路基沉降量對整體道床受力變形及混凝土開裂的影響研究

楊延強

摘要：研究主要針對現(xiàn)階段采用的連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土整體道床板展開，通過有限元軟件ANSYS建立無砟軌道整體道床實體模型，分析了道床板混凝土首次、第二次及第三次開裂時的高速鐵路路基沉降量，并研究了這三種沉降量下裂縫分布、道床板應(yīng)力及道床板位移等特性的變化規(guī)律；對10、15、20、25、30、35、40（單位mm/20 m）等不同沉降量下整體道床板的開裂，以及該沉降工況下的道床板位移與道床板應(yīng)力發(fā)展規(guī)律進行了研究，并分析了其原因，在此基礎(chǔ)上得出了高速鐵路路基沉降對道床板受力變形及混凝土開裂的影響關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；路基沉降；整體道床；受力變形；混凝土開裂

中圖分類號：U21文獻標(biāo)志碼：A

0引言

整體道床作為平鋪在路基上的鋼筋混凝土板式封閉結(jié)構(gòu)，對路基沉降變形特別敏感，路基的沉降會導(dǎo)致其出現(xiàn)變形、位移和開裂等問題。不僅會因列車荷載作用使整體道床受力性能發(fā)生變化而導(dǎo)致行車不平順、不安全；還會影響整體道床的結(jié)構(gòu)耐久性。一旦出現(xiàn)路基沉降，軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會在自重作用下發(fā)生相應(yīng)的隨性下沉，并逐漸向新的靜平衡狀態(tài)趨于穩(wěn)定，從而導(dǎo)致道床板混凝土開裂以及軌道平面產(chǎn)生初始幾何不平順，上部軌道結(jié)構(gòu)和下部路基結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生局部脫空，在結(jié)構(gòu)自重以及列車高速運行的沖擊振動作用下，混凝土產(chǎn)生裂縫并不斷擴展，逐漸形成橫向貫通裂縫，混凝土作為保護層對鋼筋的保護作用逐漸減弱甚至消失，從而加速了化學(xué)侵蝕、凍融循環(huán)、碳化、鋼筋銹蝕、堿集料反應(yīng)等，這嚴重影響了整體道床的整體性、耐久性等。所以研究路基沉降量對整體道床受力變形及混凝土開裂的影響是非常有必要且迫切的。鑒于此，本論述結(jié)合實際工程，對高速鐵路路基沉降導(dǎo)致的整體道床受力變形及開裂開展了研究。

1研究現(xiàn)狀

目前，針對路基沉降和整體道床受力變形問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者進行了相應(yīng)的分析研究。

Wang X等[1]對各國無砟軌道路基不均勻沉降模型及其分析研究做了綜述，對無砟軌道隨路基不均勻沉降的長期變形進行了模擬。Guo Y等[2]建立了無砟軌道岔區(qū)沉降預(yù)測模型，利用迭代的思維，預(yù)測了路基不均勻沉降對無砟軌道道床板變形以及軌道線型不平順的影響。高琨等[3-6]從路基不均勻沉降的沉降機理、發(fā)展規(guī)律以及預(yù)測方法等方面進行了分析研究。石現(xiàn)峰[7]分析了路基不均勻沉降作用下無砟軌道道床板與底座板的附加彎矩變化情況，研究了路基不均勻沉降幅值與附加彎矩之間的關(guān)系。郝遠行[8]分析了無砟軌道在列車荷載作用下，不同裂紋工況下的應(yīng)力強度因子，運用斷裂準則，判斷了裂紋的失穩(wěn)擴展情況。趙坪銳[9]研究了基礎(chǔ)變形對無砟軌道的受力影響，對無砟軌道附加彎矩受其基礎(chǔ)變形的影響展開了研究，提出了無砟軌道在路基變形下的受力分析方法。馬軍旺[10]分析了在路基不均勻沉降下，路基岔區(qū)無砟軌道的力學(xué)行為，確定了無砟軌道結(jié)構(gòu)易因路基不均勻沉降而引發(fā)破壞的部位。

可以看到，雖然學(xué)者進行了一定的試驗和數(shù)值模擬研究，但是較多的是圍繞路基不均勻沉降的變形及其發(fā)生機理和混凝土裂縫理論層面展開研究，因此展開路基沉降量對整體道床受力變形及混凝土開裂的影響研究極具價值且意義重大。

2有限元模型建立

ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛的一款國際通用的多功能大型有限元分析軟件，因其易于求解與高精度等特點而受到各界人員的青睞，加之其建模能力強、求解能力強、非線性分析能力強等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域，因此本論述選取ANSYS進行分析研究。

2.1模型幾何尺寸及其物理參數(shù)

結(jié)合實際工程建立有限元模型，整體道床幾何尺寸及材料物理相關(guān)參數(shù)見表1所列。

2.2單元類型合理選取

鋼軌采用Beam188單元進行模擬；扣件采用Com？ bin14單元來模擬；軌枕、道床板、支撐層與路基采用Solid65，通過設(shè)定不同的特性分別進行模擬；考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移作用，利用分離式方法進行建模，鋼筋采用Link8進行模擬。

2.3材料本構(gòu)關(guān)系

2.3.1混凝土本構(gòu)關(guān)系

式中：σc—混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與時的混凝土壓應(yīng)力；

fc—混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；

εc—混凝土壓應(yīng)變；

ε0—混凝土壓應(yīng)力達到fc時的混凝土壓應(yīng)變，取

2×10-3；

εcu—正截面的混凝土極限壓應(yīng)變，取3.5×10-3；

n—系數(shù)，當(dāng)計算的n值大于2.0時，取2.0。

2.3.2鋼筋本構(gòu)關(guān)系

在進行鋼筋單項加載時，鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線一般由彈性階段、屈服階段、強化階段和破壞階段等組成。結(jié)合精度要求，采用雙線性模型（如圖2所示）來進行鋼筋的模擬，公式如式（2）。

