李忠繼，林紅松，顏　華，楊吉忠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都　610031)

?

重載預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕放張破壞及對策研究

李忠繼，林紅松，顏華，楊吉忠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

摘要:采用傳統(tǒng)的模具進(jìn)行有擋肩預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕生產(chǎn)時(shí)，在放張脫模過程中出現(xiàn)擋肩掉塊、軌枕開裂等現(xiàn)象。為了研究這種軌枕放張過程中軌枕的破壞機(jī)理及其對策，通過3D接觸關(guān)系構(gòu)建了軌枕—模具相互作用模型，分析了放張脫模過程中軌枕受力及其破壞形式。同時(shí)，提出了采用復(fù)合模具來降低放張脫模過程中承軌槽的應(yīng)力，以減少軌枕破壞。計(jì)算結(jié)果顯示:采用鋼模，在放張預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)會造成軌枕承軌槽位置的第一主應(yīng)力超過了混凝土的抗拉極限，在實(shí)際生產(chǎn)中在承軌槽位置可能會出現(xiàn)開裂。采用復(fù)合模具，原危險(xiǎn)位置的第一主應(yīng)力降低至混凝土抗拉強(qiáng)度以下，可保證軌枕的正常脫模。

關(guān)鍵詞:重載鐵路預(yù)應(yīng)力軌枕放張破壞復(fù)合模具

重載鐵路有擋肩預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕因抗裂性要求高，而需要提供更大的預(yù)應(yīng)力，卻給軌枕放張脫模造成了困難。預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕加工過程可以分為三個(gè)階段;第一階段為張拉鋼筋，使其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力、并安裝箍筋螺旋筋及橡膠隔板;第二階段為混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)，此階段中隨著混凝土的硬化，鋼筋與混凝土固結(jié)為一體;第三階段為放張和脫模，在放張過程中鋼筋的預(yù)應(yīng)力將引起混凝土軌枕的變形，從而使混凝土軌枕與鋼模之間在沿著預(yù)應(yīng)力鋼筋方向出現(xiàn)位移，引起承軌槽和鋼模之間的作用力增大，這對軌枕擋肩極為不利，在實(shí)際中經(jīng)常引起擋肩裂縫或掉塊［1-2］。此前，業(yè)內(nèi)多在混凝土軌枕的堆放受力、截面抗力、設(shè)計(jì)計(jì)算和疲勞耐久性等方面開展研究［3-5］，但對混凝土脫模力學(xué)性能的理論分析尚鮮有報(bào)道。

為此本文對預(yù)應(yīng)力鋼筋放張過程引起的軌枕受力變化進(jìn)行受力分析。利用有限元方法建立預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕模型。對軌枕施加相應(yīng)的邊界條件，利用降溫法來模擬實(shí)現(xiàn)鋼筋放張收縮過程，求解混凝土軌枕關(guān)鍵位置的受力狀況，最后依據(jù)第一強(qiáng)度理論對混凝土軌枕的強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)和分析?；诶碚摲治鼋Y(jié)果提出了模具改進(jìn)方案并對方案進(jìn)行了力學(xué)性能驗(yàn)證。

1　預(yù)應(yīng)力軌枕放張模型

1. 1有限元模型

所建預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕模型沿著軌枕長度方向?yàn)閄軸，軌枕寬度方向?yàn)閆軸，軌枕高度方向?yàn)閅軸。其中混凝土采用四面體單元，共60 119個(gè)單元。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用梁單元，共計(jì)1 740個(gè)單元。鋼筋和混凝土之間采用嵌入式約束連接，以確保鋼筋在放張過程中將力傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土和鋼筋的材料屬性如表1所列。

