高速鐵路橋梁用彈性墊層結(jié)構(gòu)剛度探討

鄧嬌，張文威，周煒，齊西雷

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

高速鐵路橋梁用彈性墊層結(jié)構(gòu)剛度探討

鄧嬌，張文威，周煒，齊西雷

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)橋梁軌道板用彈性墊層進(jìn)行仿真分析，在總體厚度及外形尺寸受到限制的條件下，通過(guò)調(diào)整多層隔板橡膠結(jié)構(gòu)中膠層的分布來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的剛度，發(fā)現(xiàn)膠層厚度的分布越均勻，產(chǎn)品的剛度越大。該方法在工程應(yīng)用中具有實(shí)際意義。

橋梁 軌道板 彈性墊層 形狀系數(shù) 剛度

隨著我國(guó)高速列車速度的不斷提高，減振產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域［1］。用于減振、降噪的橡膠制品，其剛度是主要性能參數(shù)［2］。對(duì)于產(chǎn)品的剛度性能，一般通過(guò)試驗(yàn)或計(jì)算的手段得到產(chǎn)品的靜態(tài)剛度曲線［3］。

本文所涉及的彈性墊層屬于銅陵長(zhǎng)江大橋高速鐵路項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用常阻力扣件。鋼軌伸縮或梁體伸縮時(shí)，鋼軌與軌道板之間不提供相對(duì)位移，所有縱向位移由軌道板與梁體之間相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

彈性墊層安裝在梁體與線路軌道板之間，在提供三項(xiàng)剛度的同時(shí)，其下平面減阻層能夠?qū)崿F(xiàn)軌道板在梁體上的縱向移動(dòng)，減少鋼軌及橋體應(yīng)力，保護(hù)線路和橋梁安全。

本文主要探討通過(guò)調(diào)整多層隔板橡膠結(jié)構(gòu)中膠層的分布來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的剛度，尋找膠層分布方式與剛度變化間的關(guān)系，迅速實(shí)現(xiàn)同類型產(chǎn)品不同的設(shè)計(jì)意圖。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

彈性墊層由聚四氟乙烯板、鋼板、橡膠三部分組成，如圖1所示。

圖1 彈性墊層模型

鋼板與聚四氟乙烯板通過(guò)橡膠硫化在一起，為滿足安裝接口及強(qiáng)度要求，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方對(duì)彈性墊層外形尺寸及骨架件尺寸有嚴(yán)格的規(guī)定，如表1所示。

表1 彈性墊層厚度尺寸

彈性墊層結(jié)構(gòu)與橋梁板式橡膠支座結(jié)構(gòu)相類似，因此根據(jù)JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》標(biāo)準(zhǔn)引入形狀系數(shù)［4］參數(shù)。形狀系數(shù)S定義為:S=有效承載面積/單層橡膠層的側(cè)面積［5］，即

式中:S為支座形狀系數(shù);A為有效承壓面積;C為單層橡膠層的受力面周長(zhǎng);t為單層橡膠層的厚度;E為實(shí)際抗壓彈性模量;G為剪切模量。

根據(jù)上述對(duì)形狀系數(shù)S的定義及彈性墊層的特殊結(jié)構(gòu)，假設(shè)聚四氟乙烯板剛度足夠大，設(shè)彈性墊層由3層鋼板和3層橡膠疊成，因此將橡膠近似地看成由兩彈簧串聯(lián)而成，彈性墊層剛度為

將(1)、式(2)、式(4)、式(5)分別代入式(3)可得

式中:R為垂向方向的壓力;Δ為單層膠層的壓縮量。

根據(jù)公式(6)可知，主要影響剛度的因素為S，C。但是當(dāng)外形尺寸固定，膠層厚度將是主要影響剛度的因素。文獻(xiàn)［3］主要介紹了形狀系數(shù)與彈性模量的關(guān)系，本文則研究不改變產(chǎn)品外形及骨架件尺寸，通過(guò)調(diào)整形狀系數(shù)來(lái)尋找垂向剛度變化趨勢(shì)。

