預制套軌鐵路軌枕及軌槽板布置方案研究

楊啟武 邢明照 高 翔 廖靖云

(1. 中國港灣工程有限責任公司,北京 100027; 2. 中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 概述

“一帶一路”域內,各個國家鐵路軌距有所不同,除1 435 mm 的標準軌距外,還存在1 000 mm、1 067 mm 的窄軌距和1 520 mm、1 676 mm 的寬軌距[1-2],使用套軌技術是解決國際鐵路網互聯互通的最有效辦法[3]。 目前,“1 435 mm/1 520 mm”和“1 435 mm/1 000 mm”是兩種用量較大的嵌套方式[4];前者往往需要并列鋪設4 根鋼軌,不同軌距線路不存在共用鋼軌的情況,稱為四線套軌(見圖1);后者可并列鋪設3 根鋼軌,即1 根鋼軌為共用軌,另外2 根鋼軌為非共用軌,稱為三線套軌(見圖2)。

圖1 四線套軌鐵路軌道斷面

圖2 三線套軌鐵路軌道斷面

由于同一根套軌鐵路軌枕上存在兩種軌距,無論是三線套軌還是四線套軌,只要是采用有擋肩型式,其承軌槽均不對稱(相對于枕中)。 正是由于這種不對稱,在預制套軌鐵路軌枕時,其布置可能存在多個方案。 而對于混凝土軌枕,不同布置方案下,軌枕鋼筋放張時擋肩所受拉壓應力差異較大[5]。 研究發現,現有軌枕因擋肩擠裂而失效的情況占40%[6],同時存在擋肩裂紋等質量通病[7],這是放張過程中鋼筋預應力引起混凝土軌枕變形所致。 另外,預應力會使混凝土軌枕與鋼模之間在沿著預應力鋼筋的方向出現位移,引起軌槽板和鋼模之間作用力增大[8],這也使得軌枕的脫模難度增大[9],而此時擋肩所受壓應力值與軌槽板的高度和角度有關[10-12]。

可以看出,軌枕布置和軌槽板的高度和角度顯著影響預制軌枕質量。 鑒于此,擬通過對有擋肩四線套軌鐵路軌枕和三線套軌鐵路軌枕在放張階段的有限元模擬,得出套軌鐵路軌枕預制中軌枕布置及軌槽板的高度和角度建議值。

2 套軌軌枕放張模型

軌枕預應力可通過對鋼筋進行張拉和放張實現[13]。 在預應力軌枕生產過程中,首先需要對鋼筋進行張拉,張拉力不能超過所選鋼筋的承載能力,張拉完成后,將預應力鋼筋錨固在軌枕鋼模上,再澆筑混凝土,待混凝土強度達到設計強度的75%時放張鋼筋,此時鋼筋中的預應力會傳至軌枕上。 在鋼筋放張階段,軌枕擋肩會受到軌槽板對其產生的拉應力和剪切力[14]。 當拉應力超過強度限值時,會造成掉肩和擋肩裂紋,從而導致軌枕報廢[15]。 因此,控制軌枕擋肩表面所受的拉壓應力,是決定軌枕預制成品合格率的關鍵因素。

2.1 模型創建

利用ABAQUS 對軌枕放張階段進行有限元模擬,軌枕鋼模沿長度方向為Z軸,寬度方向為X軸,高度方向為Y軸(相關尺寸見圖3～圖8,均采用C60 混凝土,放張階段取C45 材料參數)。 建模時,鋼筋采用桁架形式,其余部件都均采用實體單元,混凝土和鋼筋的材料屬性見表1,有限元模型見圖9。

表1 混凝土和鋼材的材料屬性

圖3 四線套軌軌枕軌下和枕中截面尺寸(單位:mm)

圖4 四線套軌軌枕正視(單位:mm)

圖5 四線套軌軌枕俯視(單位:mm)

圖6 三線套軌軌枕軌下和枕中截面尺寸(單位:mm)

