歐陽(yáng)旋宇

高天隧道水害所致雙塊式無(wú)砟軌道受力特性分析

歐陽(yáng)旋宇

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

以貴廣高鐵高天隧道水害所致CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道道床板上拱為背景，利用ANSYS軟件建立隧道內(nèi)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型，考慮詳細(xì)的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于實(shí)際上拱變形情況，針對(duì)道床板上拱以及道床板上拱和列車荷載耦合作用下的軌道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：道床板混凝土最大縱向拉、壓應(yīng)力為1.14 MPa和1.70 MPa，均小于C40軸心混凝土抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；道床板鋼筋最大壓、拉應(yīng)力分別為6.07 MPa和5.99 MPa，遠(yuǎn)小于HRB335鋼筋屈服強(qiáng)度；正常運(yùn)營(yíng)條件下雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。研究成果為指導(dǎo)高天隧道恢復(fù)正常行車具有參考價(jià)值。

高速鐵路；隧道；CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道；上拱；受力特性

貴廣高鐵是目前云貴川最便捷的出海大通道，是連接“一帶一路”和實(shí)現(xiàn)珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶、中孟緬印經(jīng)濟(jì)走廊“互聯(lián)互通”的高速通道，大大縮短了西南地區(qū)與珠三角地區(qū)間的時(shí)空距離，增強(qiáng)了珠三角地區(qū)對(duì)貧困地區(qū)的輻射作用，優(yōu)化和完善了西部路網(wǎng)布局，提升了西南地區(qū)對(duì)外通道運(yùn)輸能力。2015年6月14日至7月2日期間，從江縣連降暴雨，降雨量比歷年同期高出4倍多。距貴廣鐵路高天隧道出口不遠(yuǎn)的肇興，7月1日夜間到2日白天的暴雨降水量高達(dá)106.8 mm。7月4日，添乘人員經(jīng)過(guò)高天隧道D3K273+032~D3K273+076時(shí)，發(fā)現(xiàn)輕微晃車。當(dāng)晚進(jìn)行CPⅢ精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)所采用的雙塊式無(wú)砟軌道[1?4]道床板與仰拱填充層離縫，上行軌面出現(xiàn)23.5 mm上拱，上拱段落長(zhǎng)41 m。高天隧道自2015年7月發(fā)生水害后，動(dòng)車立即限速運(yùn)行，時(shí)速遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h，嚴(yán)重影響了貴廣高鐵的正常運(yùn)營(yíng)。因此，對(duì)高天隧道水害整治段隧道和軌道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行分析和驗(yàn)算，研究高鐵動(dòng)車恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)速度的可行性，對(duì)于保證高天隧道的運(yùn)營(yíng)安全和貴廣高鐵全線正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。本文針對(duì)高天隧道雙塊式無(wú)砟軌道的受力特性展開(kāi)分析。

1 整治過(guò)程簡(jiǎn)介

根據(jù)鐵路總公司工管中心和成都鐵路局的指導(dǎo)意見(jiàn)，經(jīng)各參加搶險(xiǎn)單位共同論證，水害整治總體方案分為排水降壓、注漿加固和監(jiān)控量測(cè)3個(gè)階段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)整治效果、監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況等方面的相互驗(yàn)證，且自2015年7月水害發(fā)生以后，未發(fā)現(xiàn)影響安全運(yùn)營(yíng)的隧道和軌道病害，軌道幾何狀態(tài)較為穩(wěn)定?？梢哉J(rèn)為整治效果較好，但由于上拱地段軌道結(jié)構(gòu)高程產(chǎn)生了變化，導(dǎo)致道床板始終承受彎曲附加應(yīng)力，因此有必要對(duì)其受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.3 文獻(xiàn)篩選及資料提取 由2位研究者獨(dú)立進(jìn)行文獻(xiàn)篩選和資料提取，并交叉核對(duì)，如意見(jiàn)分歧，則討論解決或交由第三位研究者裁決，缺乏的資料應(yīng)盡量與原作者聯(lián)系予以補(bǔ)充。文獻(xiàn)篩選是首先閱讀標(biāo)題，在排除明顯不相關(guān)的文獻(xiàn)后，進(jìn)一步閱讀摘要和全文，以確定最終是否納入研究。資料提取內(nèi)容包括：①納入研究的基本信息，包括作者、發(fā)表時(shí)間、文獻(xiàn)來(lái)源等；②研究對(duì)象干預(yù)措施的具體細(xì)節(jié)；③偏倚風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素；④結(jié)局指標(biāo)和測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。

