CRTS Ⅰ型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究
2022-01-13
来源:小奈知识网
・线路/路基・ CRTS I型轨道板中部砂浆离缝对轨道 竖向变形与受力研究 杨俊斌,刘学毅,梁 东,代 丰 (西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031) 摘 要:以CRTS I型轨道板中部砂浆离缝为研究内容,采用有限单元法,建立该型轨道结构的弹性地基梁一板模 型,分析不同长度和高度的离缝对轨道竖向位移及应力变化情况,结果表明:离缝长度变化较高度变化对轨道结构 的竖向变形及应力影响要大;离缝长度在1个扣件间距(0.6 m)范围内时,长度一定,高度的变化对轨道结构的变 形及受力几乎没有影响;离缝长度不大于1 m时,高度大于0.42 mm后,离缝区域轨道板处于完全脱空状态。建议 在对板中离缝进行养护维修时,应将防止离缝长度的发展作为主要工作,并将轨道板应力作为衡量离缝对轨道板 影响的主要指标。 关键词: CRTS I型板;离缝;CA砂浆;扣件上拔力;轨道板拉应力 中图分类号:U213.2 4 文献标识码:A 文章编号:1004—2954(2013)06~0022—03 The Influence on Track Vertical Deformation and Stress State Caused by Seamed Mortar Layer in the Middle of CRTS—I Track Slab YANG Jun—bin,LIU Xue—yi,LIANG Dong,DAI Feng (MOE Key Laboratory of High—speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China) Abstract:The seam between the track slab of CRTS—I and CA mortar was taken as the research object. By means of the finite element method,the beam—shell model on elastic ̄undation of the track structure was established to analyze the vertical displacements and stress variations which could be caused by the seams of different lengths and heights.The result indicates that the influence of seam length is stronger than that of seam height on the vertical deformation and stress state of the track.And then,when the seam length is smaller than or equal to one fastener interval(0.6m),with the unchanged seam length, the change of the seam height almost has no effect on the deformation and stress state of track structure. Besides,with the seam length not more than 1 m and the seam height more than 0.42m,the track slab in the seamed region has been completely in a void state.Finally,it is suggested that preventing the development of seam length should be considered as the main task while maintaining the seam in the middle of track slab,and the stress state of track slab should be regarded as the main index to evaluate the effeat of the seam on track slab. Key words:CRTS-I slab;seam;CA mortar;uplift force of fasteners;tension stress of track slab CRTS I型无砟轨道因其结构简单、施工方便、维 CRTS I型无砟轨道投入运营时间较短,因此,目前关 修便易等特点 ,在我国多条客运专线均有较长里程 的铺设。在实际使用过程中,由于CA砂浆材料自身 性质、自然环境的影响、温度梯度引起的轨道板的翘曲 以及列车荷载的共同作用 ,轨道板与CA砂浆层接 触面局部区域出现了分离现象,即离缝。 离缝是无砟轨道特有的结构不平顺,由于我国 收稿日期:2012—10—22; 修回日期:2012—12—03 作者简介:杨俊斌(1979-- ),男,讲师,博士研究生。 