九乡河改造临时轨道过渡施工方案分析研究

2016-12-06赵红光

铁道勘察 2016年5期

关键词：轨排支墩钢轨

赵红光

(南京地铁建设公司，江苏南京 210000)

九乡河改造临时轨道过渡施工方案分析研究

赵红光

(南京地铁建设公司，江苏南京 210000)

九乡河位于南京地铁4号线灵山站-东流站区间，因其洞内加固及改造后管片上浮等原因，需采用临时轨道过渡方案。选取轨排运输组织及混凝土运输组织两种施工组织最不利工况，采用有限元分析软件模拟计算对临时轨道过渡方案进行检算。结果显示，在最不利列车荷载作用下，支墩和临时轨排结构均不会出现失稳的情况，支墩中钢筋可以提供可靠的抗拔锚固要求。

临时过渡有限元分析稳定性检算抗拔锚固

九乡河位于南京地铁四号线灵山站-东流站区间，因九乡河改造需在洞内加固及改造后管片上浮，需重新调线调坡等原因，影响轨道铺设范围为1.54 km。为了保证正常机铺，根据铺轨工期要求，需采用临时轨道过渡，待地下段整体道床铺设至临近接轨点时，再拆除临时轨道。

临时轨道过渡方案采用沿线路纵向间隔1 200 mm布置一对支墩，并在支墩上铺设临时轨排的布置方法，为检算此方案能否满足正常施工组织要求，需对该临时轨道过渡施工方案进行计算分析。

1 计算参数与计算模型

考虑临时轨道过渡地段共存在两种较大荷载工况：(1)轨排运输组织，由轨道车牵引两节平板车，搭载2块25 m长轨排；(2)混凝土运输组织，由轨道车牵引一节平板车，混凝土罐车一台。其中静荷载汇总见表1。

运用大型有限元分析软件建立有限元计算分析模型，其中钢轨单元采用欧拉梁进行简化模拟，支墩以及轨枕均采用实体单元进行模拟，支墩中钢筋均采用杆单元进行模拟，扣件系统运用3向线性弹簧进行简化模拟。有限元分析模型在支墩下方进行各向位移以及转角约束，在钢轨两端施加对称约束，即仅放开垂向、横向位移约束。

表1 静荷载汇总

列车转向架间距离较远，距离较远的荷载相互叠加影响较小。因此，在建立模型时，为提升计算效率，建立总长8.4 m的临时轨排支墩。检算时分别选取轨道车、轨排运输平板车单个转向架和混凝土罐下方转向架3种主要荷载方式进行分析，并分别考虑不同荷载作用位置时结构受力状况。模型结构见图1～图3。

图1 模型整体结构

图2 钢轨与扣件模型示意

图3 支墩中钢筋模型示意

2 计算结果分析

建立了3种主要计算工况并分别考虑不同荷载作用位置下的轨道结构受力情况，经过前期试算，选取最不利荷载组合方式对结构整体受力情况进行分析。最不利的荷载组合方式为混凝土罐下方转向架直接作用在钢轨上，此时钢轨受到4个垂向荷载作用，单个轮重荷载作用力为105 kN，同时2对垂向荷载以单个支墩为中心对称(见图4)。

图4 垂向荷载作用示意

2.1 支墩结构受力分析

(1)支墩结构垂向受力分析

支墩结构垂向应力计算结果见图5。

图5 支墩结构垂向应力

通过计算分析可知，最大垂向应力出现在2对垂向荷载中心处的支墩上，最大压应力为1.18 MPa，此值小于C30混凝土抗压强度标准值(20.1 MPa)，支墩上混凝土结构不会因受压出现伤损。此时最大垂向拉应力约为0.05 MPa，此值小于C30混凝土抗拉强度标准值(2.01 MPa)，表明即使在这种最不利的荷载作用条件下，支墩垂向上不会出现拉裂。

