CRTSⅡ无砟轨道板养护研究及有限元模拟

2011-04-27李敏霞张桂荣

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年2期

李敏霞，张桂荣，赵飞

(1.石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043;2.华北电力大学能源与环境研究院，北京 102206)

0 引言

轨道是高速铁路和客运专线的重要组成部分，为满足高速铁路高安全性和高舒适性的要求，无砟轨道技术在客运专线的施工中得到了广泛的应用，并必将成为我国客运专线的发展方向。目前正在建设的京沪客运专线高速铁路采用了CRTSⅡ型无砟轨道系统，为了保证在轨枕生产时具有较高的效率和质量，对轨道板的养护技术进行研究是非常必要的。

1 轨道板养护制度

养护的主要控制参数有:升温时间和升温速度、恒温时间和恒温温度、降温时间和降温速度。当混凝土制品的外形尺寸、原料性能、混凝土配合比及其他工艺条件一定时，养护工艺是决定混凝土性能及制品质量的关键因素。根据混凝土的特性，经过大量试验研究，本系统的养护流程包括的四个阶段:预养、升温、恒温、降温［1］，如图 1 所示。

混凝土灌注入模前需将模板温度控制在20～30℃之间，混凝土入模温度在5～30℃之间，在轨道板浇筑完毕混凝土初凝并起出侧模板后，应及时在混凝土表面覆盖帆布养护，预养期温度为5～30℃，恒温期温度不超过55℃。降温结束脱模时，轨道板温度与环境温度温差不应大于15℃，在混凝土灌注完成16 h(冬季一般延长，需要18 h左右)，只有试件强度达到48 MPa以上时，才可撤掉帆布，养护结束，出养护坑后还需保湿至少3 d。

图1 蒸养制度

2 管道设计

养护系统的热媒采用的是95℃/70℃的热水，考虑到以下几点原因没有使用蒸汽:

(1)高压蒸汽沿途凝结水排除不畅时，系统内水击严重。

(2)散热设备内蒸汽压力高，因而散热表面温度高。易烫伤人和烧焦散落在上边的有机灰尘，产生刺鼻的气味，安全条件和卫生条件较差。

(3)凝结水的温度高。凝结水管和凝结水箱中均可能有二次汽存在。因而凝结水管径较大，要求有凝结水降温，二次汽利用措施，设备多、管理更复杂。凝结水送回设备复杂。

整个管线布置因为要考虑到混凝土入模前应该达到的温度，混凝土浇筑温度，静止温度、脱模温度等，所以必须设置电磁阀对此区间内的养护进行分时段控制。同时为了使整个养护系统内散热均匀，采用同程式系统。

3 轨道板蒸汽养护有限元分析

混凝土蒸汽养护指的是在混凝土浇筑后的初期，在凝结硬化过程中进行温度和湿度的控制，以利于混凝土获得设计所要求的物理力学性能。采用蒸汽养护技术能够有效地预防混凝土出现较大温差，避免产生较大温度应力和裂缝;为强度发展提供良好的热湿环境，缩短了强度发展所必须的时间，加快了施工进度，提高了产品质量，同时提高了模具及其他设备的利用率，创造较好的经济效益［2］。养护过程中混凝土水化放热会形成瞬态温度场，通过建立热瞬态分析的有限元模型，能够真实地模拟混凝土水化放热的全过程温度场和实际热边界条件，从而实现对混凝土轨道板养护温度场的数值仿真分析，为进一步优化混凝土的蒸汽养护制度保证混凝土构件质量提供依据。

3.1 有限元模型的建立

轨道板在整个轴向方向上截面都相同，同时可近似认为在轴向方向无温度梯度，因此可以建立轨道板截面的二维模型。有限元仿真模型根据轨道板设计图按原几何尺寸建立，由Thermal Solid元素类型中的Quad 4node55单元组成，该单元可作为一个具有二维温度传导能力的平面或轴对称单元使用，具有四个节点，每个节点只有一个温度自由度，可用于二维稳态或瞬态热分析问题［3］。此外，如果包含热单元的模型还需要进行结构分析或受力分析，该单元可被一个等效的单元结构(如PLANE42)所代替。

