收稿日期:2009-06-30基金项目:国家自然科学基金项目(50848015)作者简介:徐彩彩(1986-),女,山西长治人。

硕士研究生,主要从事无砟轨道方面的研究。

E-m ai:l xucai cai 0355@163.co m 。

高速铁路双方孔板式轨道结构静力分析徐彩彩1,刘志雄2,赵坪锐1(11西南交通大学土木工程学院,成都 610031;21石家庄铁道学院,石家庄 050043)摘 要:采用有限单元法,研究了双方孔板式无砟轨道结构的静力学特性。

双方孔板式轨道作为一种新型的板式轨道结构,在纵向荷载、横向荷载和温度荷载作用下,随着轨道板长度的变化,各部件应力、变形值基本呈线性变化,但量值均较小,结构的力学性能优于日本板式无砟轨道。

关键词:高速铁路;双方孔板式轨道;不同板长;有限单元法;静力分析中图分类号:U 21312+42 文献标志码:A文章编号:1003-8825(2010)04-0039-020 引言高速铁路板式轨道具有良好的稳定性、刚度均匀性、平顺性及耐久性,并可显著减少线路的维修工作量。

其结构形式,主要有日本板式无砟轨道和德国博格板式无砟轨道。

双方孔板式无砟轨道的设计最早源于日本,其轨道板中间设双孔,两凸台分别位于轨道板的双孔中,形状与轨道板内框相吻合,凸台与轨道板间填充砂浆,轨道结构平面如图1。

针对我国大力发展高速铁路无砟轨道的现状,研究分析双方孔板式轨道结构在纵、横向荷载及温度荷载作用下的力学性能,并探究不同板长下力学参数变化规律,以便更好地指导结构设计,提高高速铁路的建设质量。

1 计算模型[1,2]采用有限单元法,取一块轨道板建立计算模型,轨道板、凸型挡台、轨道板底部CA 砂浆以及凸台周围填充的砂浆,均用实体单元模拟。

在轨道板与凸台周围砂浆、轨道板与底部砂浆以及凸台与周围砂浆之间,均通过接触单元相联系。

2 基本设计参数轨道板长度分别取3685,4933,5750,6410,6440mm 五种情况进行分析。

主要设计参数如表1。

表1 主要设计参数部件项目数值凸台凸台周围砂浆底部砂浆轨道板长度/mm 90010宽度/mm 64010高度/mm25010密度/(kg #m -3)250010泊松比012弹性模量/M Pa 3250010厚度/mm4010弹性模量/M Pa20010厚度/mm 5010宽度/MPa 240010高度/mm19010弹性模量/M Pa3650010泊松比012密度/(kg #m -3)2500103 计算结果及受力分析[3,4]311 纵向荷载下纵向力施加于各扣件节点,轨道板内同时出现拉力和压力,设计时应考虑拉力在最不利情况下会出现仅一凸台受力的情况。

轨道板、凸台及填充层的受力计算结果如表2。

表2 双方孔轨道板纵向荷载作用结果轨道板型号轨道板纵向位移/mm 轨道板拉应力/M Pa 凸台周围砂浆层拉应力/M Pa 底部砂浆层拉应力/M Pa 凸台拉应力/M Pa P36850102340104001110109501090P49330102500116201120110501100P57500102810125201140111001112P64100102840131001120112001120P64400102910135001130111001125由表2及图2可知,在纵向荷载作用下,双方孔轨道板填充层应力、凸台应力、轨道板位移及拉应力均随板长的增加而增大,但填充层应力和轨道板纵向#39#徐彩彩,等:高速铁路双方孔板式轨道结构静力分析位移增加幅度很小。

而日本板式轨道结构中,轨道板不会产生拉应力。

但双方孔轨道板产生的拉应力最大值仅0135M Pa ,在混凝土抗拉强度设计值2104M Pa 范围内或可通过配置钢筋予以加强。

312 横向荷载下当横向力作用于轨道板时,轨道板将产生横移和转角,特别是当横向力作用于轨道板端时,取其横向力Q =80kN ,考虑扣件的横向刚度,可认为作用于板端第一位扣件上的最大横向力为014Q ,作用于相邻两扣件上的横向力分别为012Q 和011Q 。

在横向荷载下,填充层应力和凸台应力值见表3,其相应的应力变形如图3。

比较分析可知,随着轨表3 双方孔轨道板横向荷载作用结果轨道板型号轨道板板端位移/mm转角/(rad #1000-1)填充层应力/M Pa 凸台应力/M Pa P3685010210100710101801026P4933010230100600101401021P5750010240100450101101014P6410010260100400101001011P6440010270100410101001025道板长度的增加,板端位移随之增大,而板端转角则减小。

