整體道床無砟軌道現澆道床板新老混凝土黏結面應力分析

王會永，閆紅亮

(鐵道第三勘察設計院，天津 300142)

現澆整體道床式無砟軌道具有軌道穩定性高、結構耐久性強、維修工作量少和技術相對成熟的優點。但由于現場澆注混凝土道床板易出現裂縫，在新澆注道床板混凝土和預制好的已經達到混凝土齡期的軌枕混凝土黏結面上出現裂縫幾率比較多。德國的整體道床無砟軌道結構從最初的長軌枕埋入式到雙塊式的改進，最終形成現在雷達2000型雙塊式無砟軌道，每一次改進都減少了軌枕中已達齡期的混凝土和現澆道床板新混凝土之間的接觸面積，使新老混凝土之間的黏結更加緊密，從而增加軌道的可靠度和穩定性。由此可見，軌枕的結構形式對新老混凝土黏結面應力的發展有至關重要的作用，研究其中的影響對改進現有的軌道形式和開發新的軌道結構有重要意義。

1 計算模型

1.1 熱—結構耦合分析模型的實現

熱應力問題是熱和應力兩個物理場之間的相互作用，屬于耦合場分析問題，與其他耦合場的分析方法類似，一般有兩種方法來實現:直接法和間接法。

直接法是指直接采用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時得到熱分析和結構應力分析的結果;間接法是指先進行熱分析，然后通過程序將求得的單元節點溫度作為體載荷施加到結構應力分析中。本文采用間接法，以大型有限元軟件ANSYS為平臺，進行編程二次開發建立耦合場模型，這種方法由于有精確的溫度場作為條件，求得的熱應力也接近實際，比現在常用的單純對結構進行升溫和降溫計算要更精確。

熱—結構耦合分析實現流程為:模型建立→定義熱單元→溫度場分析→單元轉換→溫度應力分析。

1.2 模型加載及邊界條件

1)加載確定。混凝土的早期裂縫大多是在混凝土澆注過程中產生的水化熱造成的，時間一般為從澆注到混凝土達到標準強度28 d之內，新老混凝土的結合面抗拉強度較低，很容易在混凝土澆注過程中在早期熱應力作用下發生開裂。本文分析了道床板從澆注開始至28 d內新老混凝土黏結面的溫度應力變化，以第28d黏結面的應力狀態作為判斷依據。混凝土早期熱分析中單元生熱率作為體力加載，其隨時間的變化曲線見圖1。

圖1 混凝土澆注水化熱釋放速率

2)初始邊界條件。預制軌枕及HGT層的初始溫度為16.5℃，道床板混凝土開始澆注初始溫度是40℃，空氣溫度為20℃，水硬性支承層HGT層底部與路基之間絕熱，裸露在外面的混凝土與空氣產生對流，對流系數為 60 kJ/(m2·℃·h)。

2 計算參數

本文考慮到軌枕、支承層、道床板混凝土配合比相差不大，采用同一個配合比對其熱力學參數進行估算，具體配合比及各組成成分熱力學性能見表1。道床板混凝土澆注后養護過程中彈性模量隨齡期變化，養護溫度取22℃，彈性模量隨齡期變化曲線見圖2。

表1 混凝土配合比及材料熱學性能

圖2 混凝土早期彈性模量發展

3 計算結果及分析

本文以縱向長枕整體道床無砟軌道為例，研究軌枕在不同長度、寬度、厚度及枕縫寬度對黏結面應力的影響。道床板寬2.8 m，厚260 mm，長度根據不同工況可變。

為了具有可比性，在分析不同尺寸軌枕對新老混凝土黏結面的影響時，改變某一尺寸，其余軌枕尺寸均相同。每一種分析工況下的研究對象相同，都為混凝土澆注后第28 d時新老混凝土內側縱向黏結表面，測點設置見圖3。圖3(b)為新老混凝土內側枕角位置的殘余剪應力點，圖3(c)為道床板中間位置橫向黏結表面，其余斷面和位置點作為參考分析點在本文不作介紹。

圖3 縱向長枕道床板示意

由圖4可知，軌枕長度的改變對枕角剪應力的發展影響不大，這幾種軌枕長度工況下，大小約為0.24 MPa。B-B黏結面上在枕縫處拉應力突然降低，在黏結面處拉應力變化平緩，軌枕越長，拉應力平滑線越長，但當軌枕長度>1.8 m時，此黏結面上的拉應力影響變得不明顯。軌枕長度對C-C黏結面應力影響不明顯。

圖4 軌枕長度對黏結面應力狀態的影響

分析圖5可知，在改變軌枕寬度的情況下，枕角G剪應力隨齡期發展差異不大，應力值比較接近。降低枕寬對縱向B-B黏結面有較大影響，軌枕寬越窄，縱向黏結面的拉應力越小，近似成線性遞增，增加的幅度約為0.08 MPa。枕寬對橫向黏結面C-C最大拉應力也有明顯影響，軌枕越寬黏結面上的拉應力就越小，其原因是軌枕過窄會引起橫向黏結面的點約束，造成其上拉應力的增加。由此可知，枕寬對縱橫向黏結面拉應力均有影響，且影響的趨勢相反，需要對寬度進行合理設置。

分析圖6可知，軌枕厚度的變化與殘余剪應力成反比，軌枕厚度增加使得28 d齡期時枕角G殘余剪應力增大，增加幅度約為0.02 MPa/50 mm。軌枕過薄可能對其縱向黏結面受拉產生不利影響，不過在實際設計中為了滿足強度要求，軌枕也不可能很薄，因此厚度對縱向黏結面的影響可忽略不計。在滿足軌枕強度條件下，減小枕厚對黏結面受力有利，從雷達雙塊軌枕的發展過程可以對此進一步驗證。

圖5 軌枕寬度對黏結面應力狀態的影響

圖6 軌枕厚度對黏結面應力狀態的影響

圖7 枕縫對黏結面應力狀態的影響

分析圖7可知，枕縫寬度設置在一定范圍內時，對枕角G剪應力，縱橫向黏結面內拉應力均有影響，寬度增大，會增大枕角剪應力和枕端縱向黏結面內的拉應力，但會降低橫向黏結面內的拉應力。因此在一定扣件間距內，枕縫要有個合理的設置。

4 結論

整體道床在澆注過程中軌枕的具體結構對新老混凝土黏結面內的應力狀態影響是比較大的，在對軌枕結構的設計時需要考慮這些因素。軌枕尺寸各個因素對黏結面內的應力狀態影響也不盡相同，本文計算結果對軌枕尺寸各個因素對黏結面內應力狀態的影響做了一個定性總結，見表2。

表2 軌枕結構對新老混凝土黏結面應力影響

通過以上的計算和分析，本文得出以下結論:

1)軌枕過短或過窄，會引起縱向或橫向黏結面內較大的拉應力值。

2)枕寬設置對縱橫向黏結面內拉應力均有影響，枕寬增加對縱向黏結面內拉應力產生不利影響，而對橫向黏結面內的拉應力有利，設計時需要合理設置其寬度。

3)軌枕厚度過小時對縱向黏結面內拉應力產生不利影響，厚度大約在100 mm以上時影響不顯著;厚度增加明顯對枕角剪應力產生不利影響。

4)枕縫寬的設置對黏結面內應力狀態影響也比較顯著，枕縫寬過小會顯著增大橫向黏結面內拉應力，但減小枕縫寬似乎對枕角剪應力和枕端縱向黏結面的拉應力有利。

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