CRTSⅡ無砟軌道板養(yǎng)護(hù)研究及有限元模擬

李敏霞， 張桂榮， 趙 飛

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.華北電力大學(xué) 能源與環(huán)境研究院，北京 102206)

0 引言

軌道是高速鐵路和客運(yùn)專線的重要組成部分，為滿足高速鐵路高安全性和高舒適性的要求，無砟軌道技術(shù)在客運(yùn)專線的施工中得到了廣泛的應(yīng)用，并必將成為我國客運(yùn)專線的發(fā)展方向。目前正在建設(shè)的京滬客運(yùn)專線高速鐵路采用了CRTSⅡ型無砟軌道系統(tǒng)，為了保證在軌枕生產(chǎn)時具有較高的效率和質(zhì)量，對軌道板的養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究是非常必要的。

1 軌道板養(yǎng)護(hù)制度

養(yǎng)護(hù)的主要控制參數(shù)有:升溫時間和升溫速度、恒溫時間和恒溫溫度、降溫時間和降溫速度。當(dāng)混凝土制品的外形尺寸、原料性能、混凝土配合比及其他工藝條件一定時，養(yǎng)護(hù)工藝是決定混凝土性能及制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。根據(jù)混凝土的特性，經(jīng)過大量試驗研究，本系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)流程包括的四個階段:預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫［1］，如圖 1 所示。

混凝土灌注入模前需將模板溫度控制在20～30℃之間，混凝土入模溫度在5～30℃之間，在軌道板澆筑完畢混凝土初凝并起出側(cè)模板后，應(yīng)及時在混凝土表面覆蓋帆布養(yǎng)護(hù)，預(yù)養(yǎng)期溫度為5～30℃，恒溫期溫度不超過55℃。降溫結(jié)束脫模時，軌道板溫度與環(huán)境溫度溫差不應(yīng)大于15℃，在混凝土灌注完成16 h(冬季一般延長，需要18 h左右)，只有試件強(qiáng)度達(dá)到48 MPa以上時，才可撤掉帆布，養(yǎng)護(hù)結(jié)束，出養(yǎng)護(hù)坑后還需保濕至少3 d。

圖1 蒸養(yǎng)制度

2 管道設(shè)計

養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的熱媒采用的是95℃/70℃的熱水，考慮到以下幾點(diǎn)原因沒有使用蒸汽:

(1)高壓蒸汽沿途凝結(jié)水排除不暢時，系統(tǒng)內(nèi)水擊嚴(yán)重。

(2)散熱設(shè)備內(nèi)蒸汽壓力高，因而散熱表面溫度高。易燙傷人和燒焦散落在上邊的有機(jī)灰塵，產(chǎn)生刺鼻的氣味，安全條件和衛(wèi)生條件較差。

(3)凝結(jié)水的溫度高。凝結(jié)水管和凝結(jié)水箱中均可能有二次汽存在。因而凝結(jié)水管徑較大，要求有凝結(jié)水降溫，二次汽利用措施，設(shè)備多、管理更復(fù)雜。凝結(jié)水送回設(shè)備復(fù)雜。

整個管線布置因為要考慮到混凝土入模前應(yīng)該達(dá)到的溫度，混凝土澆筑溫度，靜止溫度、脫模溫度等，所以必須設(shè)置電磁閥對此區(qū)間內(nèi)的養(yǎng)護(hù)進(jìn)行分時段控制。同時為了使整個養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)內(nèi)散熱均勻，采用同程式系統(tǒng)。

3 軌道板蒸汽養(yǎng)護(hù)有限元分析

混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)指的是在混凝土澆筑后的初期，在凝結(jié)硬化過程中進(jìn)行溫度和濕度的控制，以利于混凝土獲得設(shè)計所要求的物理力學(xué)性能。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)能夠有效地預(yù)防混凝土出現(xiàn)較大溫差，避免產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力和裂縫;為強(qiáng)度發(fā)展提供良好的熱濕環(huán)境，縮短了強(qiáng)度發(fā)展所必須的時間，加快了施工進(jìn)度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時提高了模具及其他設(shè)備的利用率，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益［2］。養(yǎng)護(hù)過程中混凝土水化放熱會形成瞬態(tài)溫度場，通過建立熱瞬態(tài)分析的有限元模型，能夠真實地模擬混凝土水化放熱的全過程溫度場和實際熱邊界條件，從而實現(xiàn)對混凝土軌道板養(yǎng)護(hù)溫度場的數(shù)值仿真分析，為進(jìn)一步優(yōu)化混凝土的蒸汽養(yǎng)護(hù)制度保證混凝土構(gòu)件質(zhì)量提供依據(jù)。