表1材料屬性

1. 2邊界條件

預(yù)應(yīng)力鋼筋放張時(shí)，混凝土軌枕會呈現(xiàn)沿X方向收縮，并向周邊膨脹的趨勢;但此時(shí)軌枕受到鋼模的作用，使得這種膨脹受到約束?；炷淋壵淼氖湛s趨勢首先會引起軌枕表面與鋼模表面黏結(jié)力的增大，但當(dāng)突破了黏結(jié)力極限后，黏結(jié)力又會逐步失效。最終使得鋼模和軌枕之間主要表現(xiàn)為摩擦力。這就導(dǎo)致鋼模和軌枕之間的X方向作用力向承軌槽擋肩位置集中，即在軌枕擋肩位置施加沿著X方向位移約束?？紤]到在預(yù)應(yīng)力鋼筋放張完畢后，鋼模和軌枕間的黏結(jié)力已降至較低水平，在計(jì)算中忽略兩者的黏結(jié)力。故按照本方法計(jì)算出的承軌槽受力會較實(shí)際偏大，評價(jià)結(jié)果也偏于保守。

1. 3預(yù)應(yīng)力放張模擬方法

采用等效降溫法來模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋放張收縮。降溫法是利用鋼的熱脹冷縮的特性，通過在有限元模型中對鋼筋單元施加相應(yīng)的溫度場荷載，達(dá)到使鋼筋受冷收縮產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的目的。

所計(jì)算的混凝土軌枕共配置12根直徑7 mm的鋼筋，總張拉力500 kN，單根鋼筋張拉力為41. 67 kN，鋼筋截面積為38. 47 mm2，則鋼筋界面平均應(yīng)力為1. 083 kN/mm2，鋼筋的彈性模量為2. 0×105MPa，彈性材料的應(yīng)變公式為

故鋼筋在張拉后的線應(yīng)變?yōu)?. 504 1×10－2，取鋼筋的熱膨脹系數(shù)α= 1. 0×10－5/℃。

為了達(dá)到與張拉同樣的線應(yīng)變，需要降低的溫度為

2預(yù)應(yīng)力軌枕放張受力結(jié)果

在放張后軌枕的第一主應(yīng)力云圖如圖1所示，拉應(yīng)力區(qū)集中在軌枕端部和承軌槽兩側(cè)。模型中鋼筋和軌枕之間采用了嵌入式綁定接觸，而在實(shí)際中放張后在軌枕端部鋼筋和混凝土間將會發(fā)生一定的微滑移。因此實(shí)際中軌枕端部的表面拉應(yīng)力會略小。在承軌槽兩邊凹槽處出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力達(dá)到2. 8 MPa，超過了C80混凝土抗拉極限。故在實(shí)際中可能出現(xiàn)局部開裂或掉塊。

圖1承軌槽第一主應(yīng)力云圖(單位: MPa)

圖2Ⅲ型軌枕承軌槽第一主應(yīng)力云圖(單位: MPa)

為了對比驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，計(jì)算了Ⅲ型枕的脫模力學(xué)性能。圖2為Ⅲ型枕的應(yīng)力云圖，可見在Ⅲ型枕承軌槽位置未出現(xiàn)明顯的高應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于C60混凝土的抗拉極限強(qiáng)度2. 04 MPa，這表征Ⅲ型枕在脫模過程中能夠保證擋肩位置正常脫模不發(fā)生開裂，這與實(shí)際相符。

3　復(fù)合模具放張分析

3. 1計(jì)算模型

為了解決重載軌枕脫模問題，提出采用復(fù)合模具。復(fù)合模具包含軌枕外形模具和承軌槽模具兩部分。其中軌枕外形模具采用鋼材，承軌槽模具采用彈性模量較低的材料。承軌槽模具和外形模具之間采用螺栓連接。承軌槽位置材料彈性模量為混凝土彈性模量的一半，即18 GPa?？紤]到軌枕結(jié)構(gòu)和邊界條件的對稱性，只建立軌枕和模具的1 /4模型，如圖3。承軌槽位置各部分的網(wǎng)格尺寸為10 mm，其他位置為30 mm，除鋼筋外各部件均采用四面體單元。軌枕和模具之間的作用關(guān)系采用接觸模擬，共設(shè)置9個(gè)接觸對。承軌槽模具和外形模具間采用綁定約束來模擬螺栓連接。對外形模具的底面采用固定位移約束的邊界，軌枕和模具的各剖切面上施加相應(yīng)的對稱性邊界條件。