于列车动荷载作用下离缝的发展规律以及离缝对轨道 结构的耐久性及稳定性的影响程度等问题均未有较明 确的认识。本文以轨道板中部与CA砂浆层间的离缝 现象为研究内容,以离缝不同长度及高度的组合表示 离缝的不同发展阶段,分析了离缝对轨道结构的竖向 位移及受力影响,可为以后更深入的了解这一现象对 轨道结构以及列车运行的不良影响提供一定的理论 参考。 铁道标准设计RA/LWAY STANDARD DESIGN 2013(06) 22 杨俊斌,刘学毅,梁 东,等一cRTs I型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究 1 分析模型的建立 1.1 CRTS l型板式轨道模型 采用有限单元法,建立了如图1所示的包括钢 轨一扣件系统一轨道板一cA砂浆层一混凝土底座等 主要结构的CRTS I型板式无砟轨道弹性地基梁一板 模型。 图1 CRTS l型板式无砟轨道弹性地基梁一板模型 在建立的弹性地基梁一板模型中,钢轨采用 CHN60轨,弹性模量取为2.1×10“Pa,泊松比取为 0.3,用空间梁单元模拟。扣件系统采用线性弹簧单元 模拟,竖向支承刚度取为60 kN/mm,阻尼系数取值为 60 kN・s/m 。轨道板采用空间板单元模拟,长、宽、 高分别为4.9、2.4、0.19 in,混凝土强度等级为C50,弹 性模量取3.5×10 Pa,泊松比为0.2。CA砂浆层在非 离缝区域采用线性弹簧单元模拟,离缝区域采用非线 性弹簧单元模拟,且定义为仅受压弹簧单元,离缝效果 通过定义非线性弹簧单元的力一位移曲线来实现 , 图2为离缝高度为2.5 mm时,离缝区非线性弹簧的 力一位移曲线图。CA砂浆层厚0.05 ITI,弹性模量取为 300 MPa。混凝土支承层采用空间板单元模拟,宽、厚 分别为2.4、0.2 in,弹性模量取为3.0X10 Pa,泊松比 为0.2。 位移/mm } 一3 —2 一l ( I 1 2 3 | / / 堇一2o } / 一40 图2 非线性弹簧单元的力一位移曲线图示 1.2车辆动荷载 一般情况下,在进行轨道结构动力学分析时都建 立列车一线路耦合动力学模型。建立列车模型主要以 获得轮轨垂向力为目的,同时可计算列车的振动加速 度和轮重减载率等指标。由于轨道板下离缝一般仅有 2~3 mm高(过高的离缝会及时得到修复),且离缝区 域范围有限(一般仅为单一轨道板底出现80~120 am 长度),所以,列车动荷载作用下,离缝现象对列车平 铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(06) ・线路/路基・ 稳性及舒适性的不良影响有限,但却会使离缝位置轨 道板出现应力集中,加剧轨道板及CA砂浆的破坏。 基于以上原因,由于本文只分析离缝对轨道结构的受 力及变形影响,因此,将钢轨上承受的列车动荷载用图 3所示的列车荷载时程曲线来表示 ,该曲线对应的 列车时速为350 km。 250 200 150 Z 1oo 50 0 50 0 2O 4O 60 80 10O 时间/ms 图8 列车荷载时程曲线 2 轨道性能评价指标的确定 选用扣件上拔力及轨道板拉应力这2个参数作为 离缝对轨道结构性能影响的评价指标。扣件上拔力是 钢轨产生向上的挠曲位移时,扣件系统的扣压件受到 的向上作用力。扣件上拔力是扣件系统设计的重要参 数,在保证列车运行时钢轨的稳定性方面起着重要作 用 。参考VOSSLOH300扣件的上拔力容许值,本文 扣件上拔力的容许值取为18 kN 。无砟轨道板拉应 力容许值按照现行混凝土设计规范中的公式[or ]= 确定。式中:r为}昆凝土构件的截面抵抗矩塑性影 响系数 为混凝土静载作用下的轴心抗拉强度。本 文中[ ]取为4.418 MPa¨ 。 3计算工况的确定 在调查中发现,轨道板与CA砂浆层间的离缝高 度一般仅有2~3 mm,离缝长度一般在2个扣件间距 内。因此,离缝长度从0.2~1.2 In,按照0.2 in的增幅 分为6种工况,其中,0.6 in及1.2 In的工况代表离缝 长度为1、2个扣件间距(本文弹性地基梁一板模型中 扣件间距为0.63 Il1);离缝高度从0.5~2.5 mm,按照 0.5 mm的增幅分为5种工况,将确定的离缝长度及高 度工况进行组合后,共计30种工况。 4计算结果分析 4.1 离缝长度≤1个扣件间距 从表1可知,板中离缝长度≤1个扣件间距时,长 度一定,离缝高度从0.5 mm增加到2.5 mm时,钢轨、 扣件及轨道板的竖向变形及受力几乎没有变化。高度 一定,离缝长度从0.2 In增加到0.6 1TI时,钢轨、扣件 及轨道板的竖向变形及受力均有所增加。说明离缝长 度的变化对轨道结构的影响较高度的变化要大。 23 线路/路基・ 杨俊斌,刘学毅,梁 东,等一cRTs I型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究 ・表1 不同离缝高度及长度条件下轨道结构主要参数 计算结果(离缝长度≤1个扣件间距) 板中离缝长度≤1个扣件间距时,表2中的15种 工况的扣件上拔力及轨道板拉应力均没有超过限值标 准。扣件的上拔力最大值为6.024 kN,该值与18 kN 的限值标准差距较大,轨道板的最大拉应力为3.88 MPa,该值与4.418 MPa的限值标准已经比较接近,说 明在这15种工况中,离缝高度及长度的变化对扣件的 正常使用不会有太大影响;轨道板的纵、横向拉应力值 虽然增幅不大,但已接近限值标准,若离缝长度及高度 再有所增加,则轨道板的纵、横向拉应力值将先后超过 限值,使得轨道板表面出现开裂。 