齊春雨

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通勘察設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300142)

自流平混凝土由水泥、砂石、摻和料、超塑化劑等混合配制而成,加水拌和后即可泵送施工。它具有良好的流動(dòng)性,在自重作用下能夠自流平,自密實(shí),具有良好的均勻性和穩(wěn)定性,在流態(tài)時(shí)不泌水,不起泡,硬化后體積穩(wěn)定性好,不產(chǎn)生收縮裂縫；初凝時(shí)間較長(zhǎng),終凝時(shí)間較短,具有較高的早期強(qiáng)度；表面較為平整、耐磨性好；與基層材料黏結(jié)力較強(qiáng)。可節(jié)約勞力以及施工費(fèi)用,提高施工效率和質(zhì)量,加快工程進(jìn)度,特別適應(yīng)于大面積的板下灌注。

CRTSⅡ型板式無砟道岔是一種新型的無砟道岔結(jié)構(gòu)形式,國(guó)內(nèi)第一次使用在京津城際高速鐵路上,并在隨后的京滬高速鐵路上獲得了廣泛使用。CRTSⅡ型板式無砟道岔在施工過程中,需要向無砟道岔板下灌注自流平混凝土,由于施工、材料等系列原因,可能會(huì)導(dǎo)致自流平混凝土灌注局部不密實(shí)；運(yùn)營(yíng)期間在列車荷載長(zhǎng)期作用下,這些潛在的缺陷可能劣化,乃至將導(dǎo)致道岔板與自流平混凝土之間出現(xiàn)脫層、局部出現(xiàn)空隙現(xiàn)象,在脫層以及出現(xiàn)空隙的部位會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致脫層在橫縱向快速擴(kuò)展,影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力,進(jìn)而影響列車運(yùn)行的舒適性以及安全性。對(duì)此,加強(qiáng)施工管理是必須的,但是什么樣的缺陷將會(huì)產(chǎn)生多大的應(yīng)力集中,需要針對(duì)不同的工況,建立合理的力學(xué)模型進(jìn)行定量分析。

1 CRTSⅡ型板式無砟道岔區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CRTSⅡ型板式無砟道岔區(qū)無砟軌道自上而下由以下部分組成：道岔、扣件、道岔板、底座(自流平混凝土層)和找平層,其中找平層采用C25混凝土,不配筋,混凝土厚度為13 cm；道岔板鋼筋混凝土厚24 cm,其上設(shè)置300 mm寬、縱向間距為60 cm的橫向承臺(tái),承臺(tái)表面水平；承臺(tái)間的道岔板表面設(shè)置0.5%的橫向排水坡以及橫向預(yù)裂縫,預(yù)裂縫深4 cm。道岔板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55,設(shè)置HRB335級(jí)鋼筋,工廠預(yù)制。底座厚度為180 mm。底座混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,采用流動(dòng)性好的混凝土(自流平混凝土)現(xiàn)場(chǎng)澆筑,在道岔板與底座兩端間設(shè)置一定量的剪力筋。如圖1，圖2所示。

圖1 等待灌注自流平混凝土的道岔板

圖2 岔區(qū)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面

2 分析工況及其假設(shè)簡(jiǎn)化

為了分析自流平混凝土填充不密實(shí)對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)的具體影響情況,在存在空隙的道岔板正上方施加垂向荷載,分析軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中情況,假設(shè)在鐵路經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)后,鋼軌正下方的道岔板與自流平混凝土之間存在0.2 m×0.2 m、0.3 m×0.3 m、0.4 m×0.4 m、0.6 m×0.6 m大小的規(guī)則的不密實(shí)區(qū)域,自流平混凝土空隙位置如圖3所示。在灌注自留平混凝土?xí)r,正常不會(huì)出現(xiàn)0.4 m×0.4 m大小的空隙,只有在經(jīng)過列車運(yùn)行一段時(shí)間后空隙旁邊的混凝土在列車荷載的碾壓作用下,會(huì)變成散粒體,從而形成更大的空隙。假定出現(xiàn)空隙的道岔板為18號(hào)高速無砟道岔中的一塊,尺寸為6 m×2.7 m×0.24 m。

圖3 道岔板填充不密實(shí)平面簡(jiǎn)圖

3 分析模型與主要參數(shù)

