溫度對雙塊式無砟軌道道床板及凸臺結(jié)構(gòu)的影響分析

楊 斌，錢小益，史青翠

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;2.蘭新鐵路新疆有限公司，烏魯木齊 830011)

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，新型無砟軌道結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛應用。CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道由于其結(jié)構(gòu)簡單、對線路適應性好、具有較好的平順性、施工工藝相對簡單等優(yōu)點逐步成為我國客運專線無砟軌道結(jié)構(gòu)的首選形式之一。經(jīng)過綜合分析研究與比較，新建蘭新第二雙線某區(qū)段擬采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道形式。但是，由于蘭新線地處我國西北部，該區(qū)氣候條件十分惡劣，以往的雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法適應這種嚴寒、大溫差的環(huán)境，因此，急需開發(fā)出新型的無砟軌道結(jié)構(gòu)以適應西北地區(qū)的氣候條件。目前，蘭新線已經(jīng)提出了幾種新型的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，諸如將道床板結(jié)構(gòu)單元化處理，將原來連續(xù)結(jié)構(gòu)的道床板分塊澆筑成單元式，道床板下采用不同的凸臺設置方式或者直接對道床板設置限位結(jié)構(gòu)，道床板之間設置傳力桿機構(gòu)等。本文旨在對采用單元形式澆筑道床板并設置了凸臺結(jié)構(gòu)的Ⅰ型雙塊式無砟軌道進行數(shù)值模擬與計算，通過對所得結(jié)果分析，從而檢驗該種軌道結(jié)構(gòu)形式的合理性，為新型的雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)設計提供理論支撐。

1 采用單元式道床板結(jié)構(gòu)的雙塊式無砟軌道

為適應西北地區(qū)大溫差等惡劣的氣候條件，蘭新線雙塊式無砟軌道以普通CRTSⅠ雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)為基礎對其進行創(chuàng)新，將連續(xù)澆筑的道床板單元化處理，即采用單元式道床板結(jié)構(gòu)取代連續(xù)型道床板結(jié)構(gòu)。該種軌道結(jié)構(gòu)形式是蘭新線提出的一種新型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)相對簡單，對線路適應性好，造價低，施工工藝簡單。

溫度對連續(xù)道床板的影響比較大，因此道床板采用單元板形式設計，將道床板分塊澆筑，形成一塊塊單元板式的結(jié)構(gòu)，這樣設計可以避免道床板在溫度作用下產(chǎn)生較大的內(nèi)部應力，通過在道床板與板之間設置伸縮縫，使得道床板在縱向方向能夠進行一定的伸縮，從而釋放其內(nèi)部應力。但是道床板的這種單元式結(jié)構(gòu)又使其軌道結(jié)構(gòu)的整體性大大降低，道床板之間無相互作用，因此單個道床板的位移難以控制，易引起無砟軌道結(jié)構(gòu)的不平順，因此考慮在道床板下設置凸臺結(jié)構(gòu)以限制其縱、橫向的位移，凸臺設置可以多樣化，蘭新線就采用了多種方式設置，本文采用的方式為將凸臺設置于單元式道床板的兩端，即道床板下采用兩塊凸臺結(jié)構(gòu)，凸臺在板端穿出，道床板與支承層間鋪設土工布，目的在于讓兩者之間能夠相對滑移，保證良好的變形協(xié)調(diào)。

具體軌道結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示。

2 力學模型

考慮到道床板單元板式結(jié)構(gòu)，且相互之間影響較小，本次計算取兩塊道床板進行分析就能夠滿足基本要求。

采用有限元分析軟件對軌道結(jié)構(gòu)進行模擬，建立其力學模型。鋼軌采用梁單元模擬;考慮到重點對道床板結(jié)構(gòu)進行力學分析，因此，軌枕與道床板看成整體結(jié)構(gòu)與支承層均采用實體單元進行模擬;扣件采用彈簧單元模擬;支承層與下部基礎的連接采用彈簧單元模擬。道床板與支承層之間因為鋪設了土工布，兩者之間存在著摩擦，因此采用接觸形式進行模擬，考慮兩者之間的摩擦系數(shù)。

圖1 橫斷面

圖2 凸臺設置方式

具體力學模型如圖3所示。

圖3 力學模型

鋼軌采用60 kg/m鋼軌計算參數(shù)，彈性模量2.1×105MPa，泊松比 0.3，鋼軌線膨脹系數(shù) 11.8×10－6/℃ ，密度7 830 kg/m3。

道床板長6.48 m，寬2.80 m，高0.26 m。彈性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，鋼軌線膨脹系數(shù)1×10－5/℃ ，密度2 500 kg/m3。

支承層長26.0 m，寬3.4 m，高0.3 m。彈性模量6×103MPa，泊松比 0.2，鋼軌線膨脹系數(shù) 1×10－5/℃，密度2 500 kg/m3。其中凸臺尺寸為線路縱向方向2.740 m，橫向1.000 m，高0.045 m，設置于道床板兩端下方。

軌枕間距0.65 m，道床板間伸縮縫為0.02 m。道床板與支承層之間摩擦系數(shù)取為0.60。

3 不同溫度荷載工況下計算結(jié)果分析

考慮到蘭新線特殊的地理位置，溫度是影響軌道結(jié)構(gòu)的主要因素之一，所以應以溫度變化對軌道結(jié)構(gòu)的作用為主線進行分析。由于溫度的漸變性，軌道結(jié)構(gòu)的溫度不是突然達到最低或者最高兩種極限情況，所以本文只建立了指定溫度下的溫度荷載工況，即環(huán)境溫度設定為10℃，考慮道床板溫度梯度以45℃/m變化(上高下低)以及軌道結(jié)構(gòu)整體按10℃變化趨勢升降溫兩種情況。

