王新明

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武昌 430061)

重載鐵路以其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為一些國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常重要的物資運(yùn)輸手段[1?4]，尤其是對(duì)于那些物資需要長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)的國(guó)家[5]，如中國(guó)、美國(guó)和巴西等國(guó)重載鐵路運(yùn)輸更是顯得十分重要[6]。為了盡可能加大重載鐵路的運(yùn)量，各國(guó)一直在不斷提高列車軸重。目前美國(guó)、澳大利亞等國(guó)重載貨車軸重大都提高到32.5~35.7 t之間[7]，也正在研究和試驗(yàn)軸重為39 t的重載鐵路的可行性[8]，相比而言，我國(guó)大秦線軸重僅僅是25 t左右[9]，而新建成的山西中南部鐵路通道設(shè)計(jì)軸重也不過(guò)才 30 t[10]，正在修建的蒙華鐵路的軸重也只有30 t，這與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距是相當(dāng)明顯的[11]，提高軸重將是我國(guó)重載鐵路今后發(fā)展的趨勢(shì)之一。在重載鐵路的運(yùn)輸過(guò)程中，隨著列車的軸重增加，軌道結(jié)構(gòu)的損壞較以往嚴(yán)重，尤其是重載鐵路沿線上不同軌道結(jié)構(gòu)形式之間連接處自然成為了其薄弱處[12]，這是因?yàn)樗鼈儎偠鹊牟町?，?dǎo)致在荷載的作用下不同軌道結(jié)構(gòu)形式之間產(chǎn)生了不同程度的沉降差[13]，從而使得這些部位的損壞較普通的鐵路區(qū)段更加嚴(yán)重[14]，隨著我國(guó)重載鐵路軸重的提高，使得過(guò)渡段的問(wèn)題變得尤為突出。因此，對(duì)于重載鐵路軌道過(guò)渡段的性能進(jìn)行分析，以了解超重載軌道過(guò)渡段破損的機(jī)理與防治措施，提高重載鐵路運(yùn)行的安全性。本文以柘溪水電站過(guò)壩軌道系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究設(shè)計(jì)軸重高達(dá)45 t過(guò)渡段處理措施。在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)超重載軌道過(guò)渡段的橡膠~橋梁鋼板組合緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證了其適用性，為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1　工程概況

1.1　工程現(xiàn)狀

湖南柘溪水力發(fā)電站過(guò)壩滑道升船機(jī)系統(tǒng)為資江上運(yùn)輸船安全通過(guò)電站大壩服務(wù)。升船機(jī)系統(tǒng)由如下幾部分組成：上、下游斜坡軌道、供承船車行走的平面段軌道，轉(zhuǎn)盤及岔道、上下游引航道、卷?yè)P(yáng)機(jī)房及其它附屬建筑物和機(jī)電設(shè)備。過(guò)壩的載貨船只進(jìn)入承船車，而承船車又坐落在斜架車上，斜架車由纜繩牽引從上(下)游的水中逐漸上升到壩頂，然后承船車進(jìn)入壩頂軌道和轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤改變承船車的方向以后，承船車然后從轉(zhuǎn)盤軌道上進(jìn)入下(上)游的另外一個(gè)斜架車上，由纜繩牽引逐漸下移，進(jìn)入下(上)游的水中，完成載貨船只的過(guò)壩的過(guò)程。其設(shè)計(jì)極限運(yùn)行能力按照180 t計(jì)算(其中承船車重40 t，船貨共重140 t)，2個(gè)轉(zhuǎn)向架，設(shè)計(jì)軸重為45 t，屬于超重載貨車。

該升船機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)行工作狀態(tài)，造成了岔道地段部分軌道已經(jīng)下沉2~4 cm，尤其是不同軌道形式之間的過(guò)渡段處，在長(zhǎng)期超重載的沖擊作用下軌道結(jié)構(gòu)破壞情況十分嚴(yán)重。鋼架轉(zhuǎn)盤與平臺(tái)軌道的過(guò)渡段，圖中平臺(tái)軌道下端安裝有鋼板頂托，鋼板通過(guò)焊接在其上的十多根插入軌下混凝土路基的鋼筋固定，該鋼板頂托的作用即是起到減緩重載沖擊下鋼軌下部混凝土路基的破壞的作用，但是這些過(guò)渡段的處理并不能滿足實(shí)際需要。實(shí)際上，過(guò)渡段軌道的磨損比較大，基礎(chǔ)部分破壞也比較嚴(yán)重。

1.2　過(guò)渡段設(shè)計(jì)

