有軌電車(chē)嵌入式軌道板溫度翹曲變形量研究

易 欣 楊 剛 劉光勝

(1.廣深鐵路股份有限公司廣州工務(wù)段,510600， 廣州; 2.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司,611430,成都∥助理工程師)

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有軌電車(chē)嵌入式軌道板溫度翹曲變形量研究

易 欣1楊 剛2劉光勝2

(1.廣深鐵路股份有限公司廣州工務(wù)段,510600， 廣州; 2.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司,611430,成都∥助理工程師)

選取已鋪軌并覆蓋200 mm綠化土的嵌入式軌道板,對(duì)其溫度梯度及高程變化進(jìn)行連續(xù)24 h 觀測(cè),以研究氣溫變化對(duì)軌道板溫度梯度及翹曲變形的影響。采用理論方法和有限元數(shù)值方法計(jì)算軌道板翹曲變形,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,為嵌入式軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)果表明:在24 h觀測(cè)時(shí)間內(nèi),軌道板溫度梯度基本為正,其最大值為10.4 ℃/m。在最大正溫度梯度作用下,軌道板最大翹曲變形為0.028 0 mm。通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算得到的最大翹曲位移分別為0.019 4 mm和0.027 0 mm。二者均與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果接近,驗(yàn)證了溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、有限元數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件的準(zhǔn)確性和可靠性。

有軌電車(chē); 嵌入式軌道; 溫度梯度; 翹曲變形

First-author′s address Guangzhou Track Maintenance Division,Guangzhou-Shenzhen Railway Co.,Ltd.,510600,Guangzhou,China

有軌電車(chē)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)使用高彈性的聚氨酯材料替代傳統(tǒng)軌道的扣件系統(tǒng),其鋼軌完全由承軌槽內(nèi)的聚氨酯材料及軌下彈性墊板固定和支撐[1]。軌道結(jié)構(gòu)由59R2槽型鋼軌、高分子填充材料、嵌入式軌道板、自密實(shí)混凝土、底座、路基等部分組成,其結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)橫斷面圖

當(dāng)氣溫變化時(shí),混凝土材料的導(dǎo)熱性能差,于是軌道板面和板底之間存在溫度差。溫度差通常由溫度梯度(軌道板溫度梯度=(板面溫度-板底溫度)/板厚度)來(lái)表示。軌道板厚度越大,板面與板底的溫度差也越大。在溫度梯度荷載作用下,軌道板會(huì)發(fā)生溫度翹曲變形[2-3],從而引起兩個(gè)問(wèn)題:①軌道板與自密實(shí)混凝土層間粘結(jié)關(guān)系破壞,層間出現(xiàn)離縫;②層間離縫會(huì)降低自密實(shí)混凝土層對(duì)軌道板的約束作用,從而引起軌道板橫縱向幾何形位發(fā)生變化。

目前，國(guó)內(nèi)在高速鐵路方面已有針對(duì)板式軌道翹曲變形的研究。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)CRTSI型軌道平板和框架板進(jìn)行了溫度測(cè)試,提出無(wú)論平板還是框架板,其上下表面溫差最大值均發(fā)生在13—15點(diǎn),溫度梯度約為52.6～68.4 ℃/m。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)CRTSII型軌道板進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)半年的觀測(cè),提出軌道板板面溫度、溫度梯度均與氣溫變化規(guī)律一致,且隨著軌道結(jié)構(gòu)深度的增大,溫度和溫度梯度的波動(dòng)幅度均逐漸減小；板面溫度的高低決定了軌道板溫度梯度的大小。

由于軌道結(jié)構(gòu)形式存在差異,嵌入式軌道板溫度翹曲研究不能照搬其研究成果。其差異主要有三個(gè)方面:①板厚不同。嵌入式軌道板厚260 mm，比高鐵上200 mm的軌道板厚；而軌道板厚度決定了上下表面溫度梯度的大小。②覆蓋方式不同。嵌入式軌道板表面有200 mm的覆土,而高鐵上的軌道板無(wú)覆蓋；這對(duì)軌道板溫度梯度的影響很大。③限位方式不同。嵌入式軌道板通過(guò)其下的自密實(shí)混凝土層和門(mén)型鋼筋進(jìn)行限位,而高鐵上的軌道板限位則由凸型擋臺(tái)或板間縱連來(lái)實(shí)現(xiàn)。

