哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線CRTSⅠ型軌道板溫度變形及應(yīng)力數(shù)值分析

易圖兵，趙勤儉，肖 偉

(中鐵二局股份有限公司，成都 610032)

1 概述

哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線是我國(guó)在東北嚴(yán)寒地區(qū)修建的第一條無(wú)砟軌道鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，軌道結(jié)構(gòu)形式主要采用CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)。與南方地區(qū)相比，東北地區(qū)全年溫差、日晝夜溫差相當(dāng)大，溫度的急劇變化對(duì)板體結(jié)構(gòu)的受力、變形影響顯著，是引起板體開(kāi)裂、板與墊層離縫等病害的主要原因之一［1-4］。以哈大客運(yùn)專(zhuān)線鋪板工程為背景，以有限元程序ANSYS為工具，對(duì)不同溫度狀況下CRTSⅠ型軌道板的變形及應(yīng)力特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果可為施工、設(shè)計(jì)等提供參考。

2 工程結(jié)構(gòu)概況

哈大客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)采用CRTSⅠ型預(yù)應(yīng)力混凝土平板，整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鋼軌、WJ-7B型扣件、軌道板、乳化瀝青水泥砂漿(CA砂漿)、混凝土凸形擋臺(tái)及混凝土底座等部分組成。

軌道板標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)4 962 mm，寬2 400 mm，厚200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，設(shè)計(jì)為無(wú)擋肩承軌臺(tái)，采用縱橫向預(yù)應(yīng)力體系，預(yù)應(yīng)力筋為低松弛無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒。底座及凸臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。

圖1 CRTSⅠ型軌道結(jié)構(gòu)示意

軌道板與底座之間設(shè)計(jì)為50 mm厚的CA砂漿填充層，CA砂漿為低彈模砂漿，彈性模量100～300 MPa，充填采用灌注袋充填方式;板與凸形擋臺(tái)之間灌注聚胺脂樹(shù)脂，厚度在30～50 mm。

3 數(shù)值模擬方案

3.1 模型建立

溫度變形及應(yīng)力求解是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合分析問(wèn)題，用解析方法求解相當(dāng)困難。本文借助數(shù)值分析程序ANSYS，采用三維有限元法來(lái)進(jìn)行求解。為減少建模及計(jì)算工作量，本次建模分析做以下簡(jiǎn)化假設(shè)［5-7］:

(1)假設(shè)各種材料均為線彈性體、各向同性，材料參數(shù)不隨溫度變化;

(2)假設(shè)軌道板鋪設(shè)時(shí)板體溫度處于均勻狀態(tài);

(3)分析時(shí)考慮板體自重，但不考慮凸臺(tái)、鋼軌、扣件等外部約束作用，也不考慮板體預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變等因素的影響。

取單塊軌道板及其下砂漿墊層為分析對(duì)象，采用三維實(shí)體單元建模。板與墊層之間采用接觸界面單元處理，以充分模擬兩者間的摩擦、滑移、離合等力學(xué)行為。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元計(jì)算模型

3.2 邊界條件及參數(shù)

最大溫度梯度值參考文獻(xiàn)［8-10］，取為0.5℃/cm。對(duì)于20 cm厚軌道板，則上下表面最大溫差取為10℃。計(jì)算時(shí)通過(guò)對(duì)板模型下表面節(jié)點(diǎn)施加0℃，上表面施加10℃或－10℃的方式來(lái)分別模擬上下溫差10℃(“上熱下冷”)和上下溫差－10℃(“上冷下熱”)這2種不同溫度狀況。

各材料計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1.1 “上冷下熱”工況結(jié)果

板底溫度設(shè)為0℃，板表溫度設(shè)為－10℃，計(jì)算得出“上冷下熱”工況下軌道板豎向變形結(jié)果如圖3所示。

圖3 “上冷下熱”軌道板變形(單位:m)

從圖3可以看出，在“上冷下熱”工況下，板體變形形態(tài)表現(xiàn)為中心下沉，四角向上翹曲。中心最大下沉僅0.05 mm，可以忽略不計(jì)。軌道板四角最大豎向變形量為1.37 mm，豎向變形值大于1 mm區(qū)域?yàn)榘逅慕?0～40 cm范圍，表明該區(qū)域較易發(fā)生離縫超標(biāo)現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。

計(jì)算得出此工況下軌道板上表層出現(xiàn)拉應(yīng)力，X、Y、Z各方向均有，其中Y方向(豎向)拉應(yīng)力相當(dāng)小，X方向拉應(yīng)力最大，X方向應(yīng)力大小分布如圖4所示(正為拉、負(fù)為壓)。從圖4可以看出，拉應(yīng)力最大值為1.97 MPa，位于軌道板上表面中心區(qū)域。

圖4 “上冷下熱”軌道板主應(yīng)力圖(單位:Pa)

4.1.2 “上熱下冷”工況結(jié)果

板底溫度設(shè)為0℃，板表溫度設(shè)為10℃，計(jì)算得出“上熱下冷”工況下軌道板豎向變形結(jié)果如圖5所示。

圖5 “上熱下冷”軌道板變形圖(單位:m)

從圖5可以看出，在“上熱下冷”工況下，板體變形形態(tài)表現(xiàn)為中部上拱，四角下沉。板中間豎向上拱最大值為0.65 mm，四角下沉最大值為0.19 mm，均比較小。

此工況下軌道板拉應(yīng)力出現(xiàn)在下表層，同樣X(jué)、Y、Z各方向均有，其中Y方向拉應(yīng)力最小，X方向拉應(yīng)力最大，X方向應(yīng)力大小分布如圖6所示。計(jì)算得出拉應(yīng)力最大值為2.05 MPa，位于軌道板下表面中部?jī)蓚?cè)邊緣區(qū)域，表明該部位較為薄弱，容易出現(xiàn)裂紋。