圖7 三線套軌軌枕正視(單位:mm)

圖8 三線套軌軌枕俯視(單位:mm)

圖9 軌枕放張階段有限元模型

2.2 邊界條件

在鋼模型中,焊接部位采用“tie”連接,將兩部件連接到一起;軌枕與沖壓板(軌枕鋼模型采用沖壓板制造)之間設置摩擦系數;支撐軌枕鋼模型的鋼板底端設置為固定約束;支撐軌枕鋼模型的鋼板與軌枕模具之間也設置摩擦系數;張拉桿與張拉盒之間采用“tie”連接,以模擬螺栓的約束作用;張拉方頭與支撐板之間設置一個摩擦系數;模具上的加勁肋通過“tie”連接與模具進行連接;軌枕與鋼筋之間在3 個方向分別建立彈簧進行連接,以模擬鋼筋與混凝土之間的滑移,垂直于鋼筋縱向的2 個彈簧設置較大的剛度,沿鋼筋縱向的彈簧按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中混凝土與鋼筋的滑移本構建立非線性彈簧[16],所設系數見表2。

表2 邊界條件系數設置

2.3 張力施加

設置重力加速度為9.8 m/s2,沿Y軸為負方向。軌枕鋼筋設計張拉力為348 kN,預應力損失為16%,通過采用等效降溫法來模擬[17],即通過降低鋼筋預定義場溫度以達到預應力鋼筋收縮的目的,通過計算,得出將溫度降低367.5 ℃可以達到鋼筋放張的效果。

2.4 網格劃分與模型計算

由于所建立的有限元模型部件及設置的接觸較多,故在有限元模型的整體計算階段網格劃分較大,軌枕網格間距取100 mm,在整體計算完成之后建立軌枕子模型來增加仿真準確性,此時軌枕的網格間距取10 mm。

3 方案設置及結果對比分析

3.1 四線套軌軌枕布置方案和軌槽板角度

將擋肩頂部距軌枕端部距離較大一端布置在固定端設為方案1,擋肩頂部距軌枕端部距離較大一端布置在張拉端設為方案2,軌枕擋肩的高度為25 mm,將軌槽板角度設為110°、115°、120°、125°、130°、135°,并對其進行放張階段的有限元模擬,得到方案1 和方案2 張拉端一側軌枕的Mises 應力云圖,見圖10～圖11。

圖10 方案1-Mises 應力(單位:MPa)

圖11 方案2-Mises 應力(單位:MPa)

隨著軌槽板角度的變化,方案1 和方案2 中軌枕擋肩所受到的最大壓應力變化、軌枕擋肩所受最大拉應力變化和軌枕擋肩所受平均壓應力變化見圖12～圖14。

圖12 軌槽板角度變化擋肩最大壓應力

圖13 軌槽板角度變化擋肩最大拉應力

圖14 軌槽板角度變化擋肩平均壓應力

由圖12～圖14 可知,方案1 中,軌枕擋肩所受最大拉壓應力和平均壓應力隨軌槽板角度的增加基本呈現下降的趨勢,但是在槽板角度為120°時出現拐點;軌槽板角度由115°增加至120°時,軌枕擋肩所受最大拉壓應力和平均壓應力急劇增加;當軌槽板角度由120°增加至125°時,軌枕擋肩所受拉壓應力又急劇減小;方案2 中,軌枕擋肩所受拉壓應力在120°時出現拐點;軌槽板角度由110°增加至120°時,軌枕擋肩所受應力減小;軌槽板角度由120°增加至135°時,由于軌槽板角度的增大,軌枕在軌槽板上的爬行距離增加,從而導致軌枕擋肩與軌槽板之間的接觸面積減小,力矩增大,軌枕擋肩所受拉壓應力增加,見圖15。 通過對比,方案1 中軌枕擋肩所受最大壓應力、軌枕擋肩所受最大拉應力和軌枕擋肩所受平均壓應力大于方案2。