嵌入式軌道板是有軌電車(chē)的主要承載部件。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。溫度梯度荷載常年作用于軌道板,需通過(guò)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入力學(xué)模型分析對(duì)其軌道結(jié)構(gòu)的影響，并據(jù)此判斷其在嵌入式軌道軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是否作為主要作用荷載。因此,本文基于成都市有軌電車(chē)嵌入式軌道試驗(yàn)段的軌道板溫度梯度實(shí)測(cè)結(jié)果,采用有限元法和理論解法對(duì)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)在溫度梯度作用下的翹曲變形進(jìn)行研究,為該軌道結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 軌道板溫度梯度及翹曲變形觀測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

2014年5月26日16: 00～2014年5月27日16:00,對(duì)成都市有軌電車(chē)嵌入式軌道試驗(yàn)段進(jìn)行氣溫、軌道板溫度梯度及溫度翹曲變形的觀測(cè)。試驗(yàn)期間天氣晴朗,最高氣溫30.4 ℃。觀測(cè)頻次為1次/h。

采用溫度計(jì)測(cè)量大氣溫度,并用測(cè)溫槍測(cè)量承軌槽頂部溫度。在軌道板板面和板底布置溫度傳感器,共布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)(板面6個(gè),板底3個(gè))。測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖2。采用百分表對(duì)軌道板翹曲變形進(jìn)行測(cè)量,并用全站儀進(jìn)行校核。變形觀測(cè)點(diǎn)具體位置如圖3的點(diǎn)1#～6#所示。

圖2 成都有軌電車(chē)軌道板測(cè)溫點(diǎn)布置

1.2 溫度梯度觀測(cè)結(jié)果分析

圖3 軌道板翹曲變形觀測(cè)點(diǎn)平面布置

溫度和溫度梯度的觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖可知:①在24 h測(cè)試時(shí)間內(nèi),軌道板板面和板底最大溫差值為2.7 ℃；僅出現(xiàn)正溫度梯度,且其值較小,最大值僅為10.4 ℃/m。②當(dāng)氣溫最高時(shí),正溫度梯度達(dá)到最大值；當(dāng)氣溫最低時(shí),正溫度梯度降至最低值；變化范圍為0～10.4 ℃/m。③承軌槽頂面溫度變化基本與氣溫一致,而軌道板溫度變化與氣溫相差較大,且其變化幅度較小。

圖4 試驗(yàn)軌道板溫度變化及溫度梯度曲線

經(jīng)分析，可得以下結(jié)論:

(1) 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)表面覆蓋有200 mm厚的綠化填土,所測(cè)承軌槽頂面溫度與其底面溫度相差較大,而軌道板板面溫度與承軌槽底部溫度幾乎相同?？梢?jiàn)，覆蓋填土對(duì)于軌道板上下表面溫差起決定性作用。故計(jì)算溫度梯度時(shí),軌道板上表面溫度為覆蓋填土下的板面溫度,而非承軌槽頂面溫度。

(2) 嵌入式軌道板出現(xiàn)最大溫度梯度(15:00—17:00)及最小溫度梯度(6:00—8:00)的時(shí)間較普通裸露在大氣中的板有將近2 h的延遲。普通板最大正、負(fù)溫度梯度分別出現(xiàn)在(13:00—15:00)和4:00左右[7]。

(3) 在24 h測(cè)試時(shí)間內(nèi),軌道板基本為正溫度梯度。這與高鐵上板式軌道測(cè)試結(jié)果有很大的不同[5-6]。由于軌道板位于土層以下,其四周均填土夯實(shí),并與空氣相互隔絕,故自密實(shí)混凝土的水化作用和路基的散熱均較緩慢。這導(dǎo)致軌道板溫度變化速率隨軌道結(jié)構(gòu)深度的增加逐漸降低,從而板面和板底溫度變化都很小。

