橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板屈曲分析

張豐華，　唐進鋒，　譚　亞

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙　410075)

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橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板屈曲分析

張豐華，唐進鋒，譚亞

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙410075)

摘要：根據(jù)橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構特性，利用有限元分析方法，采用梁單元模擬鋼軌，實體單元模擬軌道板、底座板和橋梁，彈簧單元分別模擬砂漿填充層和滑動層，建立CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力計算模型?；诂F(xiàn)場測量的底座板厚度資料和橋梁資料，計算出模型中各單元參數(shù)值。利用當?shù)貧鉁刭Y料和軌道機車類型，得到最大溫升和列車制動力值，計算出溫度荷載和列車制動荷載作用下底座板厚度不足處縱向力值。分析溫度荷載和列車制動荷載對底座板厚度不足處屈曲的影響。

關鍵詞：CRTS Ⅱ型板式無砟軌道；有限元；溫度荷載；屈曲

0引言

CRTS Ⅱ型板式軌道由于其狀態(tài)穩(wěn)定、維護成本低廉的優(yōu)點，是我國高速鐵路軌道結構的主要形式，成功應用于京津城際、京滬、滬杭等客運專線[1]。CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構參與傳力的主要部件有鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、端刺、固結機構[2-3]。底座板是橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構主要縱向和垂向受力構件，其受力狀況直接影響高速列車運行安全[4]。本文選取杭長客專某大型連續(xù)梁橋施工段，現(xiàn)場測量了CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板厚度不足的底座板厚度，并進一步建立有限元模型，對底座板厚度不足處的屈曲進行計算分析，為進一步研究CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板提供參考。

1現(xiàn)場測量

1.1底座板厚度測量

測量的施工段為一座四跨連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋跨度(75+135+135+75)m，屬于大跨度連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋兩側為32 m簡支箱梁結構。在施工現(xiàn)場，重點測量底座板厚度嚴重不足地段，通過精確測量，得到里程DK234+456.5～DK246+236.6范圍內(nèi)底座板厚度數(shù)據(jù)。對簡支梁與連續(xù)梁過渡段雙線兩側底座板厚度都進行多次測量。

1.2底座板厚度統(tǒng)計

連續(xù)梁橋底座板厚度不足處厚度統(tǒng)計結果見表1。

表1　底座板實測與設計厚度比較　mm

底座板厚度嚴重不足處左右線厚度統(tǒng)計如圖1和圖2所示。由測量數(shù)據(jù)可以看出：底座板厚度不足地段呈散點分布特點，底座板厚度不足處連續(xù)長度都不超過30 m，其中左線底座板厚度最小值為132 mm，與設計厚度相差53 mm，最大值為165 mm，與設計厚度相差20 mm。右線底座板厚度最小值為140 mm，與設計厚度相差45 mm，最大值171 mm，與設計厚度相差14 mm。

圖1　左線底座板厚度連續(xù)不足段落實測厚度與設計厚度比較

圖2　右線底座板厚度連續(xù)不足段落實測厚度與設計厚度比較

2計算模型和計算參數(shù)

CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、端刺、固結機構等部件，本文利用ANSYS有限元軟件，對軌道結構部件進行模擬，建立有限元縱向力分析模型，如圖3所示。鋼軌采用梁單元(BEAM4)模擬，軌道板和底座采用實體模型(SOLID45)模擬，彈性模量3.0×1010N/m2,泊松比0.2[5]，線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃，CA砂漿采用彈簧單元模擬[6]。采用軌道-梁-墩一體化模型[7]，橋梁采用實體單元(SOLID45)模擬，鋼軌、道床板和橋梁層間相互作用關系采用彈簧(COMBIN14)模擬，扣件采用WJ-8型扣件，滑動層摩擦阻力依據(jù)試驗結果，“兩布一膜”摩擦系數(shù)取0.15～0.35[8-9]。吳斌等[10]通過荷載試驗認為在列車靜荷載作用下，采用梁體模型能很好地反映砂漿內(nèi)部用力狀態(tài)。箱型橋梁采用實體模型(SOLID45)模擬，計算模型橫斷面如圖4所示。

圖3　計算模型縱斷面示意圖

圖4　計算模型橫斷面圖

3底座板力學分析

3.1屈曲分析公式

橋上CRTS Ⅱ型板式軌道結構縱向長度遠遠大于橫向長度，在縱向上可以看做細長桿件[7]。當溫度升高或者受列車制動荷載作用時，軌道結構受到壓力作用。當溫度壓力或制動壓力超過軌道板屈曲臨界力時，底座板會產(chǎn)生屈曲。將CRTS Ⅱ型板式軌道底座板厚度不足段兩端視為鉸支，整體視為細長壓桿，長度系數(shù)μ取為1。由歐拉公式可得，軌道板受壓屈曲變形臨界力

(1)

式中，π表示圓周率；E表示底座板彈性模量；I表示按底座板實際厚度計算的慣性矩；l表示底座板側向擋塊距離；μ表示長度系數(shù)。若溫度荷載或制動荷載產(chǎn)生的壓力Ft≥Fcr，則軌道結構可視為發(fā)生屈曲。

3.2溫度荷載對底座板屈曲的影響

按照當?shù)販囟葴y試資料，混凝土按升溫31.8 ℃，通過模型計算得出底座板對應位置處壓力Ft。若Ft≥Fcr，則軌道板有發(fā)生屈曲的危險。軌道板厚度嚴重不足地段處在DK243+510～DK243+565范圍內(nèi)。圖5為左線底座板厚度不足處壓力和臨界力比較圖；圖6為右線底座板厚度不足處壓力和臨界力比較圖。