3.1 溫度梯度對道床板結(jié)構(gòu)的影響

計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 道床板最大應力分布

圖5 道床板豎向位移分布

對道床板應力進行分析，為方便建模，凸臺及道床板邊緣處未進行圓滑，因此道床板對應于凸臺處邊緣及角落產(chǎn)生了一定的應力集中，在實際施工過程中可以對凸臺以及道床板邊緣進行圓滑，所以，不考慮應力集中對結(jié)構(gòu)的影響，從道床板整體受力來看，其底部平均拉應力為2.0 MPa左右，略微超限。

因為溫度梯度導致道床板下部受拉，所以在溫度上高下低的情況下，凸臺結(jié)構(gòu)對上部結(jié)構(gòu)作用效果甚微，這種工況下可以忽略其影響。

對道床板結(jié)構(gòu)變形進行分析，道床板在溫度梯度的作用下中部會向上微微凸起，道床板發(fā)生了一定程度的翹曲，其中部凸起的最大位移為0.24 mm，道床板與支承層之間發(fā)生了分離，形成了離縫。

綜上所述，溫度梯度作用下，支承層對道床板的約束作用比較弱，不能有效地控制道床板的翹曲，道床板下中部會產(chǎn)生離縫現(xiàn)象，道床板底部拉應力易超限，軌道結(jié)構(gòu)的受力及使用功能受到了一定的影響。

3.2 整體升降溫對道床板結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)以往資料，蘭新線極限溫度取為 －41.5℃(最低)和47.7℃(最高)，道床板初始溫度設定為10℃，計算分析升降溫10℃，20℃，30℃以及極限溫度下的道床板應力應變規(guī)律。

道床板隨溫度變化發(fā)生沿線路縱向方向的伸縮，根據(jù)分析結(jié)果，道床板最大應力主要由拉應力控制，壓應力均滿足結(jié)構(gòu)的抗壓要求，所以只給出了道床板隨溫度變化的最大拉應力圖示。由圖6可以看出，道床板在溫度降低的過程中，結(jié)構(gòu)滿足混凝土抗拉設計要求，其中極限溫度下最大拉應力為1.02 MPa。在溫度升高的過程中，道床板極限溫度下拉應力為2 MPa，超限不多，正常溫度下也均滿足抗拉要求。對道床板板縫處的位移進行分析，凸臺設置到道床板板端位置，因此道床板板端處不受凸臺的約束，下部支承層對道床板結(jié)構(gòu)的約束作用比較小，道床板板端產(chǎn)生了相對于凸臺邊緣的位移，滿足了其釋放應力的要求。從圖7可以看出道床板縱向方向相對于凸臺邊緣處最大位移為1.6 mm。

圖6 不同溫度下道床板最大拉應力

圖7 不同溫度下道床板板縫處的最大位移

綜上所述，在溫度變化荷載的作用下，道床板可以在支承層上有效地滑移，從而可以釋放其內(nèi)部產(chǎn)生的應力，保證結(jié)構(gòu)合理受力。同時，板縫的存在，使得道床板能夠在板縫處有一定的伸縮空間，也驗證了采用單元板式的合理性。

3.3 溫度升高條件下凸臺的作用

考慮到以下幾點原因，所以本文只針對結(jié)構(gòu)整體溫度升高時對凸臺進行了計算分析，建立整體溫度為40℃(即將基礎溫度為10℃的軌道結(jié)構(gòu)升高30℃)的有限元模型。

1)溫度梯度(上高下低)情況下，道床板中部向上翹曲，其底部受拉，所以凸臺與道床板產(chǎn)生了分離，對道床板結(jié)構(gòu)受力影響較小;

2)整體溫度變化情況下，當溫度下降時，由于道床板收縮，凸臺與道床板之間產(chǎn)生了分離，所以也不對這種情況下的凸臺進行分析。

凸臺應力應變情況如圖8、圖9所示。

圖8 凸臺應力分布

圖9 凸臺位移分布

從凸臺應力應變分布圖可知，凸臺在縱向方向?qū)Φ来舶逵幸欢ǖ南拗谱饔?，從而可以約束道床板的較大位移變化，道床板中部位置對應的凸臺承受道床板對它的擠壓力，凸臺最大壓應力為2.81 MPa，最大位移為0.154 mm。

此外，凸臺直接澆筑到道床板的板端，這樣設置的目的在于可以讓凸臺不約束道床板的端部區(qū)域，從而可以使其能夠在板縫處一定空間內(nèi)有效伸縮，釋放板內(nèi)部應力。應力圖(圖8)表明了這一點，板端處凸臺應力遠小于板中部位置凸臺應力。

4 結(jié)論

通過對溫度作用下的雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)進行分析，本文得出以下結(jié)論:

1)在溫度梯度作用下，由于鋪設土工布時，支承層對道床板約束較小，所以道床板的翹曲不能被有效約束，道床板中部易上拱，且下部產(chǎn)生了拉應力超限。設想通過對道床板中部采用黏結(jié)設置從而控制道床板翹曲，兩側(cè)鋪設土工布允許道床板兩端伸縮釋放應力，此結(jié)論可以給蘭新線“部分摩擦式雙塊式無砟軌道”結(jié)構(gòu)的提出提供理論支撐。

2)溫差較大地區(qū)鋪設雙塊式無砟軌道，應將道床板單元化，板與板之間設置伸縮縫，給道床板提供一定的伸縮空間。

3)單元式道床板下應設置凸臺，凸臺可以有效地限制道床板縱橫向的位移，凸臺應穿出道床板的端部，從而減小對其端部的縱向限制，讓道床板端部能夠有效伸縮，從而釋放其內(nèi)部應力。

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