1.3 翹曲變形觀測(cè)結(jié)果分析

軌道板溫度翹曲變形規(guī)律如圖5所示。

圖5 軌道板溫度翹曲變化規(guī)律

由圖可知,當(dāng)溫度梯度最大時(shí)(15:00—17:00),翹曲變形值最大,為0.028 0 mm;當(dāng)溫度梯度較小時(shí)(6:00—8:00),翹曲變形值接近0。軌道板產(chǎn)生的翹曲變形量在0～0.028 0 mm之間變化。

分析可得，在15:00—17:00時(shí)段軌道板處于正溫度梯度作用,而此時(shí)，氣溫最大值也同時(shí)出現(xiàn)。由于混凝土自身的膨脹大于板角下翹值,因此試驗(yàn)測(cè)得的翹曲變形為正值。由此可見(jiàn),軌道板的翹曲位移量很小。

2 軌道板溫度翹曲變形分析

2.1 力學(xué)模型及參數(shù)

本文采用有限元法分析溫度梯度作用下嵌入式軌道板翹曲位移的影響。其中，軌道板、自密實(shí)混凝土、底座板均采用實(shí)體單元模擬,其彈性模量分別為3.45×104MPa、3.25×104MPa和3.25×104MPa,泊松比均為0.20;鋼軌、門(mén)型鋼筋采用梁?jiǎn)卧M,其彈性模量分別為2.06×105MPa和2.00×104MPa,泊松比均為0.30;高分子填充材料采用三向彈簧單元模擬,其垂向剛度為103 MPa,縱向剛度為34.2 MPa,橫向剛度為41.3 MPa。軌道板長(zhǎng)6 000 mm,寬2 500 mm,厚260 mm。軌道板下自密實(shí)混凝土層厚度為120 mm。基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,最大溫度梯度取值為10.4 ℃/m。

模型考慮了軌道結(jié)構(gòu)自重及門(mén)型鋼筋對(duì)軌道板翹曲變形的影響,并假設(shè)下部基礎(chǔ)無(wú)變形(即不考慮下部基礎(chǔ)的變形)。根據(jù)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn),層間關(guān)系采用全粘結(jié)。計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 嵌入式軌道板理論計(jì)算模型

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

軌道板翹曲變形云圖如圖7所示。由圖可知，嵌入式軌道板在正溫度梯度作用下的翹曲變形較小,最大變形量為0.019 4 mm。

圖7 軌道板翹曲變形云圖(放大1 000倍)

經(jīng)分析，在正溫度梯度作用下,軌道板板端向下翹,板中上拱；而承軌槽頂卻出現(xiàn)了向上的最大翹曲量。這是因?yàn)槌熊壊垌斨苯勇懵对诖髿庵?造成承軌槽上下表面溫差很大,從而引起混凝土自身的熱脹位移大于其下翹值。

3 數(shù)值解、理論解和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

[11],對(duì)軌道板在溫度梯度作用下的翹曲變形進(jìn)行理論計(jì)算。計(jì)算溫度梯度取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大溫度梯度10.4 ℃/m。

軌道板作為一種溫度線彈性體,其翹曲變形量與發(fā)生變形前后的溫度梯度成正比,為:

ΔL=αTnL

(1)

式中：

α——溫度變形系數(shù),根據(jù)美國(guó)阿靈頓道路試驗(yàn)結(jié)果可知α=0.000 01;

Tn——軌道板翹曲前后的溫度梯度;

L——軌道板厚度。

將有限元計(jì)算的數(shù)值解、理論解以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的軌道板最大翹曲位移進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

表1 不同方法得到的軌道板最大翹曲變形量 mm

通過(guò)表1可得以下結(jié)論:

(1) 理論解與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,且數(shù)值解與理論解和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大,二者偏差不超過(guò)5%,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2) 三種方法得到的翹曲位移均不足0.05 mm,遠(yuǎn)小于高速鐵路普通板式軌道翹曲變形量[12]。這說(shuō)明嵌入式軌道結(jié)構(gòu)比普通的板式軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,其受到溫度荷載的影響很小。

