橡膠粉改性CA砂漿對軌道板受力的影響分析

楊 洋，韋紅教，覃 峰

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

由水泥、細(xì)骨料、瀝青乳液、水以及多種添加劑等原材料組成的CA砂漿，目前廣泛應(yīng)用于板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中。位于底座與軌道板之間的CA砂漿可以有效地起到減震緩沖的作用，是CRTSI型板式無砟軌道的核心技術(shù)之一，其性能的好壞直接影響到整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的耐久性、列車行駛的舒適性和安全性［1］。不過，由于我國幅員遼闊，不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)對CA砂漿結(jié)構(gòu)有較大影響，CA砂漿在設(shè)計(jì)階段中必須考慮地區(qū)氣候的差異。以此同時(shí)，在我國鐵路發(fā)展逐漸實(shí)現(xiàn)高速、重載的趨勢下，開發(fā)適用于各類氣候條件下工作性和耐候性有顯著提高和改善的CA砂漿已迫在眉睫。

目前針對橡膠粉改性研究主要集中在應(yīng)用橡膠粉替代集料配制成的CA砂漿、橡膠粉水泥混凝土、橡膠粉改性瀝青混合料等領(lǐng)域［2－4］，課題組結(jié)合長期從事橡膠粉改性混凝土、橡膠粉改性瀝青、半柔性復(fù)合路面材料的研究成果與廣西高鐵修建實(shí)際需求，開展橡膠粉改性CA砂漿配制與力學(xué)性能研究，得到的橡膠粉改性CA砂漿其抗壓強(qiáng)度、彈性模量均比普通CA砂漿有所增大。

本文在前人對于橡膠粉改性CA砂漿研究的基礎(chǔ)上，采用大型有限元軟件ANSYS模擬橡膠粉改性CA砂漿支撐下CRTSI型板式無砟軌道軌道板在溫度荷載與列車荷載作用下的受力情況，更加真實(shí)地模擬廢橡膠粉代替乳化瀝青量與軌道板受力情況之間的關(guān)系，對橡膠粉改性CA砂漿應(yīng)用于實(shí)際中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究并對今后推廣應(yīng)用提供重要依據(jù)。

1 CA砂漿支撐下軌道板應(yīng)力狀態(tài)

1.1 模型的建立

CRTSI型板式無砟軌道軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、彈性分開式扣件、填充式墊板、軌道板、CA砂漿調(diào)整層、混凝土底座、凸形擋臺及其填充砂漿組成，如圖1所示。在運(yùn)用ANSYS進(jìn)行軌道板受力分析過程中，主要考慮一個(gè)單元板長度范圍內(nèi)的軌道板受力狀況，建模中軌道板、CA砂漿墊層、底座與地基均采用實(shí)體單元solid65進(jìn)行模擬，鋼軌簡化為工字鋼，并采用截面參數(shù)基本相同的beam單元進(jìn)行模擬，彈性扣件應(yīng)用彈簧單元模擬。由于只進(jìn)行一個(gè)單元板范圍內(nèi)的力學(xué)分析，凸形擋臺予以簡化，軌道結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，其各部分參數(shù)見表1，其中扣件間距為650mm，節(jié)點(diǎn)剛度30kN／mm；軌道板采用C60混凝土材料；底座為C40混凝土材料［4－8］。

圖1 CRTSI型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)圖

圖2 CRTSI型板式無砟軌道ANSYS有限元模型圖

表1 CRTSI型板式無砟軌道主要部件參數(shù)表

1.2 不同荷載作用下軌道板應(yīng)力狀態(tài)

由混凝土材料制成的板式無砟軌道軌道板在實(shí)際環(huán)境中受到多種荷載的作用，現(xiàn)僅就不同含量橡膠粉改性CA砂漿支撐下的軌道板在溫度荷載與列車荷載單獨(dú)作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算［9－10］。

（1）溫度荷載作用下軌道板應(yīng)力狀態(tài)