板长6440mm 时轨道板位移仅为01027mm,板长为3685mm 时板端转角仅为010071,满足横向位移2mm 和转角1/1000允许限值。

另外,随轨道板长度的增加,填充层应力和凸台应力随轨道板加长而减小。

在板长稍大时,填充层应力、轨道板转角和板端位移都较小。

因此,抵抗横向力作用,双方孔板式轨道结构优于日本板式无砟轨道结构。

313 温度荷载下轨道板与底座间存在温差时,轨道板伸缩变形将受到凸台限制,从而产生温度应力。

对于双孔轨道板,由于凸台位于轨道板内部,当轨道板温度高于底座板时,轨道板的膨胀受到限制,将在轨道板内产生压力,对轨道板受力有利,而当轨道板温度低于底座板时,轨道板的收缩同样将受到凸台限制而产生拉力。

由于温度压力对轨道板受力有利,此处仅讨论轨道板内产生温度拉力的情况。

取轨道板与底座间的温差为10e ,将温度荷载均匀施加于轨道板上。

当轨道板与底座间存在10e 温差时,轨道板内产生的温度力为F x =(k x A t L x $T )/2(1)式中 k x 为凸台周围材料弹性系数;A t 为混凝土线膨胀系数;L x 为轨道板伸缩变形受限长度,$T 为轨道板与底座间温差。

在温度荷载作用下,双方孔板式轨道各部件受力情况见表4,其相应的应力变形如图4。

表4 双方孔轨道板温度荷载作用结果轨道板类型轨道板应力/M Pa 凸台应力/M Pa 填充层应力/M Pa P36850188010670105P49330193011250106P57500196011360109P64100198011570113P64401130011680113在温度荷载作用下,轨道板、凸台及填充层的应力均随轨道板长度的增加而变大,这是由于轨道板长度越长,在荷载作用下其受限制的伸缩位移越大。

但总的来说,量值都较小,对结构受力影响不大。

由式(1)知,轨道板温度力与凸台周围材料弹性模量成正比,因此,可通过在凸台周围设置弹性模量较小的填充层材料,以减小轨道板受力。

4 结语(1)在纵向荷载作用下,随着轨道板长度的增加,双方孔轨道板的纵向位移和轨道板拉应力随之增加,但量值均在允许范围内。

由于在轨道板内会出现拉应力,因此应对轨道板合理配筋,防止破坏现象发生。

(2)在横向荷载作用下,轨道各部件应力、位移值均很小,力学性能明显优于日本板式无砟轨道。

(3)在温度荷载作用下,轨道板内会产生拉应力,且随板长的增加,轨道结构受力会变大,但凸台和填充层的量值很小,影响不大。

为减小温度力对轨道板和充填层应力的影响,设计时可在凸台外侧设置弹性模量较低的充填材料。

参考文献:[1]赵国堂.高速铁路无碴轨道结构[M ].北京:中国铁道出版社,2006.[2]王其昌.板式轨道设计与施工[M ].成都:西南交通大学出版社,2002.[3]陈希成.高速铁路板式轨道结构力学分析[D ].成都:西南交通大学硕士学位论文,2008.[4]刘成轩,翟婉明.轨道板强度问题的有限元分析初探[J].铁道工程学报,2001,69(1):24-26.#40#路基工程Subgrade Eng i neeri ng2010年第4期(总第151期)Analysis on Static Stress of Double -pore Slab Track Structure of H igh -s peed Rail w ayXU Ca-i cai 1,L I U Zh -i xiong 2,ZHAO P i n g -ru i 1(1.Sc hool of C i vil Engi neeri ng ,South w est Jiaotong Un i versity ,C he ngdu 610031,Ch i na ;2.Sh ijiazhua ng R ail w a y Instit u te ,Sh iji azhuang 050043,C hina)Abstract :Static characteristic of double -pore slab ballastless track is studied w ith fi n ite ele m ent method .Fordoub le -pore slab track ,as a ne w type track structure ,each co mponen t stress and defor mation val u e basically assu m e li n ear change w ith the changes of track slab length under the effect of longitud i n al load ,lateral load and te mperature load ,but both quan tity and value are s m aller ,and str uctural m echan ics perfor mance is superior than that of Japanese slab ballastless track .K ey words :h i g h -speed rail w ay ;double -pore slab track ;d ifferen t slab length ;finite ele ment method ;staticstress analysis收稿日期:2009-05-18基金项目:四川省交通厅交通建设科技项目(2006A24-57)作者简介:王红侠(1965-),男,四川成都人。

工程师,主要从事道路桥梁技术管理工作。

E-m ai:l huang0649@1631co m 。

喇嘛溪沟溯源侵蚀机理研究王红侠1,廖文江1,黄水亮2(11四川雅西高速公路有限责任公司,成都 610041;21西南交通大学土木工程学院,成都 610031)摘 要:喇嘛溪沟既有沟谷发展演化的一般规律,同时也具其特殊性。