黃驊港某碼頭裝船機(jī)軌道靜彎試驗(yàn)及有限元分析

程 林，嚴(yán)加寶，孫治林

（1.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350；3.神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 061000）

引 言

黃驊港三、四期泊位共用一座碼頭，裝船機(jī)軌道位于碼頭南北兩側(cè)。三、四期泊位工程裝船機(jī)軌道在運(yùn)行不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了軌頭磨損、裂紋、甚至斷裂的情況，除此之外，還出現(xiàn)鋼軌下部膠泥層損壞下沉、膠墊板擠出的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了港口的安全生產(chǎn)和效益發(fā)揮。

為研究下部支撐系統(tǒng)對(duì)軌道應(yīng)力與變形的影響，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行裝船機(jī)軌道靜彎試驗(yàn)，模擬軌道實(shí)際安裝形式，利用液壓千斤頂和反力梁施加荷載。采用大型有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工況進(jìn)行補(bǔ)充分析，模擬軌道在多輪壓、單輪壓、偏心荷載作用下、不同支撐系統(tǒng)條件下的軌道應(yīng)力響應(yīng)。

1 軌道室內(nèi)靜彎試驗(yàn)

1.1 靜彎試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)基座完全按照實(shí)際工程設(shè)計(jì)，進(jìn)行足尺試驗(yàn)?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度3 m，寬0.9 m?；炷敛捎肅50，鋼筋采用HRB400?；鶅?nèi)配筋滿足抗彎計(jì)算、抗剪計(jì)算、抗沖切計(jì)算及撓度計(jì)算。試驗(yàn)裝置如圖1所示，混凝土基座上部鋪設(shè)25 mm厚鋼板，安裝鋼板時(shí)，保證其上表面水平，鋼板與混凝土之間采用軌道專用膠泥填充，膠泥厚度為35 mm?？郯宀捎肎ANTREX系統(tǒng)中專用柔性扣板，間距500 mm。軌道與鋼板之間鋪設(shè)膠墊板，利用液壓千斤頂和反力梁施加荷載。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究鋼軌在不同種類支撐系統(tǒng)下的變形和應(yīng)變響應(yīng)，設(shè)置7種不同工況，如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

膠墊板如圖2所示。

圖2 膠墊板實(shí)物

加載時(shí)采用分配梁加載，兩個(gè)加載點(diǎn)位于軌道跨中兩側(cè)各450 mm處，模擬現(xiàn)場(chǎng)輪距900 mm。在軌道中點(diǎn)、距離中點(diǎn)450 mm處（即輪壓作用點(diǎn)）、扣板處、距梁端點(diǎn)450 mm截面處布置應(yīng)變片，每個(gè)截面布置7個(gè)應(yīng)變片。沿軌道長(zhǎng)度方向布置位移計(jì)，如圖3所示。

圖3 截面應(yīng)變片及位移計(jì)布置

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1）軌道下鋪設(shè)不同種類膠墊板的整體變形

如圖4所示，膠墊板的存在會(huì)使加載點(diǎn)處軌道撓度變形增大；膠墊板的存在會(huì)使軌道整體撓度變形趨于均勻；一層鋼板加強(qiáng)的膠墊板加載點(diǎn)處軌道撓度為1.2 mm，兩層鋼板加強(qiáng)的膠墊板加載點(diǎn)處軌道撓度為1.8 mm，普通膠墊板加載點(diǎn)處軌道撓度為2.2 mm。加強(qiáng)鋼板的存在可以降低鋼軌的位移變形。

圖4 不同種類膠墊板下軌道整體變形

2）膠墊板空隙對(duì)鋼軌撓度變形的影響

如圖5所示，膠墊板存在空隙導(dǎo)致加載作用處軌道位移增大 2.5倍；5 cm空隙時(shí)最大位移為1.8 mm，10 cm空隙時(shí)最大位移為2.45 mm，20 cm空隙時(shí)最大位移為2.5 mm。軌道最大變形隨著膠墊板鋪設(shè)空隙的增大而增大；鋪設(shè)空隙達(dá)到10 cm以后，位移增長(zhǎng)緩慢，最大位移趨于定值。

圖5 膠墊板破壞時(shí)鋼軌整體變形

3）荷載作用下軌道應(yīng)變分布

如圖6所示，軌道下方鋪設(shè)膠墊板時(shí)，軌道各個(gè)截面應(yīng)變將顯著增大；不鋪設(shè)膠墊板情況下，距輪壓 300 mm處截面應(yīng)變很小，輪壓影響范圍為300 mm。鋪設(shè)膠墊板的輪壓影響范圍為500 mm；加載點(diǎn)正下方荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出雙折線的趨勢(shì)，與膠墊板自身的力學(xué)特性相關(guān)；加載點(diǎn)附近應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，距離截面300 mm和600 mm處變?yōu)槔瓚?yīng)變，說(shuō)明0～300 mm和300～600 mm之間分別存在一個(gè)反彎點(diǎn)，軌道的拉壓狀態(tài)發(fā)生變化。