2 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力分析

高天隧道采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板等部分構(gòu)成。通過(guò)建立隧道內(nèi)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道有限元模型，考慮詳細(xì)的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)上拱以及軌道結(jié)構(gòu)上拱和列車荷載耦合作用下的軌道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)空間力學(xué)分析模型

鋼軌采用BEAM188單元模擬，道床板中鋼筋用LINK180桿單元模擬，道床板采用鋼筋混凝土單元SOLID65模擬，考慮道床板混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系，道床板和軌枕采用實(shí)體單元SOLID185模擬，鋼軌與道床板的扣件連接用線性彈簧單元COMBIN14模擬，采用連續(xù)均勻的非線性彈簧單元COMBIN39模擬基礎(chǔ)的豎向支承作用，定義其力-位移曲線，當(dāng)彈簧受拉時(shí)剛度為0。通過(guò)ANSYS的APDL建模功能可以得到隧道內(nèi)雙塊式無(wú)砟軌道模型，計(jì)算長(zhǎng)度取80 m，如圖1~4所示。

圖1 雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 道床板混凝土有限元模型

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

2.2.1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

圖3 道床板上層鋼筋網(wǎng)

圖4 道床板下層鋼筋網(wǎng)

圖5 混凝土彈性模量

一般在有限元中，常用的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變模型有2種：美國(guó)E.Hognestad建議的模型和德國(guó)Rüsch建議的模型[5]。本文有限元分析混凝土?xí)r混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升段采用文獻(xiàn)[6]規(guī)定的公式，下降段則采用E.Hognestad模型的處理辦 法，即：

課堂監(jiān)視主要是對(duì)學(xué)生上課期間的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，在日常的課堂學(xué)習(xí)時(shí)，由于各種原因包括但不限于玩手機(jī)、睡覺(jué)、思想開(kāi)小差等等行為。雖然學(xué)生在教室里，但是他們的狀態(tài)并不是在學(xué)習(xí)，他們的注意力并沒(méi)有放在學(xué)習(xí)內(nèi)容上。因此雖然人在教室，并沒(méi)有起到學(xué)習(xí)效果，浪費(fèi)了時(shí)間。利用Deep Learning的人臉識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)督，學(xué)生的眼睛是否盯著黑板，是否有低頭、伏案、左顧右盼等行為。發(fā)現(xiàn)這些不當(dāng)行為，及時(shí)予以提醒糾正，有效的提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果。

式中：c為峰值應(yīng)力(棱柱體極限抗壓強(qiáng)度)；0為相當(dāng)于峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變，取0.002；cu為極限壓應(yīng)變，取0.003 5。

理論分析中，鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用理想化的模型。在單向加載情況下，鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線被分為3個(gè)階段：彈性階段，屈服階段和強(qiáng)化階段。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，常把鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線理想化，對(duì)不同性能的鋼筋建立不同的應(yīng)力—應(yīng)變曲線數(shù)學(xué)模型：1) 雙直線模型適用于流幅較長(zhǎng)的低強(qiáng)度鋼材；2) 雙斜線模型可以描述沒(méi)有明顯流幅的高強(qiáng)度鋼筋或鋼絲的應(yīng)力—應(yīng)變曲線；3) 三折線模型可以描述流幅較短的軟鋼，要求它可以描述屈服后立即發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化，并能正確地估計(jì)高出屈服應(yīng)變后的應(yīng)力。