3.1 有限元模型的建立

軌道板在整個軸向方向上截面都相同，同時可近似認(rèn)為在軸向方向無溫度梯度，因此可以建立軌道板截面的二維模型。有限元仿真模型根據(jù)軌道板設(shè)計圖按原幾何尺寸建立，由Thermal Solid元素類型中的Quad 4node55單元組成，該單元可作為一個具有二維溫度傳導(dǎo)能力的平面或軸對稱單元使用，具有四個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)只有一個溫度自由度，可用于二維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析問題［3］。此外，如果包含熱單元的模型還需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析或受力分析，該單元可被一個等效的單元結(jié)構(gòu)(如PLANE42)所代替。

3.2 物性參數(shù)的確定

影響軌道板溫度場的主要因素包括混凝土構(gòu)件的熱力學(xué)參數(shù)、水化生成熱特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)的初始條件和邊界條件。其中混凝土的熱物理性能主要包括混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱工參數(shù)?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)的影響因素很多，混凝土集料的品種及其用量、周圍介質(zhì)的溫度、混凝土的密度及其含水率等對它都有很大影響［4］;溫度變化1℃時，單位質(zhì)量混凝土所吸收或放出的熱量稱為混凝土比熱(J/kg·℃)，混凝土的比熱取決于周圍介質(zhì)的溫度、水灰比和集料品種及用量等，一般波動在840～1170 J/(kg·K)范圍內(nèi)。條件允許時，混凝土構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱都可以通過實驗測得，但由于室內(nèi)實驗的局限性，室內(nèi)實驗測得的混凝土熱物理系數(shù)與實際有較大出入，而且混凝土的熱物理系數(shù)影響因素較多，因此，在缺少實驗數(shù)據(jù)的情況下，可根據(jù)經(jīng)驗參考相關(guān)文獻(xiàn)選取參數(shù)［5］。對于客運(yùn)專線鐵路高性能混凝土，參考文獻(xiàn)［5］，本文中混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取3.2 W/(m·℃)，比熱取980 J/(kg·℃)，密度取2360 kg/m3。

3.3 邊界條件的確定

軌道板的養(yǎng)護(hù)是在模板內(nèi)完成的，其底部和側(cè)面分布有養(yǎng)護(hù)管道，頂部用帆布覆蓋。因此均以第一類邊界條件進(jìn)行施加，頂部以實測室溫進(jìn)行施加，其余各面均依據(jù)實測坑內(nèi)溫度進(jìn)行溫度載荷施加［6］。

3.4 水化熱的計算

水化熱可在量熱器中直接測量，也可通過熔解熱間接計算。水化熱的計算對于構(gòu)件的溫度控制、防止混凝土表面產(chǎn)生裂縫、保證混凝土的強(qiáng)度及其他性能至關(guān)重要。關(guān)于水化熱的計算，曾提出過很多方法，如多元回歸經(jīng)驗公式等，其中對于混凝土養(yǎng)護(hù)時水化熱計算比較方便的是蘇聯(lián)沃茲涅辛斯基提出的經(jīng)驗公式。沃氏經(jīng)驗公式

式中，qc為單位質(zhì)量水泥放出的水化熱;M為普通水泥計算標(biāo)號;W/C為水灰比;ε為度時參數(shù)。

經(jīng)上述沃氏經(jīng)驗公式計算后的水化放熱以生熱率載荷的形式施加。

已經(jīng)對水化熱的生成量進(jìn)行過計算，但水化熱的釋放不是均勻進(jìn)行的，還有其特定的釋放規(guī)律。本文采用朱伯芳院士［7］的復(fù)合指數(shù)式，其表達(dá)式為

式中，Q(t)為混凝土水化熱;Q0為最終水化熱;a，b為系數(shù)。

Q0和系數(shù)a，b應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工混凝土配合比通過試驗來確定，也可根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反推得到。粗略計算時可查混凝土特性表取值計算。水化熱是通過生熱率HGEN來施加的［8］。生熱率就是單位時間內(nèi)混凝土的生熱量，即所產(chǎn)生的熱量對時間的導(dǎo)數(shù)，其表達(dá)式為

式中，HGEN為混凝土水化生熱速率;Wc為單位體積混凝土水泥用量。由此可知生熱率的計算式為

水化熱的釋放可作為內(nèi)熱源來處理，加載時的載荷類型對應(yīng)為生熱率載荷。經(jīng)模擬得出軌道板養(yǎng)護(hù)的實時溫度場云圖，如圖2～圖5所示。

