現澆道床板彈性模量變化對結構的影響分析

蓋曉野，張麗平，趙坪銳

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

長枕埋入式無砟軌道的軌枕為預制，而道床板是現澆，現澆混凝土的彈性模量及強度隨時間逐漸增長(與預制軌枕的增長不同步)，可能會對結構產生一定的影響，本文著重分析了彈性模量變化對結構的影響。

1 彈性模量隨時間的增長規律

彈性模量反映了混凝土受力后的應力—應變性質，表達了混凝土的一種變形性能。本文采用模式規范(CEB-FIP MC90)中的公式來計算混凝土齡期內的彈性模量為

式中，Ec為齡期t=28 d時的混凝土彈性模量;s取決于水泥品種，普通水泥和快硬水泥取為0.25，快硬高強水泥取為0.20;t為齡期。

現澆混凝土取 C40，其28 d齡期彈性模量 Ec=3.25×104MPa，在齡期內，按照上面的公式進行計算，混凝土的彈性模量如表1所示。

2 彈性模量的變化對結構的影響分析

由于現場施工，現澆混凝土收縮及溫度變化的影響，軌枕與道床板結合面處容易產生裂縫。下面將分別對軌枕與道床板間開裂與不開裂兩種情況進行計算分析。

2.1 軌枕與道床板不開裂

采用ANSYS軟件進行建模計算，建立了包括軌枕和道床板的簡化模型。計算采用較長的軌枕(3.3 m)，模型如圖1所示(以下各圖中，X方向代表橫向，Y方向代表豎向，Z方向代表縱向)。

表1 不同齡期的混凝土彈性模量

圖1 埋入式岔枕的有限元模型

模型中軌枕和道床板采用 solid 65進行模擬，承軌面采用surf 154進行劃分。在進行受力計算分析時，取三向受力狀態，考慮豎向力為2×140 kN，縱向力考慮到在豎向力作用下扣件縱向阻力的增大，取2×60 kN計算，橫向力按70 kN考慮，作用在軌枕一側，荷載施加位置如圖2所示。計算結果如圖3～圖8所示。

圖3 彈性模量對結構拉應力的影響

圖4 彈性模量對結構壓應力的影響

圖5 彈性模量對結構位移的影響

圖6 橫向應力云圖

圖7 豎向應力云圖

圖8 縱向應力云圖

由以上分析可得，當軌枕與道床板黏結良好，沒有出現裂縫時，彈性模量變化對結構正應力影響很小，對結構負應力影響很小，對結構位移影響很小。橫向最大拉應力為1.016 MPa，發生在荷載作用面處;橫向最大壓應力為1.589 MPa，發生在荷載作用面處。豎向最大拉應力為0.321 MPa，發生在荷載作用面邊緣處;豎向最大壓應力為1.783 MPa，發生在荷載作用面處。縱向最大拉應力為0.677 MPa，發生在荷載作用面處;縱向最大壓應力為1.503 MPa，發生在荷載作用面處。應力值均在混凝土的容許應力范圍內，混凝土的工作應力狀態在線彈性階段，此時結構是安全可靠的。

2.2 軌枕與道床板開裂

采用ANSYS軟件進行建模計算，建立了包括軌枕和道床板的簡化模型。計算采用較長的軌枕(3.3 m)。模型中軌枕和道床板采用 solid 65進行模擬，承軌面采用surf 154進行劃分。軌枕側面與軌道板采用面面接觸單元，摩擦系數取0.5。在進行受力計算分析時，取三向受力狀態，考慮豎向力為2×140 kN，縱向力考慮到在豎向力作用下扣件縱向阻力的增大，取2×60 kN計算，橫向力按70 kN考慮，作用在軌枕一側，模型如圖9所示，受力如圖10所示。計算結果如圖11～圖16所示。

圖9 埋入式岔枕有限元模型

圖10 模型三向力作用示意

圖11 彈性模量對結構拉應力的影響

圖12 彈性模量對結構壓應力的影響

圖13 彈性模量對結構位移的影響

圖14 橫向應力云圖

由以上的分析可得，當軌枕側面與道床板黏結不良時，隨著彈性模量的增加，結構拉應力增大，其中縱向拉應力增加明顯;結構壓應力增大，增加趨勢平緩;結構位移變化很小。橫向最大拉應力為7.642 MPa，發生在軌枕中間位置，最大壓應力為7.832 MPa，發生在荷載作用處;豎向最大拉應力為1.474 MPa，發生在軌枕邊緣處，豎向最大壓應力為4.072 MPa，發生在荷載作用處;縱向最大拉應力為3.552 MPa，發生在軌枕邊緣處，縱向最大壓應力為9.643 MPa，發生在荷載作用處;最大位移為0.389 mm，為豎向位移。由于軌枕與道床板黏結不良，結構不能很好地保持整體性，從而使橫向拉應力和縱向拉應力超出混凝土允許拉應力值，軌枕將產生橫向和縱向裂縫，這對結構是不利的。

3 結論

當軌枕與道床板黏結良好，即沒有產生裂縫時，道床板彈性模量變化對結構的應力和位移影響很小，結構的應力都在混凝土的允許范圍內，在線彈性范圍內工作，此時結構是安全可靠的;當軌枕與道床板黏結不良，即軌枕側面與道床板之間出現裂縫時，隨著道床板彈性模量的增加，結構拉、壓應力都增加，其中橫向和縱向拉應力超出混凝土的允許值，軌枕將產生橫向和縱向裂縫，這對結構是不利的。由此可見，結構的性能在開裂后比開裂前差，所以應盡量控制裂縫的產生與發展。

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