圖6 “上熱下冷”軌道板應(yīng)力圖(單位:Pa)

4.1.3 2種工況比較

上下溫差－10℃和上下溫差10℃這2種工況最大變形及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)比較可以看出，“上熱下冷”工況板中心上拱值比“上冷下熱”工況四角翹曲值要小得多，說(shuō)明在重力作用下，板抗上拱能力比抗翹能力強(qiáng)。這是因?yàn)榘迳瞎皶r(shí)，變形趨勢(shì)為四角下沉板中上拱，此時(shí)板中上拱區(qū)的抵抗重力明顯比翹曲時(shí)四角抵抗重力要大。由于“上熱下冷”工況抑制板體變形過(guò)多，板內(nèi)產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力顯然比“上冷下熱”工況要大。

4.1.4 與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

2010年7月15日，在鞍遼特大橋選取1塊已灌注CA砂漿但尚未灌注凸臺(tái)樹(shù)脂的P4962A型軌道板，連續(xù)觀測(cè)該板溫度變化狀況及四角變形情況。圖7為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)景。

圖7 軌道板溫度變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

當(dāng)日晴天，全天環(huán)境溫度最高35℃，最低23.2℃，在晝間11:00～14:00時(shí)間段內(nèi)軌道板出現(xiàn)較大上熱下冷溫差，最大達(dá)13℃，板四角下沉，最大值0.33 mm。夜間0:00～4:00軌道板出現(xiàn)較大上冷下熱溫差，最大達(dá)5.8℃，板四角向上翹曲，最大值1.58 mm。

理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者數(shù)據(jù)結(jié)果比較接近，所揭示的溫度變形規(guī)律是一致的，數(shù)值分析與實(shí)際吻合較好。

5 最不利工況分析及對(duì)策

在實(shí)際施工過(guò)程中，軌道板鋪設(shè)時(shí)板體溫度不一定是均勻的，上下表面往往存在溫差，那么隨著時(shí)間的推移、環(huán)境溫度的變化，軌道板鋪設(shè)后其溫度狀況將出現(xiàn)2種極端情況:一是由初始狀態(tài)的“上熱下冷”變化至“上冷下熱”，二是由“上冷下熱”變化至“上熱下冷”。

在第1種情況下，當(dāng)CA砂漿灌注并硬化后，板體溫度變化至“上冷下熱”時(shí)，上下表面的溫度變化幅度差值較板體初始溫度均勻工況要大(甚至成倍增加)，勢(shì)必引起板體變形量增大，板四角與砂漿出現(xiàn)較大離縫。在第2種情況下，當(dāng)灌漿后板體溫度變化至“上熱下冷”時(shí)，引起板體上拱變形的溫度變化幅度差值也肯定較板體初始溫度均勻工況要大，但由于板抵抗上拱的能力比抗四角上翹的能力要強(qiáng)，因此相比之下比第1種情況要有利。

由以上分析可知，從防止板四角離縫過(guò)大的角度出發(fā)，在板體溫度均勻或“上冷下熱”情況下灌漿是相對(duì)有利的，而“上熱下冷”較為不利，要盡量避免在此情況下灌漿。在實(shí)際操作中，應(yīng)注意軌道板精調(diào)后不宜放置太久，應(yīng)盡快灌注CA砂漿，以免灌注與精調(diào)環(huán)境溫度相差太大;夏季施工避免在日間太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)灌注，減少溫度梯度荷載變化影響。

從溫度應(yīng)力角度來(lái)看，隨著板體溫度“上熱下冷”、“上冷下熱”交替變化，軌道板上下表面縱橫向均將受到溫度拉、壓應(yīng)力的反復(fù)作用。因此軌道板縱橫向、上下層均設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋是很有必要的。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量，確保預(yù)應(yīng)力施加準(zhǔn)確，提高軌道板的抗裂、抗疲勞荷載能力。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)計(jì)算結(jié)果表明，軌道板上下表面負(fù)溫差時(shí)變形表現(xiàn)為四角翹曲，上下表面正溫差時(shí)則為中部上拱。在溫度梯度荷載為10℃時(shí)，四角翹曲最大值達(dá)1.37 mm，而中部上拱最大值僅為0.65 mm，軌道板抗上拱能力比抗四角翹曲能力強(qiáng)。

(2)軌道板溫度變形受到外界約束時(shí)，板內(nèi)會(huì)有拉應(yīng)力出現(xiàn)。上下表面負(fù)溫差時(shí)拉應(yīng)力出現(xiàn)在上表層，上下表面正溫差時(shí)則出現(xiàn)在下表層，且各方向均有。

(3)軌道板CA砂漿灌注時(shí)的初始溫度狀態(tài)對(duì)以后的四角離縫有較大影響，最不利情況是“上熱下冷”，而板體溫度均勻或“上冷下熱”情況較為有利。

(4)隨著溫度的升降溫交替變化，軌道板上下表層、縱橫向均會(huì)有溫度拉應(yīng)力出現(xiàn)，縱橫向預(yù)應(yīng)力體系是抵抗混凝土受拉開(kāi)裂的重要措施，施工時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確施加。

(5)影響軌道板溫度變形及應(yīng)力大小的因素很多，如外部荷載及約束、材料各向異性及非線性行為、預(yù)應(yīng)力施加及損失情況等，而受有限元程序、模擬手段等的限制，本次數(shù)值模擬未能一一加以考慮，今后還需作進(jìn)一步的研究。

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