2.4模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立雙塊式無砟軌道實體模型，自上而下依次由鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層和路基等組成，模型如圖3、圖4所示。

3道床板混凝土開裂及其受力變形數(shù)值分析

提取道床板首次開裂時的云圖，如圖5所示，以紅色圓圈表示道床板首次出現(xiàn)的混凝土裂縫。

當(dāng)路基沉降為7.2 mm/20 m時，道床板首次開裂，由圖5看出，首次出現(xiàn)的裂縫位于道床板沉降區(qū)域跨中沿列車前進方向一定距離處，靠近伸縮縫，分別提取此時的道床板應(yīng)力及位移如圖6、圖7所示。

由圖6可知，當(dāng)沉降量為7.2 mm/20 m時，道床板位移最大值位于沉降區(qū)域跨中部位，但是對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向位移較大（記列車前進方向為X=0→X=20 m）。

由圖7發(fā)現(xiàn)，道床板混凝土應(yīng)力變化分布規(guī)律類似于道床板位移，即最大值位于沉降區(qū)域跨中部位，對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向應(yīng)力較大。

4道床板開裂規(guī)律及受力變形分析

在分析了道床板首次開裂的基礎(chǔ)上，分別提取并分析道床板第二次及第三次開裂的道床板應(yīng)力和道床板位移變化規(guī)律，通過分析可知，道床板混凝土首次、第二次及第三次開裂的裂縫位置均位于道床板沉降區(qū)域跨中沿列車前進方向一定距離處，且靠近伸縮縫；此外道床板位移與道床板應(yīng)力最大值均位于沉降區(qū)域跨中部位，但是對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向位移較大，造成該現(xiàn)象的原因則是：其一是伸縮縫處鋼筋混凝土不連續(xù)，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)；其二是由于路基沉降引起的線路線型不平順導(dǎo)致列車出現(xiàn)“超重”現(xiàn)象以及對鋼軌的沖擊作用。

為更直觀地對其進行分析，將前三次混凝土開裂時的沉降量和該沉降工況下的道床板位移及應(yīng)力進行繪圖，分別如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知：道床板首次開裂時的沉降量較小，且此時的道床板位移及應(yīng)力也相對較??；第二次與第三次開裂時的沉降量相差較小，且兩者相對于首次開裂時數(shù)值均較大，此外后兩次開裂時的道床板位移及應(yīng)力也相對較大。主要是新舊混凝土粘結(jié)與伸縮縫的存在、高速鐵路列車運行速度塊以及載重大等原因?qū)е率状伍_裂出現(xiàn)較早，當(dāng)首次開裂后的較長一段沉降量內(nèi)混凝土并未再次開裂，直至沉降量超過15 mm/ 20 m后的16.4 mm/20 m時道床板出現(xiàn)第二次開裂，此時已有局部區(qū)域混凝土出現(xiàn)輕微壓碎現(xiàn)象，且道床板與路基間發(fā)生脫空現(xiàn)象，所以，與第二次開裂僅相差1.4 mm/20 m之后的17.8 mm/20 m時，道床板出現(xiàn)第三次開裂。

5道床板混凝土裂縫發(fā)展規(guī)律及其受力變形分析

分別提取沉降量為10、15、20、25、30、35、40（單位mm/20 m）時的裂縫發(fā)展情況并對其做繪圖處理，分別如圖10、圖11所示。

由圖10與圖11可知：當(dāng)沉降量小于30 mm/20 m時，隨著沉降量的增大道床板位移和道床板應(yīng)力均不斷增大，且其增長率也呈增大的趨勢。當(dāng)沉降量超過30 mm/20 m時，道床板位移和道床板應(yīng)力依然隨著沉降量的增大而增大，但是其增長率呈減小的趨勢。

6結(jié)論

（1）當(dāng)路基沉降為7.2 mm/20 m時，道床板首次出現(xiàn)混凝土裂縫，當(dāng)路基沉降為16.4 mm/20 m時，道床板第二次出現(xiàn)混凝土裂縫；當(dāng)路基沉降為17.8mm/20m時，道床板第三次出現(xiàn)混凝土裂縫，裂縫位置位于道床板沉降區(qū)域跨中沿列車前進方向一定距離處，且靠近伸縮縫。

（2）當(dāng)路基發(fā)生沉降后，道床板發(fā)生跟隨性沉降，路基沉降幅值越大，軌道線型不平順越明顯，混凝土開裂現(xiàn)象越嚴重。

（3）道床板位移與道床板應(yīng)力最大值均位于沉降區(qū)域跨中部位，但是對于沿跨中向其兩邊相同距離處，沿列車前進方向位移較大，造成該現(xiàn)象的原因則是：其一是伸縮縫處鋼筋混凝土不連續(xù)，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)；其二是由于路基沉降引起的線路線型不平順導(dǎo)致列車出現(xiàn)“超重”現(xiàn)象以及對鋼軌的沖擊作用。

（4）無砟軌道道床板混凝土裂縫主要集中在車輛“駛?cè)搿背两祬^(qū)域處和車輛“駛離”沉降區(qū)域處及其一定范圍內(nèi)，裂縫數(shù)量居于最多，其次是集中在沉降區(qū)域跨中位置處，最后是沉降段與未沉降段接觸處混凝土開裂較為嚴重，且其數(shù)量隨著路基沉降的增大而增加，此外在相同沉降工況下車輛“駛離”沉降區(qū)域處相比車輛“駛?cè)搿背两祬^(qū)域處開裂較為嚴重。

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