列車豎向荷載設(shè)計(jì)值取255 kN[11?12]，單軸雙輪作用于道床板上拱最大處。

按照規(guī)范計(jì)算和規(guī)定可分別求得=2，0=0.002，cu=0.003 5，上述曲線可用一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合以便輸入，本文采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬。

以上為在ANSYS中定義沿平行鋼筋方向和垂直鋼筋方向線性彈簧單元Combin14時(shí)需要的關(guān)系式。線性彈簧的彈簧剛度根據(jù)鋼筋與混凝土黏結(jié)滑移模型推導(dǎo)，模型中的Combin14單元能夠比較準(zhǔn)確的模擬鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移關(guān)系。

2.2.3 鋼筋與混凝土間的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

[3] 《李克強(qiáng)在第十九次中國(guó)-東盟領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議上闡述中方在南海問(wèn)題上的立場(chǎng)》，《人民日?qǐng)?bào)》2016年9月8日，第2版；《和平之海 友誼之海 合作之?！袊?guó)-東盟國(guó)家海上聯(lián)合搜救沙盤(pán)推演側(cè)記》，《中國(guó)水運(yùn)報(bào)》2016年9月28日，第5版。

鋼筋與混凝土間的黏結(jié)作用是保證鋼筋與混凝土共同受力，協(xié)調(diào)變形的工作基礎(chǔ)，黏結(jié)應(yīng)力與滑移變形之間的關(guān)系也是鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中最重要的本構(gòu)關(guān)系之一[7?10]。本文在建立模型時(shí)，在相應(yīng)位置上的鋼筋單元節(jié)點(diǎn)和混凝土節(jié)點(diǎn)之間，沿平行于鋼筋方向和垂直于鋼筋方向雙向布置，建立2個(gè)線性彈簧單元，并通過(guò)彈簧常數(shù)()定義彈簧的剛度。線性彈簧的彈簧系數(shù)式由鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型推導(dǎo)得到。

1)鋼筋與混凝土間縱向(平行于鋼筋方向)相互作用的本構(gòu)關(guān)系如下：

對(duì)于鋼筋混凝土有限元模型，黏結(jié)力與滑移量的關(guān)系如下：

式中：0為實(shí)測(cè)上拱最大失度23.5 mm；0為實(shí)測(cè)上拱段落長(zhǎng)度41 m。

由此可以得到縱向彈簧剛度系數(shù)：

該項(xiàng)目自開(kāi)車以來(lái)，黑水角閥在該工況下基本滿足使用要求，通過(guò)了東北極寒地區(qū)條件下的考驗(yàn)，在GE水煤漿煤氣化裝置中運(yùn)行狀況相對(duì)穩(wěn)定，為氣化爐的安全運(yùn)行提供了保障，從而保證了裝置安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期滿負(fù)荷的運(yùn)行。黑水角閥也存在著缺陷，仍有完善的空間，本文通過(guò)對(duì)黑水角閥閥芯、閥座的沖刷腐蝕和閥門(mén)氣蝕閃蒸的研究分析，提出了合理優(yōu)化方案，期望對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)提供參考性價(jià)值。

式中：為混凝土受拉彈性模量；n為鋼筋高度處混凝土梁的凈寬；為梁寬；為聯(lián)結(jié)單元沿鋼筋縱向的間距。

屋子里很快想起鼾聲。響屁連天。我們破天荒地睡了個(gè)懶覺(jué)，被李大頭喊起來(lái)時(shí)，天已完全亮了。我們提著褲子，急匆匆尋露天廁所。室內(nèi)的廁所不夠這么多人排泄。

一般認(rèn)為鋼筋混凝土構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)，鋼筋變形仍處于屈服階段。本文在保證精度的同時(shí)，簡(jiǎn)化了鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬。