為了滿足提高過(guò)壩能力的要求，對(duì)軌道過(guò)渡段進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以滿足改造后超軸重(45 t)承船車在過(guò)渡段平穩(wěn)運(yùn)行的要求。該過(guò)渡段分為2部分：轉(zhuǎn)盤部分和陸地部分，其中轉(zhuǎn)盤部分的剛度和整個(gè)轉(zhuǎn)盤的剛度一致，比較大，在承船車的作用下，軌道的豎向變形比較小，因此可以不考慮軌道的豎向沉降；而陸地部分，由于軌道的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地基的剛度，所以在軌道的接口處，豎向變形比較大。同時(shí)在承船車通過(guò)接口處時(shí)，由于地基部分軌道豎向沉降較大，使得接口處軌道的磨損較大。為了減少過(guò)渡段的磨損和提高承船車運(yùn)行的平穩(wěn)性，對(duì)地基部分的過(guò)渡段以增加其彈性變形為主，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。

圖1　連接處端部1.2 m范圍內(nèi)橫剖面圖Fig. 1　Cross section map of connection point in 1.2 m

圖2　整體縱向剖面圖Fig. 2　Longitudinal profile of whole join point

在設(shè)計(jì)中，需要校核橡膠板的強(qiáng)度在各種工況條件下是否滿足要求，然后進(jìn)行理論分析，對(duì)過(guò)渡段受力狀況進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，研究影響變形的各種因素。

設(shè)計(jì)參數(shù)

1) 輪載：承船車有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，軸距為0.94 m，取安全系數(shù)1.2后的單輪壓為F=270 kN；

2) 橡膠墊板在靜荷載作用下，許用應(yīng)力σc=(2~5)Δ；在短時(shí)間沖擊荷載的作用下，許用應(yīng)力σc=(1.5~5)Δ；其中Δ=(4~5)G，G為橡膠剪切模數(shù)，約為0.5 N/mm2。因此，設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力為σc=1.5×4G=3 MPa；橡膠的彈性模量E=0.007 8 GPa。

圖3　工況1Fig. 3　Working condition 1

圖4　工況2Fig. 4　Working condition 2

工況 1：承船車的一個(gè)車輪剛駛上平臺(tái)過(guò)渡段(見(jiàn)圖3)，此時(shí)橡膠墊板承受壓力為：

工況 2：承船車雙輪駛?cè)肫脚_(tái)過(guò)渡段鋼板上后(見(jiàn)圖4)，橡膠墊板承受的壓力為：

工況3：承船車雙輪駛?cè)雸D6所示區(qū)域(軌下無(wú)鋼板)后(見(jiàn)圖5)，橡膠墊板承受壓力為：

上述計(jì)算表明，橡膠墊板所受壓力均小于其許用應(yīng)力3 MPa，其安全性滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

圖5　工況3Fig. 5　Working condition 3

2　數(shù)值模擬仿真分析

2.1　有限元軟件簡(jiǎn)介

本文應(yīng)用大型商業(yè)有限元數(shù)值計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析[15]，該軟件可以分析比較復(fù)雜的固體力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，擁有相當(dāng)廣泛的模擬能力以及十分強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以較好的模擬和解決相當(dāng)復(fù)雜的高度非線性問(wèn)題。

2.2　有限元模型及模擬方案

平臺(tái)過(guò)渡段組合結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分為圖 6。在運(yùn)行過(guò)程中，承船車速度較小(僅0.6 m/s)，平臺(tái)過(guò)渡段所承受的是一個(gè)超低頻的沖擊作用，屬于瞬態(tài)動(dòng)力相應(yīng)范疇，故采用 ABAQUS軟件的瞬態(tài)動(dòng)力分析模塊，得出荷載作用過(guò)程中模型內(nèi)部應(yīng)力變化過(guò)程，從中提取最大的反應(yīng)值，即為此刻混凝土內(nèi)部應(yīng)力狀況，對(duì)比不同情況下的模擬計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論，從而為實(shí)際工程的提供參考。

圖6　數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig. 6　Numerical model grid division

3.3　參數(shù)選取

3.3.1材料參數(shù)

橡膠參數(shù)：密度0.9 g/mm3，泊松比0.47，彈性模量參數(shù)分別?。?，5，10，15以及20 MPa，厚度分別為：10，20，30，40以及50 mm進(jìn)行分析計(jì)算。