圖6 鋼軌不同位置處截面應(yīng)變

2 軌道有限元分析

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)軌道在輪壓作用下的狀態(tài)進(jìn)行模擬。

2.1 偏心荷載作用下軌道應(yīng)力

圖7 軌道應(yīng)力分布

對(duì)比軸心加載和偏心加載兩種工況，可以看出，在對(duì)稱荷載作用下，應(yīng)力呈對(duì)稱分布；偏心荷載的作用不僅會(huì)引起鋼軌截面應(yīng)力分布的不對(duì)稱，還會(huì)產(chǎn)生扭矩使鋼軌應(yīng)力增大。有限元分析表明，當(dāng)偏心距為40 mm時(shí)，因偏心而產(chǎn)生的應(yīng)力不均，其中最大應(yīng)力將增大25 %。偏心荷載作用下，軌道上表面的輪軌接觸范圍明顯加大，鋼軌在向前移動(dòng)的過(guò)程中，軌道應(yīng)力處于拉壓循環(huán)的狀態(tài)，過(guò)大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致拉壓幅值的增大，降低鋼軌的耐久性，更易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而開(kāi)展。同時(shí)，由于裝船機(jī)輪子與鋼軌的接觸特點(diǎn)，如果存在偏心，輪子與鋼軌接觸部位增多，兩者之間的磨損也更加明顯，軌距角處因?yàn)榻佑|面積的減小導(dǎo)致應(yīng)力更大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成鋼軌的損傷；一旦偏心荷載作用下鋼軌表面產(chǎn)生磨損，將會(huì)導(dǎo)致后期的磨損與偏心現(xiàn)象更加嚴(yán)重，實(shí)際中應(yīng)盡量避免偏心荷載。

2.2 膠墊板厚度對(duì)軌道應(yīng)力影響

模擬膠墊板厚度為8 mm、5 mm和14 mm。

圖8 不同厚度膠墊板軌道應(yīng)力分布

相同輪壓作用下，5 mm厚的膠墊板，此時(shí)鋼軌的最大應(yīng)力為127.8 MPa，8 mm厚的膠墊板，此時(shí)鋼軌最大應(yīng)力為174.7 MPa。14 mm厚的膠墊板，中間夾層添加兩層1 mm厚的鋼板，這種情況下鋼軌的應(yīng)力最大值為125.5 MPa，鋼軌的應(yīng)力值比普通膠墊板明顯下降，但是加大膠墊板的剛度，往往不能很好的緩解上部機(jī)械帶來(lái)的振動(dòng)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，添加雙層鋼板的膠墊板在均勻基床底部應(yīng)力方面沒(méi)有很好的效果，基床應(yīng)力分布的差值較大，容易造成局部沉陷，進(jìn)而引起鋼軌破壞。

2.3 膠泥層的靜力分析結(jié)果

圖9 有無(wú)膠墊板情況下膠泥層的應(yīng)力

軌道膠泥屬于早強(qiáng)、高強(qiáng)材料，抗壓強(qiáng)度很高，不易發(fā)生受壓破壞。對(duì)于膠泥層主要進(jìn)行剪切應(yīng)力分析。不同工況下膠泥層剪切應(yīng)力如圖9所示。當(dāng)鋼軌下側(cè)布設(shè)膠墊板時(shí)，膠泥層的剪切應(yīng)力明顯降低，剪切應(yīng)力分布更為均勻。膠墊板的存在可以有效的減緩膠泥層的應(yīng)力集中現(xiàn)象，起到了均勻分配和緩沖的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）膠墊板的存在會(huì)使軌道整體撓度變形趨于均勻，下部膠泥層的應(yīng)力會(huì)顯著減小。加強(qiáng)鋼板的存在可以降低鋼軌的位移變形。

2）膠墊板存在空隙導(dǎo)致加載作用處軌道位移增大2.5倍，下部支撐系統(tǒng)應(yīng)力集中更嚴(yán)重，膠墊板鋪設(shè)時(shí)避免存在空隙，發(fā)現(xiàn)膠墊板破壞應(yīng)及時(shí)更換。

3）偏心荷載作用下，軌道應(yīng)力將增大25 %，軌道表面接觸斑增大，形狀不規(guī)則，軌道易發(fā)生磨損。

4）過(guò)厚的膠墊板會(huì)導(dǎo)致軌道應(yīng)力增大，選擇合適剛度的膠墊板，可以保證下部支撐系統(tǒng)受力均勻。