整体道床无砟轨道现浇道床板新老混凝土黏结面应力分析

王会永，闫红亮

(铁道第三勘察设计院，天津 300142)

现浇整体道床式无砟轨道具有轨道稳定性高、结构耐久性强、维修工作量少和技术相对成熟的优点。但由于现场浇注混凝土道床板易出现裂缝，在新浇注道床板混凝土和预制好的已经达到混凝土龄期的轨枕混凝土黏结面上出现裂缝几率比较多。德国的整体道床无砟轨道结构从最初的长轨枕埋入式到双块式的改进，最终形成现在雷达2000型双块式无砟轨道，每一次改进都减少了轨枕中已达龄期的混凝土和现浇道床板新混凝土之间的接触面积，使新老混凝土之间的黏结更加紧密，从而增加轨道的可靠度和稳定性。由此可见，轨枕的结构形式对新老混凝土黏结面应力的发展有至关重要的作用，研究其中的影响对改进现有的轨道形式和开发新的轨道结构有重要意义。

1 计算模型

1.1 热—结构耦合分析模型的实现

热应力问题是热和应力两个物理场之间的相互作用，属于耦合场分析问题，与其他耦合场的分析方法类似，一般有两种方法来实现:直接法和间接法。

直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果;间接法是指先进行热分析，然后通过程序将求得的单元节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。本文采用间接法，以大型有限元软件ANSYS为平台，进行编程二次开发建立耦合场模型，这种方法由于有精确的温度场作为条件，求得的热应力也接近实际，比现在常用的单纯对结构进行升温和降温计算要更精确。

热—结构耦合分析实现流程为:模型建立→定义热单元→温度场分析→单元转换→温度应力分析。

1.2 模型加载及边界条件

1)加载确定。混凝土的早期裂缝大多是在混凝土浇注过程中产生的水化热造成的，时间一般为从浇注到混凝土达到标准强度28 d之内，新老混凝土的结合面抗拉强度较低，很容易在混凝土浇注过程中在早期热应力作用下发生开裂。本文分析了道床板从浇注开始至28 d内新老混凝土黏结面的温度应力变化，以第28d黏结面的应力状态作为判断依据。混凝土早期热分析中单元生热率作为体力加载，其随时间的变化曲线见图1。

图1 混凝土浇注水化热释放速率

2)初始边界条件。预制轨枕及HGT层的初始温度为16.5℃，道床板混凝土开始浇注初始温度是40℃，空气温度为20℃，水硬性支承层HGT层底部与路基之间绝热，裸露在外面的混凝土与空气产生对流，对流系数为 60 kJ/(m2·℃·h)。

2 计算参数

本文考虑到轨枕、支承层、道床板混凝土配合比相差不大，采用同一个配合比对其热力学参数进行估算，具体配合比及各组成成分热力学性能见表1。道床板混凝土浇注后养护过程中弹性模量随龄期变化，养护温度取22℃，弹性模量随龄期变化曲线见图2。

表1 混凝土配合比及材料热学性能

图2 混凝土早期弹性模量发展

3 计算结果及分析

本文以纵向长枕整体道床无砟轨道为例，研究轨枕在不同长度、宽度、厚度及枕缝宽度对黏结面应力的影响。道床板宽2.8 m，厚260 mm，长度根据不同工况可变。

为了具有可比性，在分析不同尺寸轨枕对新老混凝土黏结面的影响时，改变某一尺寸，其余轨枕尺寸均相同。每一种分析工况下的研究对象相同，都为混凝土浇注后第28 d时新老混凝土内侧纵向黏结表面，测点设置见图3。图3(b)为新老混凝土内侧枕角位置的残余剪应力点，图3(c)为道床板中间位置横向黏结表面，其余断面和位置点作为参考分析点在本文不作介绍。

图3 纵向长枕道床板示意

由图4可知，轨枕长度的改变对枕角剪应力的发展影响不大，这几种轨枕长度工况下，大小约为0.24 MPa。B-B黏结面上在枕缝处拉应力突然降低，在黏结面处拉应力变化平缓，轨枕越长，拉应力平滑线越长，但当轨枕长度>1.8 m时，此黏结面上的拉应力影响变得不明显。轨枕长度对C-C黏结面应力影响不明显。

图4 轨枕长度对黏结面应力状态的影响

分析图5可知，在改变轨枕宽度的情况下，枕角G剪应力随龄期发展差异不大，应力值比较接近。降低枕宽对纵向B-B黏结面有较大影响，轨枕宽越窄，纵向黏结面的拉应力越小，近似成线性递增，增加的幅度约为0.08 MPa。枕宽对横向黏结面C-C最大拉应力也有明显影响，轨枕越宽黏结面上的拉应力就越小，其原因是轨枕过窄会引起横向黏结面的点约束，造成其上拉应力的增加。由此可知，枕宽对纵横向黏结面拉应力均有影响，且影响的趋势相反，需要对宽度进行合理设置。

分析图6可知，轨枕厚度的变化与残余剪应力成反比，轨枕厚度增加使得28 d龄期时枕角G残余剪应力增大，增加幅度约为0.02 MPa/50 mm。轨枕过薄可能对其纵向黏结面受拉产生不利影响，不过在实际设计中为了满足强度要求，轨枕也不可能很薄，因此厚度对纵向黏结面的影响可忽略不计。在满足轨枕强度条件下，减小枕厚对黏结面受力有利，从雷达双块轨枕的发展过程可以对此进一步验证。

图5 轨枕宽度对黏结面应力状态的影响

图6 轨枕厚度对黏结面应力状态的影响

图7 枕缝对黏结面应力状态的影响

分析图7可知，枕缝宽度设置在一定范围内时，对枕角G剪应力，纵横向黏结面内拉应力均有影响，宽度增大，会增大枕角剪应力和枕端纵向黏结面内的拉应力，但会降低横向黏结面内的拉应力。因此在一定扣件间距内，枕缝要有个合理的设置。

4 结论

整体道床在浇注过程中轨枕的具体结构对新老混凝土黏结面内的应力状态影响是比较大的，在对轨枕结构的设计时需要考虑这些因素。轨枕尺寸各个因素对黏结面内的应力状态影响也不尽相同，本文计算结果对轨枕尺寸各个因素对黏结面内应力状态的影响做了一个定性总结，见表2。

表2 轨枕结构对新老混凝土黏结面应力影响

通过以上的计算和分析，本文得出以下结论:

1)轨枕过短或过窄，会引起纵向或横向黏结面内较大的拉应力值。

2)枕宽设置对纵横向黏结面内拉应力均有影响，枕宽增加对纵向黏结面内拉应力产生不利影响，而对横向黏结面内的拉应力有利，设计时需要合理设置其宽度。

3)轨枕厚度过小时对纵向黏结面内拉应力产生不利影响，厚度大约在100 mm以上时影响不显著;厚度增加明显对枕角剪应力产生不利影响。

4)枕缝宽的设置对黏结面内应力状态影响也比较显著，枕缝宽过小会显著增大横向黏结面内拉应力，但减小枕缝宽似乎对枕角剪应力和枕端纵向黏结面的拉应力有利。

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