圖3模具組成

3. 2計(jì)算結(jié)果

圖4為采用復(fù)合模具軌枕放張預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，軌枕的第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果?？梢姴捎脧?fù)合模具后承軌槽位置的應(yīng)力狀況得到了極大改善，第一主應(yīng)力最大值為0. 82 MPa，小于C80混凝土的抗拉強(qiáng)度，可以保證軌枕在脫模時(shí)不會出現(xiàn)裂縫。

圖4軌枕應(yīng)力云圖(單位: MPa)

此外，分別計(jì)算了承軌槽模具和外形模具在放張時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。承軌槽模具和外形模具的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在螺栓連接處。外形模具的最大應(yīng)力未超過鋼的強(qiáng)度極限，滿足使用要求。承軌槽模具的最大應(yīng)力為183 MPa(圖5)，因此在承軌槽模具應(yīng)選擇強(qiáng)度極限在183 MPa以上的材料。

圖5承軌槽模具應(yīng)力云圖(單位: MPa)

4　結(jié)論

研究分析了重載有擋肩預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕放張過程中軌枕的破壞機(jī)理及其對策?？傻玫饺缦陆Y(jié)論:

1)采用鋼模，在放張預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)會造成軌枕承軌槽位置的第一主應(yīng)力出現(xiàn)較大值，超過了C80混凝土的抗拉極限2. 2 MPa，在實(shí)際生產(chǎn)中在承軌槽位置可能會出現(xiàn)裂縫。

2)鋼和彈性材料組成的復(fù)合模具能夠顯著改善放張時(shí)承軌槽位置的應(yīng)力狀況，原危險(xiǎn)位置的第一主應(yīng)力降低至混凝土抗拉強(qiáng)度2. 2 MPa以下，能夠保證軌枕的正常脫模。

3)復(fù)合模具的最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓連接處，外形模具的最大應(yīng)力小于鋼的強(qiáng)度極限，承軌槽模具的材料應(yīng)滿足最大應(yīng)力183 MPa的要求。

參考文獻(xiàn)

［1］梁鳳慶．先張法預(yù)應(yīng)力軌枕裂紋產(chǎn)生原因及解決方案［J］．山西建筑，2009，35( 3) : 255-256．

［2］馬超，牛紅凱，竇慧娟．預(yù)應(yīng)力混凝土枕螺栓孔部位受力分析［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17( 1) : 10-13．

［3］李斌，劉學(xué)毅．混凝土軌枕抗力的影響因素及其計(jì)算方法研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2011，33( 6) : 94-98．

［4］尤瑞林，范佳，劉偉斌，等．30 t軸重重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計(jì)研究［J］．鐵道建筑，2015( 1) : 113-118．

［5］汪加蔚，白玲．預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的裂縫及結(jié)構(gòu)耐久性［J］．混凝土與水泥制品，2000( 2) : 27-31．

(責(zé)任審編孟慶伶)

Destruction of prestressed concrete sleeper for heavy haul railway during removing tensioning equipment and its countermeasures

LI Zhongji，LIN hongsong，YAN Hua，YANG Jizhong

( China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:W hen using the traditional mold for production of prestressed concrete sleeper used in heavy haul railway，sleeper cracking，bed retaining falling off and other damage during removing tensioning equipment may occurs．In order to study the destruction mechanism and countermeasures for prestressed concrete sleeper used in heavy haul railway concrete，a finite element model of the prestressed sleeper and mold was set up with a 3D contact model simulating the interaction between sleeper and mold．T he composite mold was used to reduce the stress of sleeper groove during demolding，and reduce the damage of the sleeper．T he results show that the adoption of steel mold will cause the first principal stress of rail groove greater than the tensile limit of concrete during removing tensioning equipment，and it may result in cracking at the bearing rail groove．By comparison，the adoption of composite mold may reduce the first principal stress of sleeper to be less than the tensile strength of concrete，ensuring a normal demolding．

Key words:Heavy haul railway; Prestressed sleeper; Release; Failure; Composite mold

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0136-03

作者簡介:李忠繼( 1983—)，男，工程師，博士。

收稿日期:2015-09-15;修回日期: 2015-11-12

中圖分類號:U213．3+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．32