混凝土上浮力對單梁式軌道排架施工精度的影響分析

摘 要：我國的雙塊式無砟軌道建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了一個成熟時期，軌道排架法施工正在逐步穩(wěn)定，并使用了一套具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的施工裝備，文章對混凝土的浮力進(jìn)行了分析，并應(yīng)用MSC.Nastran軟件對單梁式軌道排架在混凝土浮力的影響下產(chǎn)生的變形進(jìn)行計算，為以后的雙塊式無砟軌道施工提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙塊式無砟軌道；混凝土浮力；MSC.Nastran；軌道排架；施工精度

1 混凝土上浮力產(chǎn)生的理論分析和計算

1.1 混凝土上浮力出現(xiàn)的根源

用軌排框架法施工時，軌枕通過扣件與軌排的鋼軌相連接，在道床板混凝土澆筑時會對軌枕塊產(chǎn)生一定的上浮力，該上浮力是由于液態(tài)混凝土對埋入軌枕產(chǎn)生的一個浮力，其大小等于埋入混凝土內(nèi)軌枕的體積與液態(tài)混凝土比重的乘積。

1.2 軌排結(jié)構(gòu)及實際工況

圖1 單梁式軌道排架

1.3 混凝土上浮力對軌道高程的影響只取決于鋼軌和托梁的剛度，與軌排橫向調(diào)整及鎖定方式無關(guān)軌道排架橫向調(diào)整和鎖定采用的是斜支撐軌向鎖定器，是基于充分利用三角形的穩(wěn)定特性，確保軌道在混凝土澆筑及其他操作過程中橫向位置的精準(zhǔn)性。

如前所述，上浮力主要是由液態(tài)混凝土對軌枕塊產(chǎn)生的，在道床板混凝土澆筑前斜支撐軌向鎖定器已將軌排調(diào)整到位并且鎖死。上浮力通過軌枕塊傳遞到鋼軌，再由鋼軌傳遞到軌排的托梁。該上浮力若對精調(diào)完的軌道產(chǎn)生高程上的影響只有兩種情況。第一種情況是：鋼軌和軌排托梁自身剛度原因產(chǎn)生變形而引起；第二種情況是：若該上浮力太大，足以將軌排和軌枕頂離地面，對軌道高程上的影響為鋼軌和托梁變形與頂離地面高度的疊加。這兩種均與軌排橫向調(diào)整鎖定器是否有斜度無關(guān)，只是由于上浮力的存在會使得軌排豎向支撐絲杠與斜支撐鎖定器豎向分力的大小和分配產(chǎn)生一定的影響。

1.4 混凝土上浮力較小，不足以將軌排和軌枕頂離地面，上述第二種情況不存在

下面以計算說明，計算時以7.15m軌排為例。

軌排框架整體自重量：2337kg

7.15軌排懸掛11組軌枕，每組軌枕重250kg，一個軌排懸掛的軌枕重量為：11×250=2750kg；

（軌排+軌枕）重量G=2337kg+2750kg=5087kg=50870N

灌筑混凝土后，液態(tài)混凝土對每組軌枕的浮力：

一組軌枕埋入混凝土內(nèi)體積：

V=840×275×100×2=4.6×107mm3

液態(tài)混凝土比重取rc=25kN/m3

一組軌枕產(chǎn)生的上浮力F1=25000×10-9×4.6×107=1150N

對整個軌排產(chǎn)生的上浮力F=11×1150N=12650N

經(jīng)計算可得：F=12650N

故軌排框架不會被上浮力頂離地面，所以上浮力對軌道高程的影響僅由鋼軌和軌排托梁產(chǎn)生的變形而引起。

2 上浮力對單梁式軌排軌道高程影響的計算分析

下面對軌排框架上浮值進(jìn)行計算和分析，本次計算所采用的計算程序是MSC.Nastran V 2005.1。

2.1 計算依據(jù)

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-2003）》

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2002）》

《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10754-2010）

《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424-2010）

2.2 計算參數(shù)及工況

以下計算參數(shù)均為五院軌排的實際參數(shù)。

矩形管尺寸為：3000（長）mm×180（高）mm×90（寬）mm×10（厚）mm；

軌枕被混凝土包裹尺寸約為：840（長）mm×275（寬）mm×100（高）mm；

矩形鋼管：Q235鋼；

楊氏模量：E=2.1×105 N/mm2；泊松比v=0.3；質(zhì)量密度？籽=7.85 ×10-6kg/mm3

鋼軌：采用60kg軌；

混凝土重度取rc=25 kN/m3

計算時分為兩種工況，對比混凝土澆筑前后上浮力對軌道高程的影響。

工況一：混凝土澆筑前未產(chǎn)生上浮力工況；

工況二：混凝土澆筑后產(chǎn)生上浮力工況。

2.3 有限元模型

以7.15m軌排建模，掛11組軌枕，每組軌枕按8個受力點施加在鋼軌上，即每個扣件按2個施力點。

在有限元計算模型中，矩形鋼管結(jié)構(gòu)所采用的單元為板單元，鋼軌結(jié)構(gòu)所采用的單元為體單元。單元大小合理配置，形狀盡量接近正方形或正方體。

有限元模型中考慮的主要構(gòu)件參見圖2～圖5。包括矩形鋼管（如圖3）；鋼軌（如圖4）；

圖2 軌道排架整體結(jié)構(gòu)圖 圖3 矩形鋼管

圖4 鋼軌 圖5 邊界條件

2.4 邊界條件

計算采用如圖5所示的邊界條件：在矩形鋼管螺栓固定位置處施加約束，Tx=Ty=Tz=0， Rx=Ry=Rz=0

2.5 荷載

●結(jié)構(gòu)自重：1370kg（模型重）。

●軌枕荷載：一組為250kg。

每處懸掛點按四點接觸，每個點集中力為

F=2500÷2÷4=312.5N（向下）

●軌排配件重量分配到每個點力：

（23370-13700）÷88=110N（向下）（其中2337kg為排架總重）

●灌筑混凝土后，液態(tài)混凝土對每組軌枕的浮力：

F浮=1150N

等效于每個點集中力為：F'=1150÷8=143.8N（向上）

2.6 計算結(jié)果與分析

計算結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

表1 鋼軌頂面位移計算結(jié)果統(tǒng)計

圖7 工況一 鋼軌位移結(jié)果圖（mm）

圖8 工況二 鋼軌位移結(jié)果圖（mm）

3 結(jié)束語

由以上計算結(jié)果分析可知：混凝土澆筑后上浮力對軌道的影響值僅為0.01025mm，《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10754-2010）中規(guī)定軌道軌面高程誤差為±2.0mm，由上浮力對軌道高程產(chǎn)生的影響僅為規(guī)范允許誤差值的四百分之一。

由此可見，混凝土上浮力對軌道精度的幾乎可以忽略不計，不會對施工精度帶來影響。

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作者簡介：吳敬蓬（1977-），男，工程師，2008年畢業(yè)于日本九州產(chǎn)業(yè)大學(xué)，研究生，主要從事鐵路施工機(jī)械設(shè)計工作。