4.2 离缝长度>1个扣件间距 从表2中可知,离缝长度不大于1.0 m时,离缝高 度的变化对钢轨、扣件、轨道板的竖向位移及受力几乎 没有影响。 当离缝长度>1.0 m后,以高度1.0、1.5 mm为界, 除轨道板纵向拉应力外,其余计算参数的变化都保持 同一规律,即高度<1.0 mm时,钢轨、扣件、轨道板的竖 向位移及拉应力均随离缝高度的增加而增加,离缝高 度大于1.0 mm小于1.5 mm时,钢轨、扣件、轨道板的 竖向位移及应力均随高度的增加而减小;当离缝高 度>1.5 mm后,钢轨、扣件、轨道板的竖向位移及拉应 力与高度为1.5 mm时的计算值保持一致。产生这一 结果的原因是当离缝长度由1.0 m增大到1.2 m后, 离缝区域轨道板板底与CA砂浆的接触形式发生了变 化。图4、图5分别为板中离缝长度为1.0、1.2 m时, 不同高度条件下,轨道板沿长度方向上的竖向变形情 况。从图4可知,5种离缝高度条件下,板中竖向最大 位移均为0.42 mm,说明列车荷载作用下,轨道板中部 底面未与CA砂浆层接触,离缝区域轨道板底面处于 24 完全悬空状态(从表2、表3板中下沉位移数据可知,当 离缝长度≤1.0 m时,板中底面均处于完全悬空状态)。 而从图5可知,离缝长度等于1.2 m时,当高度等于 0.5、1.0 mm时,板中下沉位移分别为0.58、1.2 mm,说 明这两种工况下,列车荷载作用下,离缝区域轨道板底 部与CA砂浆层接触。当离缝高度>1.5 mm后,板中下 沉位移保持1.3 mm不变,说明离缝区域轨道板底在离 缝高度>1.3 mm后处于完全悬空状态。 表2 不同离缝高度及长度条件下钢轨及轨道板 主要参数结果(离缝长度>1个扣件间距) 吕 足 轨道板长/m 图4轨道板竖向位移(离缝长=1.0 m) 当离缝长度大于1个扣件间距后,扣件上拔力最 大值为13.973 kN,表3中的l5种工况扣件上拔力均 未超过要求。而轨道板的纵、横向拉应力值均超过限 值标准,尤其是纵向应力随离缝长度、高度的增加而增 长很快,轨道板横向应力虽然在离缝高度>1.0 mm后, 有所回落,但是仍然超过拉应力限值标准。 5 结论 (1)离缝长度变化较高度变化对钢轨、扣件、轨道 板的竖向变形及受力影响要大,因此日常养护维修工 (下转第64页) 铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(06) ・桥 梁・ 康 炜一梁桁组合结构在客运专线桥梁中的应用分析 设计《晋陕黄河特大桥》专题报告[z].西安:中铁第一勘察设计 院集团有限公司,2010. [2] 黄河勘测规戈4设计有限公司.新建铁路大同至西安客运专线黄河 特大桥防洪评价报告[z].郑州:黄河勘测规划设计有限公 司,2010. 现场进行局部切割安装,从目前现场实施情况来看,安 装方案有效可行,对实测情况反向进行计算验证,与原 设计差距微小,属可控误差范围之内。 6 结语 聂建国.钢一混凝土组合结构原理与实例[M].北京:科学出版 大西客运专线晋陕黄河大桥主桥采用2×108 1TI单 T刚构加劲钢桁组合结构,该结构满足黄河水利委员 会3 km多主河槽内净跨不小于100 In的规定,实现了 社,2009. 加 加 徐强,万水,等.波形钢腹板Pc组合箱梁桥设计与应用[M].北 京:人民交通出版社,2009. 主桥3 km以上范围等跨布置的要求,景观效果良好; 满足轨道结构对桥梁温度联长的控制要求,避免了温 康炜.大西客运专线晋陕黄河特大桥主桥桥式方案比选[J].铁道 标准设计,2011(S):52—57. 康炜.大西客运专线晋陕黄河特大桥主桥结构设计分析[J].铁道 标准设计,2011(S):58—60. 中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—20O5铁路桥涵钢筋混凝 度调节器的使用;加劲钢桁有效改善梁端转角及徐变 上拱值,保证了无砟轨道结构的平顺性;主梁结构高度 减小极大地改善了地震效应;主梁大悬臂法施工无需 土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版 社,2005. 在主河道搭设支架或临时支墩降低了施工难度;该结 构完全适用于高速铁路桥梁,在高速铁路需多跨且等 跨跨越的河流及需大跨跨越且结构高度受限的环境中 有较为明显的优势。 参考文献: [1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路大同至西安线初步 n l[8] 中华人民共和国铁道部.TB 10020--2009高速铁路设计规范 (试行)[S].北京:中国铁道出版社,2009. [9] 严国敏.现代斜拉桥[M].成都:西南交通大学出版社,2000. [10] 金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践[M]. 北京:人民交通出版社,2001. (上接第24页) 作中,要将减缓甚至防止离缝长度的发展作为主要 工作。 O 参考文献: [1] 赵国堂.高速铁路无砟轨道结构[M].北京:中国铁道出版社, 2006:55—56. 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