4 結(jié)論

(1) 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)表面的覆蓋填土對(duì)于軌道板上下表面溫差起決定性作用;在實(shí)測(cè)中氣溫最高的時(shí)候,軌道板板面溫度和板底溫度差值最大為2.7 ℃;軌道板位于土層以下,其四周均填土夯實(shí),并與空氣相互隔絕,在24 h觀測(cè)時(shí)間內(nèi),軌道板基本為正溫度梯度,且其值較小,最大正溫度梯度僅為10.4 ℃/m。

(2) 當(dāng)溫度梯度最大時(shí)(15:00—17:00)時(shí),翹曲變形值最大,為0.028 0 mm;當(dāng)溫度梯度較小時(shí)(6:00—8:00),翹曲變形值接近0。由于覆蓋填土的作用,嵌入式軌道出現(xiàn)最大、最小溫度梯度的時(shí)間較裸露在大氣中的軌道板有2 h的延遲。這與填土的保溫、吸熱功能相關(guān)。

(3) 數(shù)值計(jì)算及理論計(jì)算得出的最大翹曲位移分別為0.019 4 mm和0.027 0 mm。二者均與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果接近。本文測(cè)量結(jié)果可作為成都地區(qū)嵌入式軌道溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其有限元數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件準(zhǔn)確可靠。

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福州首條地鐵5月18日投入試運(yùn)營(yíng)

為期3天的福州地鐵試乘活動(dòng)5月13日上午開(kāi)始，吸引了榕城市民積極參與。人民網(wǎng)記者與市民一道參與了當(dāng)天試乘活動(dòng)，并通過(guò)人民網(wǎng)福建頻道微博和微信平臺(tái)直播了試乘體驗(yàn)盛況。記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，參加試乘的市民群眾井然有序地進(jìn)入地鐵口，通過(guò)安檢、刷票進(jìn)站上車(chē)，并主動(dòng)為老人讓座?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員和民警熱情地接受乘客咨詢，解答各種具體問(wèn)題，不失時(shí)機(jī)地宣傳安全乘車(chē)、文明出行觀念。當(dāng)天開(kāi)放試乘的是福州地鐵1號(hào)線南段，全長(zhǎng)9.76 km，設(shè)三叉街站、火車(chē)南站站等9個(gè)站點(diǎn)。福州地鐵采用的列車(chē)由位于福建泉州的中車(chē)公司組裝生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)載客數(shù)為1 460人，超員載客數(shù)為2 062人，跑完南段全程約18 min。列車(chē)最高時(shí)速80 km，平均時(shí)速為30 km(含?？繒r(shí)間)。此前，福州地鐵公司通過(guò)地鐵沿線周邊街道、社區(qū)以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)派發(fā)試乘券。據(jù)悉，福州地鐵將于5月18日投入試運(yùn)營(yíng)，正式對(duì)外售票，1號(hào)線運(yùn)營(yíng)時(shí)間為6：30至21：30，還將推出一卡通、月票、年票等優(yōu)惠便民措施。

(摘自2016年5月13日人民網(wǎng)，記者 吳隆重、謝曦報(bào)道)

Temperature Buckling Deformation of the Embedded Track Slab in Tramcar System

YI Xin, YANG Gang,LIU Guangsheng

To study the effect of temperature variation on the temperature gradient and the buckling deformation of embedded track slab within 24 hours, a good track-laying that covers 200 mm greening soil slab is selected. According to the field test, theoretical method and finite element numerical method are used to calculate the slab warping displacement, and provide reference for the structural design of embedded track. The results show that within an observation of 24 hours, the performance of the slab displays substantially a positive temperature gradient, the maximum positive temperature gradient is 10.4 ℃/m, and the maximum warping deformations of slab is 0.0280 mm. Through theoretical calculation and numerical computation, the maximum warping displacement is measured as 0.019 4 mm and 0.027 0 mm respectively, both are close to the results of field measurement. Thus the rationality and reliability of the measured temperature data and the finite element model are verified.

tramcar; embedded track; temperature gradient; buckling deformation

U 213.2+42：U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2016.06.020

2014-08-13)