双块式无砟轨道裂纹对道床板受力的影响分析

徐光鑫,杨荣山

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

由于轨道结构不可避免的会出现裂纹，裂纹的存在破坏了道床板连续性，尤其当裂纹宽度较大时，有可能影响无砟轨道结构受力。当裂纹深度大于道床板保护层厚度时，道床板下层钢筋穿过裂纹，钢筋应力有可能发生突变。因此，综合采用双块式无砟轨道实体有限元模型和计算力学模型，来探究在列车荷载以及温度荷载下不同形式的构造裂纹对轨道结构中道床板受力的影响[1]。

1 双块式无砟轨道结构实体模型及参数

1.1 计算模型

图1 路基上双块式无砟轨道模型

图2 无砟轨道含裂纹的力学模型

双块式无砟轨道有限元模型和力学模型分别如图1、图2所示。道床板的裂纹采用预设裂纹的方法来模拟，同时认为开裂处混凝土还保持某种连续，仍可以传递部分荷载和应力，该特性通过ABAQUS软件的单元生死功能来实现。轨枕和道床板，以及道床板和支撑层间采用粘结(Tie)处理。列车荷载取为竖向准静态检算荷载(即170 kN)作用于离裂纹最近的扣件上方；轴向温度荷载考虑为最大降温幅度，即按施工温度与环境最低温度差取值，以最不利情况来分析，取轨道整体降温50 ℃。以此来模拟不同裂纹的形式对道床板和纵向钢筋的应力影响。

1.2 计算参数

钢轨为60 kg/m，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3；扣件刚度为20 kN/mm；轨枕尺寸为长0.6 m、宽0.28 m、厚0.05 m，采用C60混凝土，弹性模量为3.65×104MPa，密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.167； 轨道板尺寸为长10 m、宽2.8 m、厚0.26 m，采用C40混凝土，弹性模量为3.25×104MPa，密度为2 400 kg/m3，泊松比为0.167；支承层尺寸为长10 m、宽3.4 m、厚0.3 m，采用C20混凝土，弹性模量为2.25×104MPa，泊松比为0.167；纵向钢筋直径为20 mm，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3；路基支承面刚度为76 MPa/m。

2 列车荷载作用下道床板受力分析

2.1 列车荷载作用下无裂纹道床板受力分析

由双块式无砟轨道有限元模型进行建模，分析在道床板开裂前轨道结构的受力特性，得出结果如下。

(1)道床板拉应力

由于道床板是以钢筋混凝土浇筑而成的，其极限抗拉强度很小，裂纹的产生是由于拉应力超过其极限抗拉强度，因此，应采用拉应力表征道床板的应力状态。计算结果如图3所示。

图3 无裂纹的双块式无砟轨道道床板拉应力云图

由图3可知，无裂纹时，无砟轨道在列车荷载作用下，道床板最大拉应力为0.281 MPa，远未达到混凝土容许抗拉强度。

(2)道床钢筋应力

经过上层钢筋和下层钢筋结果对比，上层钢筋应力较下层钢筋应力更大，因此将上层钢筋应力作为控制应力，其应力计算结果如图4所示。

图4 无裂纹的双块式无砟轨道上层钢筋应力云图

由图4可知，无裂纹时，无砟轨道在列车荷载作用下，道床板钢筋最大拉应力为3.759 MPa，远未达到钢筋屈服强度。

2.2 列车荷载作用下含裂纹道床板受力分析

在列车荷载作用下，对于不同形式的道床板裂纹，通过对裂纹深度以及宽度的构造下得出了双块式无砟轨道的受力情况，计算结果如表1、表2所示。

表1 含表面裂纹的道床板受力 MPa

表2 含贯通裂纹的轨道板受力 MPa

图5、图6给出了含表面裂纹的道床混凝土和纵向钢筋受力的曲线图，可清晰看出道床板受力规律。

图5 含表面裂纹的道床混凝土受力曲线

图6 含表面裂纹的纵向钢筋受力曲线

由图5、图6可知：

(1)当列车荷载作用时，随着应力的释放，表面裂纹在同一深度情况下，裂纹宽度的变化对道床板拉应力和钢筋应力影响都较小；

(2)表面裂纹在同一宽度情况下，裂纹深度的变化对道床板拉应力和钢筋应力影响较大，最大道床板拉应力为0.738 MPa，最大钢筋应力为15.69 MPa，两者均远未超过容许应力。

图7、图8给出了含贯穿裂纹的道床混凝土和纵向钢筋受力的曲线图，可清晰看出道床板受力规律。

图7 含贯穿裂纹的道床混凝土受力

图8 含贯穿裂纹的纵向钢筋受力

由图7、图8可知：

(1)当列车荷载作用时，贯穿裂纹在同一深度情况下，裂纹宽度的变化对道床板拉应力和钢筋应力影响较小；

(2)贯穿裂纹在同一宽度情况下，裂纹深度的变化对道床板拉应力和钢筋应力影响较大，最大道床板拉应力为1.326 MPa，最大钢筋应力为37.34 MPa，两者均远未超过容许应力。

3 轴向温度荷载作用下含裂纹的道床板受力分析

由于道床板的连续性，当完整的双块式无砟轨道轴向温度在较低温度时便会开裂，因此本节只考虑轴向温度荷载作用下含裂纹的无砟轨道道床板受力，通过改变裂纹宽度大小，判断裂纹宽度的变化是否对无砟轨道受力有影响。只考虑全断面贯通裂纹，取计算工况为：温度变化幅度为50 ℃。计算结果如表3所示。

表3 含全断面贯通裂纹的无砟轨道道床板受力 MPa

由表3可知，在轴向温度荷载50 ℃作用下，随着裂纹宽度的变化，道床混凝土拉应力及钢筋应力变化较小，但是远远大于在列车荷载作用下的道床板应力和钢筋应力。

4 结论

本文通过运用有限元软件计算，对于双块式无砟轨道裂纹对道床板受力影响得出如下结论。

(1)含表面裂纹的无砟轨道与无裂纹的无砟轨道相比，道床板混凝土受力有所增加，但增幅不大，纵向钢筋应力在裂纹深度较大时增幅很大。

(2)含贯穿裂纹的无砟轨道与无裂纹的无砟轨道相比，道床板混凝土受力有小幅度的增加，而纵向钢筋应力随着裂纹深度的增加而逐渐增大，但远远未超过钢筋的屈服强度。

(3)在列车荷载作用下或者温度荷载作用下，裂纹宽度的变化对道床板受力影响较小；裂纹深度的变化对道床板有一定的影响，随着深度的增加，道床板内钢筋应力增加较缓。当深度超过50 mm(即保护层厚度)时，钢筋应力明显增大。

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