雙塊式無砟軌道裂紋對道床板受力的影響分析

徐光鑫,楊榮山

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

由于軌道結(jié)構(gòu)不可避免的會出現(xiàn)裂紋，裂紋的存在破壞了道床板連續(xù)性，尤其當(dāng)裂紋寬度較大時(shí)，有可能影響無砟軌道結(jié)構(gòu)受力。當(dāng)裂紋深度大于道床板保護(hù)層厚度時(shí)，道床板下層鋼筋穿過裂紋，鋼筋應(yīng)力有可能發(fā)生突變。因此，綜合采用雙塊式無砟軌道實(shí)體有限元模型和計(jì)算力學(xué)模型，來探究在列車荷載以及溫度荷載下不同形式的構(gòu)造裂紋對軌道結(jié)構(gòu)中道床板受力的影響[1]。

1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)實(shí)體模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

圖1 路基上雙塊式無砟軌道模型

圖2 無砟軌道含裂紋的力學(xué)模型

雙塊式無砟軌道有限元模型和力學(xué)模型分別如圖1、圖2所示。道床板的裂紋采用預(yù)設(shè)裂紋的方法來模擬，同時(shí)認(rèn)為開裂處混凝土還保持某種連續(xù)，仍可以傳遞部分荷載和應(yīng)力，該特性通過ABAQUS軟件的單元生死功能來實(shí)現(xiàn)。軌枕和道床板，以及道床板和支撐層間采用粘結(jié)(Tie)處理。列車荷載取為豎向準(zhǔn)靜態(tài)檢算荷載(即170 kN)作用于離裂紋最近的扣件上方；軸向溫度荷載考慮為最大降溫幅度，即按施工溫度與環(huán)境最低溫度差取值，以最不利情況來分析，取軌道整體降溫50 ℃。以此來模擬不同裂紋的形式對道床板和縱向鋼筋的應(yīng)力影響。

1.2 計(jì)算參數(shù)

鋼軌為60 kg/m，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；扣件剛度為20 kN/mm；軌枕尺寸為長0.6 m、寬0.28 m、厚0.05 m，采用C60混凝土，彈性模量為3.65×104MPa，密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.167； 軌道板尺寸為長10 m、寬2.8 m、厚0.26 m，采用C40混凝土，彈性模量為3.25×104MPa，密度為2 400 kg/m3，泊松比為0.167；支承層尺寸為長10 m、寬3.4 m、厚0.3 m，采用C20混凝土，彈性模量為2.25×104MPa，泊松比為0.167；縱向鋼筋直徑為20 mm，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；路基支承面剛度為76 MPa/m。

2 列車荷載作用下道床板受力分析

2.1 列車荷載作用下無裂紋道床板受力分析

由雙塊式無砟軌道有限元模型進(jìn)行建模，分析在道床板開裂前軌道結(jié)構(gòu)的受力特性，得出結(jié)果如下。

(1)道床板拉應(yīng)力

由于道床板是以鋼筋混凝土澆筑而成的，其極限抗拉強(qiáng)度很小，裂紋的產(chǎn)生是由于拉應(yīng)力超過其極限抗拉強(qiáng)度，因此，應(yīng)采用拉應(yīng)力表征道床板的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 無裂紋的雙塊式無砟軌道道床板拉應(yīng)力云圖

由圖3可知，無裂紋時(shí)，無砟軌道在列車荷載作用下，道床板最大拉應(yīng)力為0.281 MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到混凝土容許抗拉強(qiáng)度。

(2)道床鋼筋應(yīng)力

經(jīng)過上層鋼筋和下層鋼筋結(jié)果對比，上層鋼筋應(yīng)力較下層鋼筋應(yīng)力更大，因此將上層鋼筋應(yīng)力作為控制應(yīng)力，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 無裂紋的雙塊式無砟軌道上層鋼筋應(yīng)力云圖

由圖4可知，無裂紋時(shí)，無砟軌道在列車荷載作用下，道床板鋼筋最大拉應(yīng)力為3.759 MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度。

2.2 列車荷載作用下含裂紋道床板受力分析

在列車荷載作用下，對于不同形式的道床板裂紋，通過對裂紋深度以及寬度的構(gòu)造下得出了雙塊式無砟軌道的受力情況，計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 含表面裂紋的道床板受力 MPa

表2 含貫通裂紋的軌道板受力 MPa

圖5、圖6給出了含表面裂紋的道床混凝土和縱向鋼筋受力的曲線圖，可清晰看出道床板受力規(guī)律。

圖5 含表面裂紋的道床混凝土受力曲線

圖6 含表面裂紋的縱向鋼筋受力曲線

由圖5、圖6可知：

(1)當(dāng)列車荷載作用時(shí)，隨著應(yīng)力的釋放，表面裂紋在同一深度情況下，裂紋寬度的變化對道床板拉應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力影響都較?。?/p>

(2)表面裂紋在同一寬度情況下，裂紋深度的變化對道床板拉應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力影響較大，最大道床板拉應(yīng)力為0.738 MPa，最大鋼筋應(yīng)力為15.69 MPa，兩者均遠(yuǎn)未超過容許應(yīng)力。

圖7、圖8給出了含貫穿裂紋的道床混凝土和縱向鋼筋受力的曲線圖，可清晰看出道床板受力規(guī)律。

圖7 含貫穿裂紋的道床混凝土受力

圖8 含貫穿裂紋的縱向鋼筋受力

由圖7、圖8可知：

(1)當(dāng)列車荷載作用時(shí)，貫穿裂紋在同一深度情況下，裂紋寬度的變化對道床板拉應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力影響較小；

(2)貫穿裂紋在同一寬度情況下，裂紋深度的變化對道床板拉應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力影響較大，最大道床板拉應(yīng)力為1.326 MPa，最大鋼筋應(yīng)力為37.34 MPa，兩者均遠(yuǎn)未超過容許應(yīng)力。

3 軸向溫度荷載作用下含裂紋的道床板受力分析

由于道床板的連續(xù)性，當(dāng)完整的雙塊式無砟軌道軸向溫度在較低溫度時(shí)便會開裂，因此本節(jié)只考慮軸向溫度荷載作用下含裂紋的無砟軌道道床板受力，通過改變裂紋寬度大小，判斷裂紋寬度的變化是否對無砟軌道受力有影響。只考慮全斷面貫通裂紋，取計(jì)算工況為：溫度變化幅度為50 ℃。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 含全斷面貫通裂紋的無砟軌道道床板受力 MPa

由表3可知，在軸向溫度荷載50 ℃作用下，隨著裂紋寬度的變化，道床混凝土拉應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力變化較小，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在列車荷載作用下的道床板應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文通過運(yùn)用有限元軟件計(jì)算，對于雙塊式無砟軌道裂紋對道床板受力影響得出如下結(jié)論。

(1)含表面裂紋的無砟軌道與無裂紋的無砟軌道相比，道床板混凝土受力有所增加，但增幅不大，縱向鋼筋應(yīng)力在裂紋深度較大時(shí)增幅很大。

(2)含貫穿裂紋的無砟軌道與無裂紋的無砟軌道相比，道床板混凝土受力有小幅度的增加，而縱向鋼筋應(yīng)力隨著裂紋深度的增加而逐漸增大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)未超過鋼筋的屈服強(qiáng)度。

(3)在列車荷載作用下或者溫度荷載作用下，裂紋寬度的變化對道床板受力影響較??；裂紋深度的變化對道床板有一定的影響，隨著深度的增加，道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)力增加較緩。當(dāng)深度超過50 mm(即保護(hù)層厚度)時(shí)，鋼筋應(yīng)力明顯增大。

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