圖15 軌枕沿軌槽板爬行有限元示意

綜上,預制四線有擋肩套軌軌枕時,應將擋肩頂部距軌枕端部距離較大一端布置在張拉端,軌槽板的角度宜選120°。

3.2 四線套軌軌槽板高度

方案2 中,對軌槽板高度為20,25,30,35,40 mm進行放張階段的有限元模擬,得到軌枕擋肩所受到的最大壓應力變化曲線,軌枕擋肩受到最大拉應力變化圖和軌枕擋肩所受平均壓應力變化見圖16～圖18。

圖16 改變軌槽板高度擋肩最大壓應力

圖17 改變軌槽板高度擋肩最大拉應力

圖18 改變軌槽板高度擋肩平均壓應力

由圖16～圖18 可知,軌槽板所受最大壓應力、最大拉應力和平均壓應力都在25 mm 時出現拐點,軌槽板高度由20 mm 增加至25 mm 時,擋肩所受拉壓應力得到改善;但當軌槽板高度繼續增加時,由于鋼筋在軌下截面位置發生改變,導致出現放張應力集中現象,軌枕擋肩所受應力又會增加,影響軌枕生產質量。

不難看出,預制四線有擋肩套軌軌枕時,軌槽板高度宜選25 mm 左右。

3.3 三線套軌軌枕布置

將三線套軌中的共用軌布置在固定端一側設為方案1,共用軌布置在張拉端一側設為方案2,軌枕編號見圖19,分別對方案1 和方案2 進行放張階段的有限元模擬,擋肩所受應力為承軌槽張拉端一側擋肩所受應力,得到Mises 應力云圖(見圖20～圖21)。 方案1 和方案2 各軌枕擋肩所受到的最大壓應力變化、各軌枕擋肩所受最大拉應力變化和各軌枕擋肩所受平均壓應力變化見圖22～圖24。

圖19 軌枕編號示意

圖20 方案1-Mises 應力云圖(單位:MPa)

圖21 方案2-Mises 應力云圖(單位:MPa)

由圖22 可知,方案1 中軌枕擋肩所受到的最大壓應力較方案2 小,并且兩個方案中最大壓應力都小于C45 混凝土的最大抗壓強度;由圖23 可知,方案2 中軌枕擋肩所受最大拉應力大于方案1 中軌枕擋肩所受最大拉應力;由圖24 可知,方案2 中軌枕擋肩所受平均壓應力小于方案1 中軌枕擋肩所受平均壓應力。

圖22 各軌枕擋肩所受最大壓應力變化

圖23 各軌枕擋肩所受最大拉應力變化

圖24 各軌枕擋肩所受平均壓應力變化

由此可知,在預制三線套軌鐵路軌枕時,軌枕布置需按照實際情況進行選擇:若想要軌枕脫模較為容易,則應將共用軌布置在張拉端一側;若想要軌枕擋肩所受到的最大拉應力較小,則應將共用軌布置在固定端一側。

4 結論

通過對有擋肩四線套軌鐵路軌枕和三線套軌鐵路軌枕在放張階段的有限元模擬,結合現有軌枕預制質量通病,得到以下結論。

(1)在預制四線套軌軌枕時,應將擋肩頂部距軌枕端部距離較大的一端布置在張拉端。

(2)預制有擋肩三線套軌鐵路軌枕時,應充分考慮軌枕擋肩所受的拉壓應力值。

(3)從套軌的生產角度,在生產中宜將擋肩角度設置為120°,承軌槽深度宜取25 mm,還需同時考慮與之相配套的扣件系統、現場的軌道幾何保持能力等。

(4)雖然在放張階段套軌軌枕擋肩所受最大壓應力符合C45 混凝土抗壓強度設計值,但是不符合抗拉強度的要求,故建議在擋肩處設置與所受拉應力平面平行的鋼筋,以增加擋肩處混凝土的抗拉強度。