在實(shí)際環(huán)境中，溫度的驟然變化施加于熱傳導(dǎo)性能差的混凝土材料軌道板，便會產(chǎn)生沿軌道板厚度方向變化的溫度梯度，從而產(chǎn)生軌道板翹曲變形［9］。其中，白天陽光直射于軌道板上表面，而下表面溫度則相對較低；傍晚開始上表面溫度急劇下降，而下表面溫度則相對較高。這種情況會造成軌道板“上熱下冷”“上冷下熱”兩種情況。這種上下表面溫度差值最大可以達(dá)到15℃。有限元模型中，軌道板沿厚度方向的溫度梯度取75℃／m，應(yīng)用ANSYS模型進(jìn)行計(jì)算，考慮溫度荷載作用下軌道板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 溫度荷載下軌道板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

由表2可以看出：軌道板應(yīng)力集中主要發(fā)生在軌道板邊角處，軌道板受到正溫度梯度作用時(shí)，軌道板上部纖維伸長、下部纖維收縮，軌道板板頂中部受到拉應(yīng)力作用、板底中部受到壓應(yīng)力作用；軌道板受到負(fù)溫度梯度作用時(shí)，軌道板頂部纖維收縮、底部纖維伸長，受力情況與正溫度梯度時(shí)正好相反。其中溫度分別在±15℃時(shí)，最大應(yīng)力的代數(shù)值相近而方向相反。

（2）列車荷載作用下軌道板應(yīng)力狀態(tài)

當(dāng)列車運(yùn)行通過軌道板上方鋼軌時(shí)，軌道板將受到列車荷載作用，由于單元板長度為4 950mm，所以不可能同時(shí)有多組輪對作用于單元板區(qū)域內(nèi)，單元板最不利工況示意圖見圖3。利用ANSYS計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸載（300kN）作用下軌道板應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)軸載作用位置示意圖

表3 標(biāo)準(zhǔn)軸載下軌道板力學(xué)計(jì)算結(jié)果表

分析表3可知，對于同一種工況，軌道板橫向最大應(yīng)力均大于縱向最大應(yīng)力。對比兩種工況，當(dāng)輪載作用于軌道板邊緣時(shí)，軌道板最大應(yīng)力值、最大位移均大于輪載作用于軌道板中時(shí)的應(yīng)力值，工況一的板中最大位移小于工況二的板中最大位移，而對于板角最大位移來說，兩種工況的大小關(guān)系則正好相反。

2 橡膠粉改性CA砂漿對軌道板應(yīng)力狀態(tài)的影響

根據(jù)前文所述，橡膠粉改性CA砂漿在其力學(xué)性能方面已經(jīng)大大提高，目前的研究主要集中在橡膠粉改性CA砂漿試驗(yàn)性能上，由于一些客觀原因，并沒有現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明改性砂漿應(yīng)用于現(xiàn)場時(shí)將表現(xiàn)出何種優(yōu)勢，針對這一情況，課題組試圖利用ANSYS軟件分析橡膠粉改性CA砂漿支撐下軌道板在列車荷載、溫度應(yīng)力作用下的應(yīng)力情況，并進(jìn)一步推測實(shí)際狀況下橡膠粉改性CA砂漿對軌道板應(yīng)力狀態(tài)的影響。

表4列出本課題組制備的橡膠粉改性CA砂漿主要力學(xué)性能，現(xiàn)將不同橡膠粉含量的改性CA砂漿應(yīng)用于CRTSI型板式無砟軌道中，分別模擬溫度梯度荷載和列車荷載作用下軌道板的受力情況。

表4 橡膠粉改性CA砂漿主要力學(xué)性能表

2.1 溫度荷載作用下橡膠粉改性CA砂漿層對軌道板應(yīng)力狀態(tài)的影響

為了更好地分析橡膠粉含量對于軌道板應(yīng)力狀態(tài)的改善情況，現(xiàn)分別計(jì)算不同含量橡膠粉改性CA砂漿支撐下軌道板受到溫度梯度作用時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，由于本文著重研究橡膠粉改性CA砂漿中橡膠粉含量對于軌道板力學(xué)狀態(tài)的影響，故只考慮軌道板受到“上熱下冷”溫度梯度作用時(shí)的情況，計(jì)算結(jié)果如圖4～9所示。