圖5　左線底座板厚度不足段壓力與臨界力

圖6　右線底座板厚度不足段壓力與臨界力

圖5和圖6中計算臨界力時，利用公式(1)，其中l(wèi)取側向擋塊距離8 m，I取底座板實際厚度慣性矩。由圖5，圖6可知，左線底座板厚度不足區(qū)段在DK243+543.4處滿足臨界力條件，其他位置壓力大于臨界力，底座板會發(fā)生屈曲。右線底座板厚度不足區(qū)段平均厚度155 mm，在DK243+517.7～DK243+521.6區(qū)間處，壓力大于臨界力，此處底座板有發(fā)生屈曲的可能。

3.3列車制動力對底座板屈曲的影響

計算采用ZK標準活載，僅考慮一線制動時，制動力取10.496 kN/m/線，制動力作用長度400 m。經(jīng)計算可得最不利作用位置制動附加力為1 545.6 kN/線。計算結果如圖7所示，由圖可以得出列車在底座板不足地段制動時制動力結果，橫坐標代表底座板不足地段里程，縱坐標代表底座板受力大小，正值代表底座板受拉，負值代表底座板受壓。

圖7　一線制動時制動力結果

當列車在最不利位置制動時，底座板厚度不足區(qū)段看做兩端鉸支的細長壓桿，底座板不足區(qū)段平均高度0.145 m，由公式(1)計算得出臨界力Fcr=880.4 kN ，F(xiàn)制動>Fcr，制動荷載作用下底座板壓力大于底座板屈曲臨界力，底座板在制動力作用下會產(chǎn)生屈曲。

4結論

本文基于CRTSII型板式無砟軌道底座板厚度不足區(qū)段現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，利用ANSYS軟件建立連續(xù)梁橋上有限元模型，分析底座板厚度不足處施加溫度荷載和制動荷載時的受力特點，得到如下結論：

(1)溫度荷載作用下，底座板厚度不足區(qū)段不同厚度處臨界應力不同，導致屈曲變形位置不連續(xù)，呈間斷分布，在運營中會導致局部底座板混凝土壓碎失效情況的發(fā)生。

(2)由于底座板厚度不足區(qū)段出現(xiàn)在連續(xù)梁與簡支梁連接處，施加制動荷載時，厚度不足處底座板所受壓力遠遠大于其他位置壓力，底座板在單線制動情況下仍然有發(fā)生屈曲變形的危險。

(3)溫度荷載作用下，左線區(qū)段底座板所受壓力比屈曲臨界力大20%，右線區(qū)段底座板所受壓力值僅高于屈曲臨界力值3%，考慮整體屈曲變形時，可采用相應加固措施，增大屈曲臨界力，以達到運營安全的需要。

(4)底座板厚度變化導致的底座板縱向不平順性，更增加了底座板屈曲變形量的累積，在底座板最薄弱處，進一步導致底座板和軌道板上拱現(xiàn)象的出現(xiàn)。

參考文獻

[1]姚坤峰.CRTSII型無砟軌道板預應力鋼筋張拉計算理論研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版，2013,26(9):107-110.

[2]李士元.客運專線32m雙線整孔簡支箱梁張拉應力試驗研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版，2014,27(3):24-30.

[3]徐錫江.大跨橋上縱連板式軌道斷板力計算研究[J].四川建筑，2010(4):134-136.

[4]姚宏生，王春陽.滬杭高速鐵路CRTSII型無砟軌道橋上底座板施工技術研究[J].鐵道標準設計，2011(6):39-40.

[5]孫璐，段雨芬 高速鐵路CRTSII型板式無砟軌道結構動力特性分析[J].東南大學學報:自然科學版，2014,44(2):408-409.

[6]元強，謝友均.板式軌道用高彈模水泥瀝青砂漿與混凝土黏結性能的試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2013(6):40-44.

[7]劉永存.橋上CRTSII型板式無砟軌道底座張拉縱連模擬分析[J].鐵道標準設計，2014(9):45-46.

[8]王強，季文玉.京津城際鐵路CRTSII型板式無砟軌道橋梁段底座板施工技術[J].鐵道建筑，2011(6):41-44.

[9]李中華.CRTS I型與CRTS II型板式無砟軌道結構特點分析[J].華東交通大學學報，2010,27(1):24-25.

[10]吳斌，陳文榮.列車豎向荷載下CRTSII型板式無砟軌道結構受力特性試驗研究[J].鐵道科學與工程報，2014(3):38-41.

Analysis on Base Plate Buckling of CRTS II Ballastless Slab Track

Zhang Fenghua,Tang Jinfeng,Tan Ya

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:According to the characteristics of CRTS II slab track structure, with rails modeled by beams, slab tracks and base plates modeled by solid unit while the bearing layers modeled by springs, the model of longitudinal force of CRTS II Ballastless Slab Track is established through finite element analysis. By using the data of base plate thickness and bridge, the parameters of the model are calculated. The data of local temperature and the locomotice type are obtained, and the maximum temperature rise and brake force are calculated. By loading temperature load and brake force, the longitudinal force at base plate thickness lack is calculated. The influence of temperature load and brake force to buckling at base plate thickness lack is analyzed.

Key words:CRTS II ballastless slab track; finite element; temperature load; buckling

中圖分類號：U213.2+44

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0373(2016)01-0055-05

作者簡介：張豐華(1989-)，男，碩士研究生，從事高速鐵路橋上無縫線路技術設計工作。E-mail:csuzfh@126.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(E080704)

收稿日期：2015-01-06責任編輯:車軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.10

張豐華 ，唐進鋒，譚亞.橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板屈曲分析[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2016,29(1):55-58.