2) 垂直于鋼筋方向的彈簧剛度可以采用下式計(jì)算：

2.3 材料參數(shù)選取

根據(jù)貴廣鐵路隧道地段CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，有限元建模中所采用的尺寸參數(shù)和材料物理參數(shù)如表1和表2所示。

2.4 荷載選取

計(jì)算時(shí)，分別考慮2種工況，即單獨(dú)考慮道床板上拱和道床板上拱與列車荷載耦合作用。對(duì)鋼軌下對(duì)應(yīng)道床板節(jié)點(diǎn)施加位移約束以模擬實(shí)測(cè)上拱曲線，根據(jù)實(shí)測(cè)道床板上拱情況，曲線模式取為：

色澤和硬度數(shù)據(jù)重復(fù)6次，其他均重復(fù)3次，結(jié)果以表示；數(shù)據(jù)處理采用SPSS 21.0及Origin 8.1軟件，Duncan's多重比較，顯著水平為P<0.05。

式中：為鋼筋的直徑；為聯(lián)結(jié)單元沿鋼筋縱向的間距。

浮萍家族的成員雖然都很微小，但卻有著較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，浮萍含有多種維生素和豐富的植物性蛋白，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可與黃豆媲美。

表1 模型尺寸參數(shù)

表2 有限元分析參數(shù)

2.2.2 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

2.5 計(jì)算結(jié)果及分析

2.5.1 道床板上拱計(jì)算結(jié)果及分析

當(dāng)僅考慮道床板上拱，通過(guò)有限元模型求解，可以得到道床板垂向變形曲線如圖6所示，道床板混凝土縱向應(yīng)力云圖如圖7所示，道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖6 道床板垂向變形曲線

圖7 道床板混凝土縱向應(yīng)力

圖8 道床板鋼筋應(yīng)力

結(jié)合圖8可知，當(dāng)隧道內(nèi)道床板發(fā)生上拱變形，道床板最大縱向拉應(yīng)力和最大縱向壓應(yīng)力分別為0.63 MPa和1.09 MPa，均小于C40軸心混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa和軸心混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa；混凝土未發(fā)生開(kāi)裂且道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為4.33 MPa和4.27 MPa，均遠(yuǎn)小于鋼筋屈服強(qiáng)度。

本文結(jié)果顯示引起肺癌患者院內(nèi)感染的病原菌多為耐藥條件的致病菌，其中以革蘭氏陰性菌為主，占(61.67%)，其次為革蘭氏陽(yáng)性菌(31.67%)，真菌占6.67%。我們所分離并觀察到的細(xì)菌前五類分別是銅綠假單胞菌，肺炎克雷伯菌，大腸埃希菌，鮑曼不動(dòng)桿菌，金黃色葡萄球菌。在真菌中，白色加絲酵母菌為主。與之前的報(bào)道結(jié)果一致[8-9]。在治療過(guò)程中，由于細(xì)菌的多樣性以及肺癌患者機(jī)體免疫力低下，所以抗感染治療選用廣譜抗菌素且對(duì)腎毒性小的藥物聯(lián)合使用[10]。

2.5.2 道床板上拱與列車荷載耦合作用計(jì)算結(jié)果及分析

同時(shí)考慮道床板上拱與列車荷載作用時(shí)，通過(guò)有限元模型求解，可以得到道床板垂向變形曲線如圖9所示，道床板混凝土縱向應(yīng)力云圖，如圖10所示，道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)力云圖如圖11所示。

結(jié)合圖9和圖10可知當(dāng)隧道內(nèi)道床板同時(shí)考慮上拱變形和列車荷載時(shí)，道床板最大縱向拉應(yīng)力和最大縱向壓應(yīng)力分別為1.14 MPa和1.70 MPa，均小于C40軸心混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa和軸心混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.10 MPa；混凝土未發(fā)生開(kāi)裂且道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為6.07 MPa和5.99 MPa，均遠(yuǎn)小于鋼筋屈服強(qiáng)度。