(2)支墩结构纵向受力分析

列车荷载并未作用在支墩结构的正上方，因此支墩将受到较大的沿纵向的拉压应力作用，支墩沿纵向所受应力见图6。

图6 支墩结构纵向应力

通过计算分析可知，最大纵向应力出现在2对垂向荷载中心处的支墩上，最大拉应力出现在轨枕作用位置正下方，最大压应力出现在轨枕作用位置两侧。支墩上最大拉应力为0.15 MPa，最大压应力为0.50 MPa，此值分别小于2.01 MPa和20.1 MPa，支墩混凝土不会在纵向上拉裂或压碎伤损。

(3)支墩结构横向受力分析

轨枕作用在支墩上的位置并不在支墩结构的中心位置，因此支墩结构属于偏心受压部件，会在横向上出现较大的拉压应力，支墩沿横向所受应力见图7。

图7 支墩结构横向应力

通过计算分析可知，最大横向拉应力出现在轨枕作用位置正下方，最大压应力出现在支墩底部。支墩结构上最大拉应力为0.18 MPa，最大压应力为0.19 MPa，此值分别小于2.01 MPa和20.1 MPa，由此可得支墩混凝土不会在横向上拉裂或压碎伤损。

(4)支墩结构位移分析

支墩结构在受到列车荷载作用下会出现不同方向的挠曲变形，因此支墩结构不同位置会出现位移，但混凝土结构过大的挠曲变形会造成支墩结构折断，有必要检算支墩结构的位移。

通过计算分析可得，支墩结构在最不利列车荷载作用条件下，三向最大位移均小于0.01 mm，支墩结构并未出现较大挠曲变形，不会出现结构失稳的情况。

2.2 钢轨结构位移分析

在列车垂向荷载以及结构本身自重作用下，钢轨结构将会发生较为明显的垂向位移变形，同时由于支墩间距比较大，也将造成铺设在上方的轨排结构发生二次弯沉，这都会对轨道结构造成不利影响，有必要对钢轨结构的垂向位移进行研究分析。由于结构受力、约束条件以及扣件作用的影响，钢轨的纵、横向位移变化量非常小，此处不再对钢轨的纵、横向位移进行分析研究。图8为在结构本身重力作用下钢轨的垂向位移，图9为列车荷载和重力共同作用下钢轨的垂向位移。

图8 重力作用下钢轨的垂向位移

图9 列车荷载和重力共同作用下钢轨的垂向位移

由图9可以看出，仅在重力作用下，钢轨的最大垂向位移约为0.06 mm，此时钢轨的沉降量并不大。在列车荷载和重力共同作用下钢轨的最大垂向位移约为2.48 mm，此时钢轨的沉降量较大，对车辆安全运行有比较大的影响，但考虑结构本身为临时轨道结构，且轨排运输车和混凝土运输车的行驶速度较低并对行车舒适性没有要求，可以认为此种最不利荷载条件下，钢轨最大垂向位移虽超过1.5 mm，但并不会造成较大安全隐患。应当注意的是轨排运输车和混凝土运输车在临时轨道结构上行驶时速度不可过高。

2.3 轨排稳定性分析

轨排结构在列车荷载以及自身重力的影响下会出现不同位移变形，此处对轨排结构的位移进行计算分析，以期对轨排结构的稳定性做出判断。

通过计算分析可得，除空吊处轨枕出现约0. 11 mm竖向位移外，位于支墩上的轨枕结构在最不利列车荷载作用条件下，三向最大位移均小于0.01 mm，不会出现结构失稳的情况。这主要是由于作为底部基础支承的支墩结构在最不利列车荷载作用下并未出现较大幅度的挠曲变形，上部的轨排结构也不会出现较大变形。2.4 钢筋抗拔力计算

以《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)为例，该规范规定当计算中充分利用钢筋受拉强度时，其锚固长度按式(1)计算

(1)

式中la——受拉钢筋的基本锚固长度；

fy——锚固钢筋的抗拉强度设计值，取195 MPa；

ft——锚固区混凝土的抗拉强度设计值，取1.45 MPa；

d——锚固钢筋的直径，取12 mm；

av——锚固钢筋的外形系数，其中螺纹肋钢筋外形系数为0.13。

将上述参数带入式(1)，可得