现浇道床板弹性模量变化对结构的影响分析

盖晓野，张丽平，赵坪锐

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

长枕埋入式无砟轨道的轨枕为预制，而道床板是现浇，现浇混凝土的弹性模量及强度随时间逐渐增长(与预制轨枕的增长不同步)，可能会对结构产生一定的影响，本文着重分析了弹性模量变化对结构的影响。

1 弹性模量随时间的增长规律

弹性模量反映了混凝土受力后的应力—应变性质，表达了混凝土的一种变形性能。本文采用模式规范(CEB-FIP MC90)中的公式来计算混凝土龄期内的弹性模量为

式中，Ec为龄期t=28 d时的混凝土弹性模量;s取决于水泥品种，普通水泥和快硬水泥取为0.25，快硬高强水泥取为0.20;t为龄期。

现浇混凝土取 C40，其28 d龄期弹性模量 Ec=3.25×104MPa，在龄期内，按照上面的公式进行计算，混凝土的弹性模量如表1所示。

2 弹性模量的变化对结构的影响分析

由于现场施工，现浇混凝土收缩及温度变化的影响，轨枕与道床板结合面处容易产生裂缝。下面将分别对轨枕与道床板间开裂与不开裂两种情况进行计算分析。

2.1 轨枕与道床板不开裂

采用ANSYS软件进行建模计算，建立了包括轨枕和道床板的简化模型。计算采用较长的轨枕(3.3 m)，模型如图1所示(以下各图中，X方向代表横向，Y方向代表竖向，Z方向代表纵向)。

表1 不同龄期的混凝土弹性模量

图1 埋入式岔枕的有限元模型

模型中轨枕和道床板采用 solid 65进行模拟，承轨面采用surf 154进行划分。在进行受力计算分析时，取三向受力状态，考虑竖向力为2×140 kN，纵向力考虑到在竖向力作用下扣件纵向阻力的增大，取2×60 kN计算，横向力按70 kN考虑，作用在轨枕一侧，荷载施加位置如图2所示。计算结果如图3～图8所示。

图3 弹性模量对结构拉应力的影响

图4 弹性模量对结构压应力的影响

图5 弹性模量对结构位移的影响

图6 横向应力云图

图7 竖向应力云图

图8 纵向应力云图

由以上分析可得，当轨枕与道床板黏结良好，没有出现裂缝时，弹性模量变化对结构正应力影响很小，对结构负应力影响很小，对结构位移影响很小。横向最大拉应力为1.016 MPa，发生在荷载作用面处;横向最大压应力为1.589 MPa，发生在荷载作用面处。竖向最大拉应力为0.321 MPa，发生在荷载作用面边缘处;竖向最大压应力为1.783 MPa，发生在荷载作用面处。纵向最大拉应力为0.677 MPa，发生在荷载作用面处;纵向最大压应力为1.503 MPa，发生在荷载作用面处。应力值均在混凝土的容许应力范围内，混凝土的工作应力状态在线弹性阶段，此时结构是安全可靠的。

2.2 轨枕与道床板开裂

采用ANSYS软件进行建模计算，建立了包括轨枕和道床板的简化模型。计算采用较长的轨枕(3.3 m)。模型中轨枕和道床板采用 solid 65进行模拟，承轨面采用surf 154进行划分。轨枕侧面与轨道板采用面面接触单元，摩擦系数取0.5。在进行受力计算分析时，取三向受力状态，考虑竖向力为2×140 kN，纵向力考虑到在竖向力作用下扣件纵向阻力的增大，取2×60 kN计算，横向力按70 kN考虑，作用在轨枕一侧，模型如图9所示，受力如图10所示。计算结果如图11～图16所示。

图9 埋入式岔枕有限元模型

图10 模型三向力作用示意

图11 弹性模量对结构拉应力的影响

图12 弹性模量对结构压应力的影响

图13 弹性模量对结构位移的影响

图14 横向应力云图

由以上的分析可得，当轨枕侧面与道床板黏结不良时，随着弹性模量的增加，结构拉应力增大，其中纵向拉应力增加明显;结构压应力增大，增加趋势平缓;结构位移变化很小。横向最大拉应力为7.642 MPa，发生在轨枕中间位置，最大压应力为7.832 MPa，发生在荷载作用处;竖向最大拉应力为1.474 MPa，发生在轨枕边缘处，竖向最大压应力为4.072 MPa，发生在荷载作用处;纵向最大拉应力为3.552 MPa，发生在轨枕边缘处，纵向最大压应力为9.643 MPa，发生在荷载作用处;最大位移为0.389 mm，为竖向位移。由于轨枕与道床板黏结不良，结构不能很好地保持整体性，从而使横向拉应力和纵向拉应力超出混凝土允许拉应力值，轨枕将产生横向和纵向裂缝，这对结构是不利的。

3 结论

当轨枕与道床板黏结良好，即没有产生裂缝时，道床板弹性模量变化对结构的应力和位移影响很小，结构的应力都在混凝土的允许范围内，在线弹性范围内工作，此时结构是安全可靠的;当轨枕与道床板黏结不良，即轨枕侧面与道床板之间出现裂缝时，随着道床板弹性模量的增加，结构拉、压应力都增加，其中横向和纵向拉应力超出混凝土的允许值，轨枕将产生横向和纵向裂缝，这对结构是不利的。由此可见，结构的性能在开裂后比开裂前差，所以应尽量控制裂缝的产生与发展。

［1］赵国堂.高速铁路无砟轨道结构［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］何华武.无砟轨道技术［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］叶先磊.ANSYS工程分析软件应用实例［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［5］赵坪锐.客运专线无砟轨道设计理论与方法研究［D］.成都:西南交通大学，2008.

［6］赵伟.单元板式无砟轨道伤损及纵向受力分析［D］.成都:西南交通大学，2008.

［7］邱凯.混凝土早期弹性模量变化规律试验研究［J］.试验技术与试验机，2007(2):29-31.

［8］李乔.混凝土结构设计原理［M］.北京:中国铁道出版社，2001.