整體溫度作用下無砟軌道結構受力變形分析

馮 洋

(海峽(福建)交通工程設計有限公司,福建 福州 350000)

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整體溫度作用下無砟軌道結構受力變形分析

馮 洋

(海峽(福建)交通工程設計有限公司,福建 福州 350000)

介紹了CRTSⅠ型板式無砟軌道的組成與應用現(xiàn)狀，利用ABAQUS有限元軟件，建立了軌道結構模型，對整體溫度作用下CRTSⅠ型板式無砟軌道的受力變形特點進行了研究，為養(yǎng)護維修時機及措施提供了依據(jù)。

無砟軌道,溫度作用,受力變形特點,軌道結構模型

1 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道

我國CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道主要是在德國Rheda 2000型無砟軌道的研究基礎之上，將該類型無砟軌道的幾何結構、制作材料及軌道電路等方面進行了優(yōu)化和改進。CRTSⅠ無砟軌道的結構高度為725 mm，結構主要包括鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層等，該結構從上向下剛度遞減。CRTSⅠ雙塊式無砟軌道大量應用于我國武廣線、合武線、襄渝線等線路，其軌道結構能夠較好的保證列車運行的平穩(wěn)性、舒適性以及行車速度要求，然而由于路橋、路隧或橋隧地段的結構剛度不同、施工過程中缺陷以及自然條件下溫度的影響，該軌道結構在線路運營過程中仍存在著一些問題。

2 整體溫度荷載的選取

無砟軌道結構的整體溫度是指該結構在厚度方向上的均勻分布的整體溫度[1]。影響結構整體溫度變化主要有兩個因素：日溫度變化和年溫度變化[2]。日溫度變化是將一天中的最高與最低的平均溫度作為日溫度變化的幅度，而年溫度變化是將月最高與最低的平均溫度作為年溫度變化的幅度。在整體溫度作用下，無砟軌道結構主要會表現(xiàn)出縱向、橫向的變形，根據(jù)膨脹原理，當軌道板的整體溫度升高時，混凝土必然會發(fā)生膨脹，由于受約束條件的限制，結構內(nèi)部會有壓應力的產(chǎn)生；軌道板在溫度降低的過程中，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生拉應力，若拉應力達到混凝土的抗拉強度時則會產(chǎn)生裂縫甚至造成結構的失效[3,4]。我國地域遼闊，東北地區(qū)溫差可達80 ℃以上，而廣東地區(qū)溫差只有40 ℃[5，6]?？紤]全國范圍軌道結構溫度，對軌道板、支承層加施加體溫度荷載，整體溫度荷載設置見表1。

表1 整體溫度荷載 ℃

3 軌道結構模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對無砟軌道實體建模。鋼軌、軌枕、支撐層均采用C3D8R單元模擬。

用彈簧連接來模擬扣件帶來的扣壓力和剛度，軌枕、支撐層和軌道板相互之間用綁定方式連接來模擬相互之間的作用效果，裝配結果見圖1。

4 仿真數(shù)據(jù)

按照表1對無砟軌道上施加溫度荷載。

4.1 溫升荷載下軌道結構受力變形結果

軌道整體結構位移最高發(fā)生在最高溫度即50 ℃時，位移計算結果如圖2所示。

由圖2可知，溫升荷載作用下，軌道整體最大縱向及橫向位移對稱分布，均分布在軌道結構邊緣；由于溫升荷載存在，結構中間部位垂直正方向位移較大，而結構邊緣部位均產(chǎn)生向下位移，且結構中間部位位移遠遠大于邊緣部位，結構整體有中部上拱趨勢。溫升荷載作用下軌道結構受力變形計算結果如表2所示。

由表2可知，隨著溫度的上升，軌道板整體受力呈上升的趨勢。

4.2 溫降荷載下軌道結構受力變形結果

對無砟軌道施加溫降荷載，應力位移計算結果見表3。

表2 溫升荷載作用下軌道結構受力變形計算結果

溫度變化幅度20304050軌道板縱向應力/MPa-12.5-15.8-18.5-21.3橫向應力/MPa2.48/-10.43.72/-15.74.97/-20.96.20/-26.1垂向應力/MPa0.79/-9.551.19/-14.31.58/-19.11.98/-23.9垂向位移/mm0.1560.2330.3110.389支撐層縱向應力/MPa-10.5-12.8-14.6-16.2橫向應力/MPa0.61/-6.430.91/-9.461.21/-12.91.5/-16.1垂向應力/MPa0.74/-6.41.10/-9.641.48/-12.91.85/-16.7垂向位移/mm0.0900.1350.1790.225注:表中應力為正表示受拉,為負表示受壓;位移為正表示與坐標軸方向相同,為負表示方向相反

表3 溫降荷載作用下軌道結構受力變形計算結果

由表3可知，隨著溫度的下升，軌道板整體受力呈遞減的趨勢。

5 結果分析

由上述計算結果可知，對無砟軌道施加整體溫升荷載和溫降荷載，兩種工況下獲得的計算結果數(shù)值相同，符號相反，因此可知該軌道結構在兩種工況下的受力特性具有相似的規(guī)律。

溫升荷載下，軌道結構應力方向與結構位移方向在縱向上具有一致性。縱向應力、橫向應力和垂向應力隨著結構溫度的增加而增大，且縱向應力大于橫向應力與垂向應力。軌道結構在位移上呈現(xiàn)上拱的趨勢且縱向存在較大的壓應力。實際工況中，如果溫度升高幅度較大時，軌道有可能發(fā)生中部上拱失穩(wěn)破壞，且兩軌道結構接觸縫處的混凝土可能發(fā)生受壓破壞。

溫降荷載下，軌道結構縱向承受較大的拉應力，并且隨著溫度的降低而增大。實際工況中，如果軌道板受到拉應力大于混凝土抗拉強度則會發(fā)生收拉破壞，而接觸縫處的粘結能力較低，在溫度較低的環(huán)境下，接觸縫處極其容易發(fā)生收拉開裂，因此接觸縫處為軌道結構的薄弱部位。

基于以上分析，本文提出關于CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工的幾點建議：

1)支承層連續(xù)攤鋪，連續(xù)軌道板地段支承層應每隔5.2 m左右設1處橫向伸縮假縫。伸縮假縫位置應在兩軌枕的正中間設置，避免伸縮假縫位置處于軌枕塊的下方。

2)支承層采用C20混凝土時，混凝土在攪拌、運輸和澆筑過程中不應發(fā)生離析。

3)道床板架立混凝土模板時，應充分濕潤軌枕混凝土，精確調(diào)整軌距、水平、方向后，方可進行道床板及底座混凝土灌注。

4)混凝土達到設計強度的70%前，禁止在道床板上行車及碰撞軌枕。

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Analysis on ballastless track structure stress deformation under integral temperature effect

Feng Yang

(Haixia(Fujian)TransportationEngineeringDesignCo.,Ltd,Fuzhou350000,China)

The paper introduces the components and application status of CRTSⅠ-style ballastless track, establishes track structure model by applying ABAQUS finite element software, and studies the stress deformation properties of CRTSⅠ-style ballastless track under integral temperature effect, which has provided some guidance for maintenance and repairing measures.

ballastless track, temperature effect, stress deformation property, track structure model

1009-6825(2017)13-0149-02

2017-02-26

馮 洋(1989- )，女，碩士，助理工程師

U213.244

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