3.2 物性参数的确定

影响轨道板温度场的主要因素包括混凝土构件的热力学参数、水化生成热特点以及结构的初始条件和边界条件。其中混凝土的热物理性能主要包括混凝土的导热系数、比热容等热工参数。混凝土导热系数的影响因素很多，混凝土集料的品种及其用量、周围介质的温度、混凝土的密度及其含水率等对它都有很大影响［4］;温度变化1℃时，单位质量混凝土所吸收或放出的热量称为混凝土比热(J/kg·℃)，混凝土的比热取决于周围介质的温度、水灰比和集料品种及用量等，一般波动在840～1170 J/(kg·K)范围内。条件允许时，混凝土构件的导热系数和比热都可以通过实验测得，但由于室内实验的局限性，室内实验测得的混凝土热物理系数与实际有较大出入，而且混凝土的热物理系数影响因素较多，因此，在缺少实验数据的情况下，可根据经验参考相关文献选取参数［5］。对于客运专线铁路高性能混凝土，参考文献［5］，本文中混凝土导热系数取3.2 W/(m·℃)，比热取980 J/(kg·℃)，密度取2360 kg/m3。

3.3 边界条件的确定

轨道板的养护是在模板内完成的，其底部和侧面分布有养护管道，顶部用帆布覆盖。因此均以第一类边界条件进行施加，顶部以实测室温进行施加，其余各面均依据实测坑内温度进行温度载荷施加［6］。

3.4 水化热的计算

水化热可在量热器中直接测量，也可通过熔解热间接计算。水化热的计算对于构件的温度控制、防止混凝土表面产生裂缝、保证混凝土的强度及其他性能至关重要。关于水化热的计算，曾提出过很多方法，如多元回归经验公式等，其中对于混凝土养护时水化热计算比较方便的是苏联沃兹涅辛斯基提出的经验公式。沃氏经验公式

式中，qc为单位质量水泥放出的水化热;M为普通水泥计算标号;W/C为水灰比;ε为度时参数。

经上述沃氏经验公式计算后的水化放热以生热率载荷的形式施加。

已经对水化热的生成量进行过计算，但水化热的释放不是均匀进行的，还有其特定的释放规律。本文采用朱伯芳院士［7］的复合指数式，其表达式为

式中，Q(t)为混凝土水化热;Q0为最终水化热;a，b为系数。

Q0和系数a，b应根据现场施工混凝土配合比通过试验来确定，也可根据现场实测数据反推得到。粗略计算时可查混凝土特性表取值计算。水化热是通过生热率HGEN来施加的［8］。生热率就是单位时间内混凝土的生热量，即所产生的热量对时间的导数，其表达式为

式中，HGEN为混凝土水化生热速率;Wc为单位体积混凝土水泥用量。由此可知生热率的计算式为

水化热的释放可作为内热源来处理，加载时的载荷类型对应为生热率载荷。经模拟得出轨道板养护的实时温度场云图，如图2～图5所示。

图2 静养初期温度场云图

图3 静养后期温度场云图

图4 升温阶段温度场云图

图5 恒温阶段温度场云图

3.5 温度场分析

从模拟数据来看，混凝土浇筑后，养护期间各项指标都符合规范要求。轨道板表面和芯部温差小于20℃，轨道板芯部温度不超过55℃。

(1)预养阶段(图2、图3)。在养护的初期，由于温度较低水化热生成量较小，由于从边界传入板体的热量也较少，因此轨道板表层温度低，预养后期芯部温度由于预养期产生的水化热而偏高，但整体温差很小(在2℃以内)。

(2)升温阶段(图4)。随着养护温度升高，底部与侧面传入板体的热量逐渐增多，但顶部没有布设养护管道，这时顶部空间温度比板体温度低，且内部水化热不易传出，因此形成芯部温度高，表层温度低的云图，但芯部与表层温差在10℃以内。

(3)恒温阶段(图5)。随着板体温度的升高，水化热的释放速率增大，水化热影响占主导。最高温度44℃左右，从初始的15℃上升到最高温度44℃左右，又要从44℃降至环境温度，温度变化比较大，引起的温度应力变化也很大，易产生温度裂缝。所以在工程中对混凝土初始温度和最高温度以及内外温差进行控制，以防温度裂缝的产生。

由此可以得出，在轨道板的养护过程中，板体的温度场受到水化热和养护温度两方面的影响，在静养期和恒温阶段水化热的影响占主导地位，而在升温阶段则受养护空间温度影响较大。

环境温度低时，尤其在冬季，轨道板上部加强保温。环境温度低于20℃。应在帆布上再加盖保温层，材料推荐棉篷布。如条件允许，可在上部养护坑边布置热风机和热辐射板，对轨道板上部空间加热。

经计算，轨道板芯部测点的温度12 h后可达最大值44.64℃，与山东枣庄轨道厂冬季某实测的13 h后温度达到峰值45.12℃吻合极佳。因此，建立的有限元分析模型能很好的仿真实际温度场，为温度控制提供可靠依据。