彈性墊層結(jié)構(gòu)對(duì)稱，并且受力均勻，因此采用四分之一的對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析以提高計(jì)算速度。模型網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的劃分方法，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格的原則，模型單元數(shù)約6.1萬(wàn)，如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果與分析

剛度計(jì)算載荷取彈性墊層實(shí)際應(yīng)用載荷80～200 kN，計(jì)算工況下膠層具體參數(shù)如表2所示。

表2 彈性墊層計(jì)算工況mm

3種計(jì)算工況下剛度曲線如圖3所示。橫坐標(biāo)為力，縱坐標(biāo)為位移。k1，k2，k3分別表示工況1，2，3的剛度曲線。由剛度曲線可知，膠層厚度分布越均勻，剛度越最大。主要是因?yàn)楫?dāng)膠層分布越均勻時(shí)，橡膠所發(fā)生變形的面積相對(duì)較少，因此膠層分布不均勻就是增加橡膠的變形面積。

圖3 3種工況剛度曲線

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真的結(jié)果，根據(jù)3種不同工況，采用天然橡膠為材料，生產(chǎn)3種產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。

垂向靜剛度試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON8802試驗(yàn)機(jī)，產(chǎn)品置于兩塊鋼板之間且鋼板的厚度≥40 mm。上鋼板安裝60鋼軌，加載0～200 kN的力，記錄80 kN和200 kN垂向位移，并計(jì)算靜剛度。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果對(duì)比如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果相差約8%，說(shuō)明分析相對(duì)較為準(zhǔn)確。當(dāng)彈性墊層外形尺寸不變時(shí)，調(diào)整膠層厚度，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)品剛度。

表3 彈性墊層測(cè)試剛度

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)彈性墊層的仿真分析與試驗(yàn)相對(duì)比得到如下結(jié)論:

1)調(diào)節(jié)形狀系數(shù)可以調(diào)整產(chǎn)品的應(yīng)變和承載力。

2)膠層厚度分布越均勻，產(chǎn)品的剛度越大。

3)本文運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)彈性墊層作仿真分析，在模型與材料參數(shù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，可以得到較高的計(jì)算精度，可在同類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中推廣。

4)彈性墊層的結(jié)構(gòu)與橋梁板式橡膠支座相類似，但應(yīng)用實(shí)際工況不同。完全應(yīng)用橋梁支座的規(guī)定是否合適，通過(guò)本文的分析可為彈性墊層的技術(shù)規(guī)定提供理論依據(jù)。

［1］黃友劍，趙熙雍，李金衛(wèi)．橡膠產(chǎn)品在城市軌道交通中的應(yīng)用［J］．橡膠科技市場(chǎng)，2004(20):11-13．

［2］張亞新．壓縮型橡膠元件的研制報(bào)告［R］．株洲:株洲時(shí)代集團(tuán)，2007．

［3］劉建勛，黃友劍，張亞新．高鐵大變形橡膠止擋非線性剛度特性曲線計(jì)算精度分析［J］．計(jì)算機(jī)輔助工程，2011，20 (1):132-135．

［4］中華人民共和國(guó)交通部．JT/T 4—2004公路橋梁板式橡膠支座［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［5］黃躍平，胥明．板式橡膠支座膠層厚度不均勻?qū)αW(xué)性能的影響［J］．世界橡膠工業(yè)，2006，33(2):37-42．

［6］蔡文鋒，王平，趙偉．關(guān)于橡膠墊板剛度計(jì)算方法的研究［J］．鐵道建筑，2008(4):83-85．

(責(zé)任審編趙其文)

U238;U443．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．11

1003-1995(2015)03-0037-02

2014-04-25;

2014-12-15

鄧嬌(1977—)，女，湖南寧鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師。