混凝土參數(shù)：密度2 400 kg/m3，彈性模量2.95×1010Pa，泊松比0.2。

混凝土損傷塑性模型所定義的混凝土的壓縮特性和拉伸特性，分別見(jiàn)表3和表4。

表1　鋼板參數(shù)Table 1　Steel plate parameters

表2　混凝土損傷塑性模型參數(shù)Table 2　Parameters of plasticity model of concrete damage

表3　混凝土損傷塑性模型中壓縮特性Table 3　Compression properties of plasticity model of concrete damage

表4　混凝土損傷塑性模型中拉伸特性Table 4　Tensile properties of plasticity model of concrete damage

2.3.3荷載參數(shù)

升船機(jī)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)時(shí)，承船車對(duì)過(guò)渡段的荷載作用時(shí)間為0.2 s，由于鋼板、橡膠及混凝土是通過(guò)預(yù)埋件進(jìn)行連接，相互之間的摩擦應(yīng)該是能量損失的主要因素，根據(jù)以往模擬經(jīng)驗(yàn)，取 5%為一階振型的臨界阻尼，承船車在平臺(tái)段上的極限荷載輪壓為22.5 t，取安全系數(shù)1.2后的單輪壓為F=270 kN。

2.4　模擬結(jié)果分析

為了考察過(guò)渡段受載后瞬態(tài)力學(xué)反應(yīng)，特提取5個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖7。)。

2.4.1橡膠彈性模量對(duì)過(guò)渡段處理的影響

橡膠不同彈性模量對(duì)過(guò)渡段的影響見(jiàn)圖 11~15，ABAQUS中規(guī)定：壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正。無(wú)橡膠鋼軌底部有1層10 mm厚30 mm寬的鋼板時(shí)各點(diǎn)應(yīng)力見(jiàn)表5。

圖7　數(shù)值計(jì)算點(diǎn)位置圖Fig. 7　Location map of point of numerical calculation

圖8　不同橡膠彈性模量下點(diǎn)1應(yīng)力值Fig. 8　Point 1 stress value of different elastic modulus of rubber

表5　無(wú)橡膠一層鋼板時(shí)各點(diǎn)應(yīng)力值Table 5　Stress values on the lacations only one steel and no-rubber

從表5及圖8~12，可以得到如下結(jié)果：

1) 設(shè)置平臺(tái)過(guò)渡段由橋梁鋼板、橡膠和混凝土構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)后，混凝土中各點(diǎn)應(yīng)力值均有一定的減小，由此可見(jiàn)，組合結(jié)構(gòu)在一定程度上減小了荷載對(duì)軌下混凝土的作用；

2) 設(shè)置組合結(jié)構(gòu)后承受壓應(yīng)力的點(diǎn)1，2和5的應(yīng)力值均有所減小，但是幅度不大，故而組合結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土受壓影響不大；

3) 設(shè)置組合結(jié)構(gòu)后承受拉應(yīng)力的點(diǎn) 3應(yīng)力值減小到未設(shè)置時(shí)的應(yīng)力值的50%，同樣受拉應(yīng)力作用的點(diǎn)4的應(yīng)力值也比未設(shè)置時(shí)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，組合結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土中拉應(yīng)力的減小作用相當(dāng)明顯，而混凝土受拉能力較低，一般混凝土都是受拉破壞，因此組合結(jié)構(gòu)對(duì)緩解混凝土的破壞有一定的作用；

4) 隨著橡膠彈性模量的增加，混凝土中無(wú)論壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力都有一定程度的增加，從1 MPa到20 MPa，應(yīng)力值增幅大者是點(diǎn)1和點(diǎn)5均增大了1倍，值得注意的是這兩點(diǎn)都是承受壓應(yīng)力的，故而可知橡膠彈性模量對(duì)混凝土受壓的影響較受拉的影響大。

圖9　不同橡膠彈性模量下點(diǎn)2應(yīng)力值Fig. 9　Stress values on point 2 of different elastic modulus of rubber

圖10　不同橡膠彈性模量下點(diǎn)3應(yīng)力值Fig. 10　Stress values on point 3 of different elastic modulus of rubber

圖11　不同橡膠彈性模量下點(diǎn)4應(yīng)力值Fig. 11　Stress values on point 4 of different elastic modulus of rubber

5) 在計(jì)算模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，橡膠彈性模量過(guò)小時(shí)橡膠網(wǎng)格會(huì)發(fā)生破壞，究其原因是橡膠本身特性：可以承受大變形但是體積幾乎不減小，故而在橡膠彈性模量較小時(shí)荷載作用后會(huì)發(fā)生軌道方向的位移，進(jìn)而導(dǎo)致其與鋼板間的連接破壞，會(huì)影響組合結(jié)構(gòu)的整體性，據(jù)此本工程平臺(tái)過(guò)渡段處理中采用了彈性模量為10 MPa的橡膠。

