現(xiàn)澆道床板彈性模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

蓋曉野，張麗平，趙坪銳

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道的軌枕為預(yù)制，而道床板是現(xiàn)澆，現(xiàn)澆混凝土的彈性模量及強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)(與預(yù)制軌枕的增長(zhǎng)不同步)，可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，本文著重分析了彈性模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

1 彈性模量隨時(shí)間的增長(zhǎng)規(guī)律

彈性模量反映了混凝土受力后的應(yīng)力—應(yīng)變性質(zhì)，表達(dá)了混凝土的一種變形性能。本文采用模式規(guī)范(CEB-FIP MC90)中的公式來計(jì)算混凝土齡期內(nèi)的彈性模量為

式中，Ec為齡期t=28 d時(shí)的混凝土彈性模量;s取決于水泥品種，普通水泥和快硬水泥取為0.25，快硬高強(qiáng)水泥取為0.20;t為齡期。

現(xiàn)澆混凝土取 C40，其28 d齡期彈性模量 Ec=3.25×104MPa，在齡期內(nèi)，按照上面的公式進(jìn)行計(jì)算，混凝土的彈性模量如表1所示。

2 彈性模量的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

由于現(xiàn)場(chǎng)施工，現(xiàn)澆混凝土收縮及溫度變化的影響，軌枕與道床板結(jié)合面處容易產(chǎn)生裂縫。下面將分別對(duì)軌枕與道床板間開裂與不開裂兩種情況進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 軌枕與道床板不開裂

采用ANSYS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，建立了包括軌枕和道床板的簡(jiǎn)化模型。計(jì)算采用較長(zhǎng)的軌枕(3.3 m)，模型如圖1所示(以下各圖中，X方向代表橫向，Y方向代表豎向，Z方向代表縱向)。

表1 不同齡期的混凝土彈性模量

圖1 埋入式岔枕的有限元模型

模型中軌枕和道床板采用 solid 65進(jìn)行模擬，承軌面采用surf 154進(jìn)行劃分。在進(jìn)行受力計(jì)算分析時(shí)，取三向受力狀態(tài)，考慮豎向力為2×140 kN，縱向力考慮到在豎向力作用下扣件縱向阻力的增大，取2×60 kN計(jì)算，橫向力按70 kN考慮，作用在軌枕一側(cè)，荷載施加位置如圖2所示。計(jì)算結(jié)果如圖3～圖8所示。

圖3 彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響

圖4 彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力的影響

圖5 彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

圖6 橫向應(yīng)力云圖

圖7 豎向應(yīng)力云圖

圖8 縱向應(yīng)力云圖

由以上分析可得，當(dāng)軌枕與道床板黏結(jié)良好，沒有出現(xiàn)裂縫時(shí)，彈性模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)正應(yīng)力影響很小，對(duì)結(jié)構(gòu)負(fù)應(yīng)力影響很小，對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響很小。橫向最大拉應(yīng)力為1.016 MPa，發(fā)生在荷載作用面處;橫向最大壓應(yīng)力為1.589 MPa，發(fā)生在荷載作用面處。豎向最大拉應(yīng)力為0.321 MPa，發(fā)生在荷載作用面邊緣處;豎向最大壓應(yīng)力為1.783 MPa，發(fā)生在荷載作用面處?？v向最大拉應(yīng)力為0.677 MPa，發(fā)生在荷載作用面處;縱向最大壓應(yīng)力為1.503 MPa，發(fā)生在荷載作用面處。應(yīng)力值均在混凝土的容許應(yīng)力范圍內(nèi)，混凝土的工作應(yīng)力狀態(tài)在線彈性階段，此時(shí)結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

2.2 軌枕與道床板開裂

采用ANSYS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，建立了包括軌枕和道床板的簡(jiǎn)化模型。計(jì)算采用較長(zhǎng)的軌枕(3.3 m)。模型中軌枕和道床板采用 solid 65進(jìn)行模擬，承軌面采用surf 154進(jìn)行劃分。軌枕側(cè)面與軌道板采用面面接觸單元，摩擦系數(shù)取0.5。在進(jìn)行受力計(jì)算分析時(shí)，取三向受力狀態(tài)，考慮豎向力為2×140 kN，縱向力考慮到在豎向力作用下扣件縱向阻力的增大，取2×60 kN計(jì)算，橫向力按70 kN考慮，作用在軌枕一側(cè)，模型如圖9所示，受力如圖10所示。計(jì)算結(jié)果如圖11～圖16所示。

圖9 埋入式岔枕有限元模型

圖10 模型三向力作用示意

圖11 彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響

圖12 彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力的影響

圖13 彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

圖14 橫向應(yīng)力云圖

由以上的分析可得，當(dāng)軌枕側(cè)面與道床板黏結(jié)不良時(shí)，隨著彈性模量的增加，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力增大，其中縱向拉應(yīng)力增加明顯;結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力增大，增加趨勢(shì)平緩;結(jié)構(gòu)位移變化很小。橫向最大拉應(yīng)力為7.642 MPa，發(fā)生在軌枕中間位置，最大壓應(yīng)力為7.832 MPa，發(fā)生在荷載作用處;豎向最大拉應(yīng)力為1.474 MPa，發(fā)生在軌枕邊緣處，豎向最大壓應(yīng)力為4.072 MPa，發(fā)生在荷載作用處;縱向最大拉應(yīng)力為3.552 MPa，發(fā)生在軌枕邊緣處，縱向最大壓應(yīng)力為9.643 MPa，發(fā)生在荷載作用處;最大位移為0.389 mm，為豎向位移。由于軌枕與道床板黏結(jié)不良，結(jié)構(gòu)不能很好地保持整體性，從而使橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力超出混凝土允許拉應(yīng)力值，軌枕將產(chǎn)生橫向和縱向裂縫，這對(duì)結(jié)構(gòu)是不利的。

3 結(jié)論

當(dāng)軌枕與道床板黏結(jié)良好，即沒有產(chǎn)生裂縫時(shí)，道床板彈性模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移影響很小，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都在混凝土的允許范圍內(nèi)，在線彈性范圍內(nèi)工作，此時(shí)結(jié)構(gòu)是安全可靠的;當(dāng)軌枕與道床板黏結(jié)不良，即軌枕側(cè)面與道床板之間出現(xiàn)裂縫時(shí)，隨著道床板彈性模量的增加，結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力都增加，其中橫向和縱向拉應(yīng)力超出混凝土的允許值，軌枕將產(chǎn)生橫向和縱向裂縫，這對(duì)結(jié)構(gòu)是不利的。由此可見，結(jié)構(gòu)的性能在開裂后比開裂前差，所以應(yīng)盡量控制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

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