圖2 靜養(yǎng)初期溫度場云圖

圖3 靜養(yǎng)后期溫度場云圖

圖4 升溫階段溫度場云圖

圖5 恒溫階段溫度場云圖

3.5 溫度場分析

從模擬數(shù)據(jù)來看，混凝土澆筑后，養(yǎng)護(hù)期間各項指標(biāo)都符合規(guī)范要求。軌道板表面和芯部溫差小于20℃，軌道板芯部溫度不超過55℃。

(1)預(yù)養(yǎng)階段(圖2、圖3)。在養(yǎng)護(hù)的初期，由于溫度較低水化熱生成量較小，由于從邊界傳入板體的熱量也較少，因此軌道板表層溫度低，預(yù)養(yǎng)后期芯部溫度由于預(yù)養(yǎng)期產(chǎn)生的水化熱而偏高，但整體溫差很小(在2℃以內(nèi))。

(2)升溫階段(圖4)。隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，底部與側(cè)面?zhèn)魅氚弩w的熱量逐漸增多，但頂部沒有布設(shè)養(yǎng)護(hù)管道，這時頂部空間溫度比板體溫度低，且內(nèi)部水化熱不易傳出，因此形成芯部溫度高，表層溫度低的云圖，但芯部與表層溫差在10℃以內(nèi)。

(3)恒溫階段(圖5)。隨著板體溫度的升高，水化熱的釋放速率增大，水化熱影響占主導(dǎo)。最高溫度44℃左右，從初始的15℃上升到最高溫度44℃左右，又要從44℃降至環(huán)境溫度，溫度變化比較大，引起的溫度應(yīng)力變化也很大，易產(chǎn)生溫度裂縫。所以在工程中對混凝土初始溫度和最高溫度以及內(nèi)外溫差進(jìn)行控制，以防溫度裂縫的產(chǎn)生。

由此可以得出，在軌道板的養(yǎng)護(hù)過程中，板體的溫度場受到水化熱和養(yǎng)護(hù)溫度兩方面的影響，在靜養(yǎng)期和恒溫階段水化熱的影響占主導(dǎo)地位，而在升溫階段則受養(yǎng)護(hù)空間溫度影響較大。

環(huán)境溫度低時，尤其在冬季，軌道板上部加強(qiáng)保溫。環(huán)境溫度低于20℃。應(yīng)在帆布上再加蓋保溫層，材料推薦棉篷布。如條件允許，可在上部養(yǎng)護(hù)坑邊布置熱風(fēng)機(jī)和熱輻射板，對軌道板上部空間加熱。

經(jīng)計算，軌道板芯部測點(diǎn)的溫度12 h后可達(dá)最大值44.64℃，與山東棗莊軌道廠冬季某實測的13 h后溫度達(dá)到峰值45.12℃吻合極佳。因此，建立的有限元分析模型能很好的仿真實際溫度場，為溫度控制提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對軌道板養(yǎng)護(hù)技術(shù)的養(yǎng)護(hù)制度和工藝流程設(shè)計，以及基于有限元分析法的養(yǎng)護(hù)過程的實時溫度場模擬，結(jié)果表明，采用合理的養(yǎng)護(hù)工藝和控制技術(shù)能夠較好的保證混凝土制品的質(zhì)量，采用有限元的方法對養(yǎng)護(hù)過程的溫度場進(jìn)行模擬能夠較為準(zhǔn)確的給出實時溫度場的分布云圖。

在溫度場的有限元分析的過程中，因為對實際條件進(jìn)行了必要的簡化，如混凝土制品與外部邊界的熱量交換并沒有考慮輻射的作用，然而其又是現(xiàn)實存在的，因此會產(chǎn)生一定的誤差，在以后的工作中將進(jìn)一步進(jìn)行完善和優(yōu)化。

［1］向敏，王新敏，廖禮坤.混凝土箱形梁水化熱溫度場分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報:2003，16(3):82-86.

［2］阮靜.高強(qiáng)度混凝土水化熱的研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2001，31(3):53-56.

［3］張朝暉，范群波.ANSYS8.0熱分析教程與實例解析［M］.北京:中國鐵道出版設(shè)，2005.

［4］劉文燕，耿耀明.熱工參數(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)溫度場影響研究［J］.混凝土與水泥制品，2005(1):11-15.

［5］楊艷紅.32 m混凝土箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)的熱分析及溫度控制［D］.石家莊:石家莊鐵道學(xué)院機(jī)械工程分院，2005.

［6］章熙民，任澤霈.傳熱學(xué)［M］.4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［7］朱伯芳.大體積混凝土溫度控制［M］.北京:水利水電出版社，1999.

［8］王新剛，高洪生，聞寶聯(lián).ANSYS計算大體積混凝土溫度場的關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國港灣建設(shè)，2009(1):41-44.