72 MPa，67.58 MPa，下降幅度分別為9%,11%，16%。施工過程中應(yīng)盡量避免膠泥中存在孔洞；孔洞的存在，會導(dǎo)致裂縫的開展從孔隙處萌生，造成地基沉降變形。

5 結(jié)語

1)鋼軌主要的破壞模式有彎曲型斷裂、鋼軌表面磨損、接頭破壞等，其中彎曲型斷裂占85%。2)鋼軌中的非金屬夾雜物對疲勞裂紋萌生有較大的促進(jìn)作用，裂紋常常出現(xiàn)在非金屬夾雜物的附近。3)裝船機自身荷載分配不均勻。輪壓過大，導(dǎo)致軌道拉壓疲勞的應(yīng)力幅值增大，軌道使用壽命降低。4)軌道不均勻沉降，軌道產(chǎn)生彎曲變形，軌道在拉壓往復(fù)的疲勞狀態(tài)，焊接接頭處產(chǎn)生“撕裂效應(yīng)”，最終形成貫通裂縫而斷裂。5)施工過程中調(diào)平鋼板下方膠泥中產(chǎn)生氣泡，孔洞的存在，會導(dǎo)致裂縫的開展從孔隙處萌生，造成地基沉降變形。