分析圖4～9可知，溫度荷載下軌道板橫向最大應(yīng)力始終大于縱向最大應(yīng)力，與此同時(shí)，軌道板各項(xiàng)應(yīng)力最大值隨著改性CA砂漿中橡膠粉含量的增大而減??；軌道板板中位移、板角位移也隨著橡膠粉含量的增大而逐漸減小。這說明增加橡膠粉改性CA砂漿橡膠粉含量可以減小軌道板在溫度荷載下的翹曲應(yīng)力以及翹曲位移。

圖4 軌道板橫向拉應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖5 軌道板橫向壓應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖6 軌道板縱向拉應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖7 軌道板縱向壓應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖8 最大板中位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖9 最大板角位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

2.2 列車荷載作用下橡膠粉改性CA砂漿層對軌道板應(yīng)力狀態(tài)的影響

由前文計(jì)算得知，當(dāng)列車荷載有一輪對作用于單元板邊緣時(shí)，軌道板出現(xiàn)病害的幾率最大，故只計(jì)算在列車荷載作用于最不利位置時(shí)不同質(zhì)量橡膠粉改性CA砂漿對軌道板應(yīng)力狀態(tài)的影響。帶入表4中參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖10～15所示。

圖10 軌道板縱向壓應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖11 軌道板縱向拉應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖12 軌道板橫向壓應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖13 軌道板橫向拉應(yīng)力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖14 最大板中位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖15 最大板角位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

由圖10可知，當(dāng)橡膠粉含量由0逐漸增加到20%過程中，橡膠粉改性CA砂漿支撐下軌道板縱向最大拉應(yīng)力由0.788 MP降低到0.787 3 MP，變化趨勢不是非常明顯。不過隨著橡膠粉含量的增加，改性CA砂漿對于軌道板縱向最大壓應(yīng)力、橫向拉、壓應(yīng)力的降低作用是非常明顯的：圖11～13中軌道板最大縱向壓應(yīng)力隨著橡膠粉含量的增大顯著降低，當(dāng)橡膠粉含量增加到20%時(shí)，降低的幅度達(dá)到0.034 MP；與此同時(shí)軌道板橫向拉應(yīng)力、橫向壓應(yīng)力也降低明顯，其中橫向壓應(yīng)力更是降低了0.17 MP；同時(shí)，如圖14～15所示，軌道板板角、板中位移也顯現(xiàn)出逐步減小的趨勢。這充分說明了列車荷載作用下CRTSI型板式無砟軌道軌道板最大應(yīng)力與最大位移會隨著橡膠粉改性CA砂漿層中橡膠粉含量的增加而降低。

3 結(jié)語

（1）軌道板在實(shí)際環(huán)境中受到溫度荷載的作用下將會發(fā)生翹曲變形，板頂與板底溫差越大，翹曲變形越明顯。橡膠粉改性CA砂漿支撐下的軌道板，在溫度荷載作用時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)有所改善，軌道板縱向拉、壓應(yīng)力，橫向拉壓應(yīng)力，板中、板角位移均會隨著橡膠粉含量的增大而逐漸減小從而改善溫度荷載下軌道板翹曲變形，減小翹曲變形對軌道板的不利影響。

（2）列車荷載作用下，軌道板頂面受壓而底面受拉，拉應(yīng)力會導(dǎo)致軌道板底面出現(xiàn)裂縫，隨著時(shí)間的推移，如不及時(shí)進(jìn)行修整，裂縫會導(dǎo)致其他病害的出現(xiàn)。利用橡膠粉改性CA砂漿進(jìn)行模擬時(shí)，可以看出，軌道板應(yīng)力狀態(tài)尤其是橫、縱向拉應(yīng)力的最大值會隨著橡膠粉含量的增大而逐漸減小，這大大降低了軌道板裂縫出現(xiàn)甚至擴(kuò)展的幾率，使軌道結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、安全。

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