“盡管取得了一定的成績(jī)，但還需要在實(shí)際工作中不斷地進(jìn)行總結(jié)、學(xué)習(xí)、創(chuàng)新。在就診環(huán)境、流程優(yōu)化、細(xì)節(jié)管理上還須下功夫?！蓖趵蛘f(shuō)道，針對(duì)就醫(yī)環(huán)境問(wèn)題，醫(yī)院打算根據(jù)就醫(yī)流程來(lái)重新布局門(mén)診一樓，如進(jìn)一步整合與優(yōu)化服務(wù)窗口，將“辦公室式”服務(wù)窗口打造成“全開(kāi)放式”服務(wù)窗口；延伸“分時(shí)段”概念，深入挖掘“互聯(lián)網(wǎng)+”的內(nèi)涵，使檢驗(yàn)/檢查、候床信息、車位等網(wǎng)上適時(shí)跟進(jìn)，實(shí)現(xiàn)居家等候檢驗(yàn)/檢查、居家候床……

圖9 道床板垂向變形曲線

圖10 道床板混凝土縱向應(yīng)力

圖11 道床板鋼筋應(yīng)力

3 結(jié)論

1) 道床板最大縱向拉、壓應(yīng)力分別為0.63，1.09，1.14和1.70 MPa，均小于C40軸心混凝土抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.1一般資料2015年10月至2017年3月我院選取了80例胸外科肋骨骨折患者進(jìn)行分析,分成低劑量組和常規(guī)劑量組,均有40例。常規(guī)組是24例男性和16例女性,年齡16至72歲,平均(44.2±5.6)歲;低劑量組是28例男性和12例女性,年齡14至70歲,平均(42.3±5.7)歲。兩組患者的普通資料不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性,能進(jìn)行對(duì)比分析。

2) 道床板內(nèi)鋼筋應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為4.33，4.27，6.07和5.99 MPa，均遠(yuǎn)小于HRB335鋼筋屈服強(qiáng)度。

3) 正常運(yùn)營(yíng)條件下雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

[1] 吳斌, 張勇, 徐慶元, 等. 路基上雙塊式無(wú)砟軌道道床板空間力學(xué)特性研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 7(6): 24?29. WU Bin, ZHANG Yong, XU Qingyuan, et al. Study on spatial mechanical characteristic of track concrete layer of twin-block ballastless track on subgrade[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2010, 7(6): 24?29.

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(編輯 陽(yáng)麗霞)

Study on mechanical characteristics of double block ballastless track in Gaotian tunnel due to water disaster

OUYANG Xuanyu

(China Railway 18 Bureau Group Municipal Engineering Co., Ltd, Tianjin 300222, China)

The upwarp of bed slab of CRTSⅠ double block ballastless track due to water disaster in Gaotian tunnel of Guiyang-Guangzhou high speed railway was taken as the background, the finite element model of CRTSⅠ double block ballastless track structure in tunnel was established by using ANSYS software, the detailed track structural parameters were considered. The stress state of the track structure under the action of the upwarp of the bed slab as well as the coupling action of the upwarp of the bed slab and the train load was analyzed based on the actual deformation of upwarp. The results show: The maximum longitudinal tensile and compressive stresses of concrete for ballast slab are 1.14 MPa and 1.70 MPa, respectively, which are less than the design values of tensile and compressive strength of C40 concrete; The maximum tensile stress and the tensile stress of steel are 6.07 MPa and 5.99 MPa, respectively, which are much smaller than the yield strength of HRB335 steel bars; Under the normal operation condition, the strength of double block ballastless track meets the requirements. The research results have reference value for guiding the tunnel to resume normal traffic.

high speed railway; tunnel; CRTSⅠ double-block ballastless track; upwarp; mechanical characteristics

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.12.006

U213

A

1672 ? 7029(2018)12 ? 3060 ? 06

2017?11?10

歐陽(yáng)旋宇(1974?)，男，湖南益陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事土木工程施工管理工作；E?mail：ou666yang@126.com