圖12　不同橡膠彈性模量下點(diǎn)5應(yīng)力值Fig. 12　Stress values on point 5 of different elastic modulus of rubber

2.5.2橡膠厚度對(duì)過(guò)渡段處理的影響

從表5及圖13~17，可以得到如下結(jié)果：

1) 混凝土中各點(diǎn)應(yīng)力值在設(shè)置平臺(tái)過(guò)渡段由橋梁鋼板、橡膠和混凝土構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)后都有部分的減小，因此平臺(tái)段過(guò)渡段上平臺(tái)車荷載對(duì)軌下混凝土的作用因?yàn)榻M合結(jié)構(gòu)的存在而有所減?。?/p>

2) 點(diǎn)1，2和5承受壓應(yīng)力的值在設(shè)置組合結(jié)構(gòu)后承受壓應(yīng)力后都有一定程度的減小但是幅度不大，故而組合結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土受壓影響不是十分明顯；

3) 點(diǎn) 3所承受的拉應(yīng)力的值在設(shè)置組合結(jié)構(gòu)后減小到未設(shè)置時(shí)的應(yīng)力值的一半，同樣受拉應(yīng)力作用的點(diǎn)4的應(yīng)力值也比未設(shè)置時(shí)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，由此可知混凝土中拉應(yīng)力因組合結(jié)構(gòu)的作用而減小的相當(dāng)明顯，眾所周知的是，受拉情況下混凝土更容易破壞，即一般混凝土構(gòu)件都是受拉破壞，因此對(duì)與緩解混凝土的破壞設(shè)置組合結(jié)構(gòu)時(shí)有一定的作用；

4) 隨著橡膠厚度的增加，混凝土中無(wú)論壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力都有一定程度的減小，從10 mm到50 mm，但是各點(diǎn)的降幅不大，最大的為點(diǎn) 2在橡膠彈性模量為20 MPa時(shí)降幅為27%。

5) 分析ABAQUS處理結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，橡膠厚度過(guò)大時(shí)，組合結(jié)構(gòu)后期會(huì)有一定程度的回彈，此回彈效應(yīng)在橡膠彈性模量較小時(shí)尤是明顯，故此在本工程平臺(tái)過(guò)渡段處理中采用的橡膠厚度為30 mm。

圖13　不同橡膠厚度下點(diǎn)1應(yīng)力值Fig. 13　Stress values on point 1 of different thickness of rubber

圖14　不同橡膠厚度下點(diǎn)2應(yīng)力值Fig. 14　Stress values on point 2 of different thickness of rubber

圖15　不同橡膠厚度下點(diǎn)3應(yīng)力值Fig. 15　Stress values on point 3 of different thickness of rubber

圖16　不同橡膠厚度下點(diǎn)4應(yīng)力值Fig. 16　Stress values on point 4 of different thickness of rubber

圖17　不同橡膠厚度下點(diǎn)5應(yīng)力值Fig. 17　Stress values on point 5 of different thickness of rubber

3　結(jié)論

1) 模擬混凝土結(jié)構(gòu)受壓時(shí)，采用混凝土損傷塑性模型有一定的精確性，能夠較準(zhǔn)確的反應(yīng)荷載作用。

2) 橡膠在荷載作用下能夠發(fā)生較大的變形，但是其體積的難以壓縮性，使得其在密閉條件下彈性模量有較大提高，進(jìn)而在本過(guò)渡段的組合結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了較好的作用，使得部分應(yīng)力有較大幅度的降低。

3) 本過(guò)渡段的設(shè)置對(duì)緩解荷載瞬態(tài)動(dòng)力影響有一定的作用，主要體現(xiàn)在混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力值的降低。

4) 橡膠的彈性模量對(duì)過(guò)渡段組合結(jié)果的作用有一定的影響，即彈性模量越小混凝土內(nèi)部應(yīng)力越低，由于橡膠彈性模量過(guò)小時(shí)橡膠網(wǎng)格會(huì)發(fā)生破壞，本工程平臺(tái)過(guò)渡段處理中采用了彈性模量為10 MPa的橡膠。

5) 隨著橡膠厚度的增加，混凝土中無(wú)論壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力都有一定程度的減小，橡膠厚度過(guò)大時(shí)，組合結(jié)構(gòu)后期會(huì)有一定程度的回彈，此回彈效應(yīng)在橡膠彈性模量較小時(shí)尤為明顯，故此在本工程平臺(tái)過(guò)渡段處理中采用的橡膠厚度為30 mm。

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