黃驊港三期裝船機軌道斷裂原因分析

程 林 孫治林 嚴加寶 劉 超

(1.天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300452； 2.神華黃驊港務有限責任公司，河北 滄州 061000； 3.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

1 概述

黃驊港三、四期泊位工程裝船機軌道在運行不長的時間內，出現了裂縫、甚至斷裂的情況，現場調查發現還出現鋼軌下部膠泥層損壞下沉、膠墊板擠出的現象。統計發現鋼軌大多數破壞形式為彎曲型斷裂，其次為剪切型和接頭發生破壞。嚴重影響了港口的安全生產和效益發揮。以此為背景，從上部荷載、下部支撐系統、軌道自身狀況的角度分析軌道斷裂原因，尤其是通過現場測試鋼軌在裝船機正常工作下的應力應變，以文科勒地基模型為基礎，建立實時輪壓的修正計算公式，從鋼軌受力不均勻性影響給出裝船機軌道斷裂的原因分析，為類似工程鋼軌設計和選型提供技術參考。

2 裝船機軌道系統

2.1 軌道設計方案

神華黃驊港三、四期工程裝船機軌道總長約1 080 m，每120 m設置一處伸縮縫，全段共設置9處，成品標準軌長12 m，每12 m處采用焊接方式將兩節軌道焊接連接形成無縫軌道。軌道型號為QU100，扣板采用GANTREX系統中專用柔性扣板。軌道設計方案如圖1所示。

2.2 裝船機基本參數

裝船機最大輪壓：420 kN/450 kN(工作狀態/非工作狀態)；

運行速度為30 m/min(15.2 r/min)；

工作級別：M7；

車輪直徑：D=630 mm；

車輪材料：42CrMo。

3 軌道斷裂情況

鋼軌主要的破壞模式有彎曲型斷裂、鋼軌表面磨損、接頭破壞等。現場鋼軌典型破壞形態如圖2所示。

其中，彎曲型斷裂形式數目占破壞數的近85%。

4 斷裂原因分析

4.1 軌道自身原因

米國發等[1]提出鋼軌中的非金屬夾雜物對疲勞裂紋萌生有較大的促進作用，裂紋常常出現在非金屬夾雜物的附近，夾雜物的材性與軌道母材不同，在溫度變化時，軌道與夾雜物的熱膨脹性能存在差異，母材和夾雜物的交界處便會產生拉應力，導致夾雜物與母材之間形成空穴。夾雜物形狀對應力集中系數的影響較大，因此對疲勞裂紋萌生也有較大的影響。

4.2 輪壓分配不均勻

4.2.1文科勒地基模型

文科勒地基模型見圖3。

文克勒地基上梁的基本撓曲微分方程為:

(1)

當分布荷載q=0時，式(1)變為齊次四次系數線性微分方程：

(2)

(3)

其中，λ為梁的柔度特征值，量綱為(長度)-1，λ值與地基的基床系數和梁的抗彎剛度有關，λ值越小，則基礎的相對剛度越大。令:

(4)

其中，L為特征長度，若L越大，則梁對地基的相對剛度越大，根據梁的劃分原則鋼軌可以看做無限長梁。

短梁：

有限長梁：

(5)

無限長梁：

l>πL

對于無限長梁，在集中力F0作用下，其撓度ω，轉角θ，彎矩M及剪力V的計算如表1所示。對于承受多個集中荷載的無限長梁上任意截面的內力時，可分別計算各荷載單獨作用時在該截面引起的效應，然后疊加得到共同作用下的總效應，注意在每一次計算時，均需要把坐標原點移到相應的集中荷載作用點處。

表1 無限長梁內力計算表

4.2.2截面彎矩計算

現場進行監測，采集裝船機經過時的實時應變。裝船機經過時，軌道處于彈性工作狀態，滿足平截面假定。鋼軌截面沿高度等分成多份，量測每一份的面積，根據軌頂和軌底應變算出截面曲率，根據曲率確定應變，根據應力應變關系求出平均應力，根據應力平衡和彎矩平衡條件，對中性軸取矩，求出截面彎矩，如圖4所示。

4.2.3輪壓分配

裝船機驅動輪布置情況如圖5所示，軌頂軌底應變見圖6，裝船機輪壓分布見圖7。

結合裝船機參數表和計算出的裝船機輪壓分布圖，22.5%的 輪子超過了正常工作時允許的最大輪壓420 kN。最大輪壓為469.6 kN，超出允許最大輪壓12%。輪壓分配不均勻的原因來自于兩方面：下部支撐系統產生不均勻沉降，某些區域地基破壞嚴重，軌道發生較大變形；裝船機自身荷載分配不均勻。輪壓過大，導致軌道拉壓疲勞的應力幅值增大，根據N—S曲線，如圖8所示，軌道使用壽命降低。

4.3 下部支撐系統的不均勻沉降

高程測量結果如圖9所示，兩軌橫向局部最大高差為30.26 mm。由于軌道不均勻沉降，軌道產生彎曲變形，如圖10所示，“曲弓波”效應導致焊縫底部受壓，頂部受拉。在反復的疲勞荷載作用下，對焊接接頭產生“撕裂效應”，接頭下邊緣最先斷裂后向上擴展，最終形成貫通裂縫而斷裂。

除此以外，下部膠泥存在氣泡也會對膠泥的抗剪性能造成影響。實驗室內進行膠泥的承載力實驗，控制氣泡大小，結果如圖11所示。

施工過程中調平鋼板下方膠泥中產生氣泡，導致應力集中，造成膠泥劈裂破壞，孔洞率從0%增加到1.6%，2.7%，3.6%，膠泥抗壓承載力從80.68 MPa分別下降到73.24 MPa，71.72 MPa，67.58 MPa，下降幅度分別為9%,11%，16%。施工過程中應盡量避免膠泥中存在孔洞；孔洞的存在，會導致裂縫的開展從孔隙處萌生，造成地基沉降變形。

5 結語

1)鋼軌主要的破壞模式有彎曲型斷裂、鋼軌表面磨損、接頭破壞等，其中彎曲型斷裂占85%。2)鋼軌中的非金屬夾雜物對疲勞裂紋萌生有較大的促進作用，裂紋常常出現在非金屬夾雜物的附近。3)裝船機自身荷載分配不均勻。輪壓過大，導致軌道拉壓疲勞的應力幅值增大，軌道使用壽命降低。4)軌道不均勻沉降，軌道產生彎曲變形，軌道在拉壓往復的疲勞狀態，焊接接頭處產生“撕裂效應”，最終形成貫通裂縫而斷裂。5)施工過程中調平鋼板下方膠泥中產生氣泡，孔洞的存在，會導致裂縫的開展從孔隙處萌生，造成地基沉降變形。