本文利用大型有限元軟件ANSYS,計(jì)算分析18號(hào)高速無砟道岔板下自流平混凝土填充局部不密實(shí)的工況下,無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力情況。所建有限元模型中鋼軌用beam4梁?jiǎn)卧M,扣件用combin14彈簧單元模擬,道岔板用solid65體單元模擬,自流平混凝土填充密實(shí)部分用combin14彈簧單元模擬,為減小相鄰道岔板的影響,有限元分析模型中縱向取3塊道岔板,假設(shè)左右兩邊道岔板的自流平混凝土填充完好,只有中間一塊道岔板局部出現(xiàn)填充不密實(shí)情況。分析模型中找平層底部全部約束,模型如圖4所示,計(jì)算參數(shù)如表1所示。列車垂直荷載為125 kN。

圖4 計(jì)算模型側(cè)面簡(jiǎn)圖

表1 主要計(jì)算參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)受力分析(圖5、圖6、表2)

圖5 第一主應(yīng)力比較

圖6 第三主應(yīng)力比較

表2 各工況軌道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力 MPa

從圖5、圖6中可以看出,當(dāng)?shù)啦戆迮c自流平混凝土之間的空隙小于0.3 m×0.3 m時(shí),并沒有出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中；當(dāng)空隙大小為0.4 m×0.4 m時(shí),開始產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域開始擴(kuò)展;當(dāng)空隙為0.6 m×0.6 m時(shí),軌道板應(yīng)力集中已十分明顯,且應(yīng)力集中區(qū)域較大。圖5、圖6的(c)中空隙大小為0.4 m×0.4 m,從該部分圖形中可以看出,空隙處與填充完全的混凝土邊界處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,圖5(c)中應(yīng)力集中邊界處兩邊的第一主應(yīng)力分別為1.10 MPa、0.28 MPa,應(yīng)力集中較為明顯；同時(shí)在圖5(c)中,軌道結(jié)構(gòu)的左邊鋼軌處道岔板與自流平混凝土之間填充密實(shí),右邊的對(duì)稱位置處存在不密實(shí)的填充區(qū)域,兩者在軌道結(jié)構(gòu)的橫向形成對(duì)比,顯然右邊部分應(yīng)力集中區(qū)域較大。圖5、圖6的(d)圖中空隙大小為0.6 m×0.6 m,由于道岔板與自流平混凝土之間的空隙較大,其應(yīng)力集中區(qū)域范圍較上一種工況更大,圖5(d)中應(yīng)力集中邊界處兩邊的第一主應(yīng)力分別為1.11、0.37 MPa。表2為各工況軌道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值,從表中可以看出,隨著道岔板與自流平混凝土之間空隙的增大,主應(yīng)力也相應(yīng)增大。因此當(dāng)列車在無砟道岔結(jié)構(gòu)上運(yùn)行長(zhǎng)久后,自流平混凝土填充層中較小的不密實(shí)區(qū)域慢慢演變?yōu)檩^大的空隙,空隙處將產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致空隙沿縱向與橫向快速擴(kuò)張,軌道與道岔板變形會(huì)迅速增長(zhǎng),因此必須提前采取相關(guān)維護(hù)措施。

5 結(jié)語

當(dāng)自流平混凝土在一定范圍內(nèi)填充不密實(shí)時(shí),在列車垂直荷載作用下會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域隨著填充空隙的增大而迅速劣化,需要進(jìn)行快速且有效地軌道結(jié)構(gòu)維護(hù)工作,防止在列車荷載作用下,道岔板與自流平混凝土之間的分層現(xiàn)象迅速沿著軌道橫縱向擴(kuò)展。

自流平混凝土配合比設(shè)計(jì)是底座板灌注能否順利、會(huì)否出現(xiàn)不密實(shí)缺陷的關(guān)鍵,必須嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書施工。施工前必須進(jìn)行嚴(yán)格的原材料選擇和充分的室內(nèi)試驗(yàn),以及大量的仿真模擬灌注試驗(yàn)。包括放樣、綁扎鋼絲、吊裝道岔板及按照現(xiàn)場(chǎng)的灌注工藝,灌注自流平混凝土,直至混凝土擴(kuò)張度、和易性、強(qiáng)度等性能穩(wěn)定。施工過程中對(duì)找平層的高程和平整度要進(jìn)行嚴(yán)格控制,找平層必須進(jìn)行相應(yīng)的拉毛處理,保證找平層與自流平混凝土之間具有足夠的摩擦力。同時(shí)在灌注自流平混凝土之前必須檢查中間扣壓裝置與側(cè)向扣壓裝置,防止道岔板在澆筑自流平混凝土后產(chǎn)生過大的上浮量。

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