程歡歡

摘要：對(duì)兩端簡(jiǎn)支的火車(chē)道口板進(jìn)行豎向加載試驗(yàn)，并采用有限元軟件ABAQUS對(duì)道口板進(jìn)行數(shù)值模擬分析。試驗(yàn)表明，有限元軟件能很好的模擬道口板的力學(xué)性能，豎向加載530kN時(shí)，跨中測(cè)點(diǎn)的豎向變形為1.79mm，豎向變形與豎向加載呈線性變化，表明在530kN荷載作用下道口板變形在彈性范圍內(nèi)，滿足50t荷載的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：道口板; ABAQUS;數(shù)值分析

鐵路平交道口是鐵路和公路交匯的重要設(shè)施，同時(shí)也是鐵路線路中的薄弱環(huán)節(jié)，是鐵路設(shè)備管理的重點(diǎn)，國(guó)家為滿足物流負(fù)荷不斷加大的需要而一直對(duì)道口板的選用加以改良創(chuàng)新，減少道口病害隱患，延長(zhǎng)維修周期，提高道口通過(guò)能力，確保鐵路、公路運(yùn)輸順利，就目前現(xiàn)狀，大量重型機(jī)動(dòng)車(chē)超載以后的實(shí)際軸重已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)線路、軌枕承載力的設(shè)計(jì)規(guī)定，機(jī)動(dòng)車(chē)通過(guò)時(shí)沖擊道口板造成其破壞已危及線路的安全。

傳統(tǒng)施工方法是現(xiàn)場(chǎng)直接對(duì)道口進(jìn)行施工改造，這種方法存在一定的問(wèn)題，施工速度慢，施工質(zhì)量和型號(hào)也無(wú)法統(tǒng)一，這時(shí)迫切需要采用統(tǒng)一的道口板[1]-[3]到現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行安裝，這樣可以有效提高施工速度，保證施工質(zhì)量。本文提出的鐵路道口板（圖1所示）適用與鐵路、公路平交道口，城市輕軌道環(huán)形線路平交道口，以及車(chē)站站臺(tái)、行李車(chē)過(guò)道、貨場(chǎng)，礦山專(zhuān)用鐵路、公路平交道口，能讓機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人，在保證安全的前提下，平穩(wěn)、迅速地通過(guò)道口，同時(shí)應(yīng)避免封路維修。采用該種道口板，施工簡(jiǎn)單，施工速度快，大大減小工期。道口板一般平鋪于交叉路口，然后回填土，以保證道口板平鋪在地面上。

為了驗(yàn)證道口板在極限情況下的力學(xué)性能，現(xiàn)將道口板的兩側(cè)用鋼軌進(jìn)行支撐，然后進(jìn)行豎向加載試驗(yàn)，測(cè)量豎向變形，觀察混凝土表面是否出現(xiàn)開(kāi)裂。

一、靜力加載試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)的道口板采用C40混凝土澆筑而成，板與軌道平行的方向長(zhǎng)度為2.5m，與軌道正交的方向?yàn)?m，板高0.377m，混凝土保護(hù)層的厚度為40mm，鋼筋的直徑為12mm，配筋圖如圖2、圖3所示。

（二）加載制度

本次試驗(yàn)的加載制度[4]-[5]如圖4所示，加載采用逐級(jí)加載的方式，加載分4級(jí)，每隔10分鐘加載，前三級(jí)每級(jí)加載140kN，最后一級(jí)加載110kN，加載的總荷載為530kN。卸載分4級(jí)，跟加載正好相反，先卸載110kN，然后分3級(jí)卸載，每級(jí)卸載140kN。

加載的示意圖如圖5所示，4塊板平整的堆放于被加載對(duì)象上，實(shí)際加載情況如圖6所示，前3級(jí)加載時(shí)試塊較平整的堆放于被加載對(duì)象上，最后一級(jí)放置的不是十分對(duì)稱(chēng)，稍偏向左側(cè)。

（三）測(cè)點(diǎn)布置

位移計(jì)布置的位移計(jì)如圖7所示，槽口的下方和跨中進(jìn)行布置位移計(jì)，布置方式為軌道前后對(duì)稱(chēng)布置，一共6個(gè)位移計(jì)。測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示，S1、S2、S3為前側(cè)測(cè)點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的后側(cè)測(cè)點(diǎn)為S4、S5、S6。

（四）位移采集設(shè)備

豎向位移采用樁基靜載荷分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該采集儀多通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集，可以顯示每級(jí)的位移變化值和累計(jì)變化值，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，精確到0.01mm，十分靈敏。

二、測(cè)試結(jié)果與有限元分析

（一） 實(shí)測(cè)結(jié)果

各測(cè)點(diǎn)的豎向變形如表1所示，S1、S2、S3、S4、S5、S6分別表示各測(cè)點(diǎn)豎向變形值。

表2為實(shí)測(cè)各點(diǎn)相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的平均值，由于加載兩邊不對(duì)稱(chēng)，取對(duì)應(yīng)兩測(cè)點(diǎn)的平均值作為最終豎向變形值，1#測(cè)點(diǎn)取S1、S4的平均值，2#測(cè)點(diǎn)取S2、S5的平均值，3#測(cè)點(diǎn)取S3、S6的平均值，如表2所示。得到的豎向變形與加載的曲線如圖9所示。

從圖9可知，道口板的豎向變形量在荷載的作用下基本呈線性關(guān)系，說(shuō)明道口板沒(méi)有發(fā)生塑性變化。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在最大加載作用下，下端混凝土沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂縫，充分說(shuō)明道口板在簡(jiǎn)支支撐的情況下也能夠承受500kN的荷載。

（二）有限元數(shù)值分析

為進(jìn)一步了解道口板在多極荷載作用下的力學(xué)性能，采用有限元ABAQUS[6]-[9]對(duì)道口板在加載的作用下進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

模型采用分離式建模，混凝土與鋼筋分開(kāi)建模，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。

1、單元選擇

混凝土采用縮減積分的8節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R，雖然這種單元與其他等參單元相比，計(jì)算精度稍低，但可以滿足工程精度要求，可以減少很多自由度，從而可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)的桁架單元，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)為3個(gè)平動(dòng)自由度，單元只承載軸向受力，不承受彎矩作用，將桁架單元與實(shí)體單元共用節(jié)點(diǎn)，這樣可以保證不同單元之間位移協(xié)調(diào)。

2、網(wǎng)格劃分

通過(guò)對(duì)幾何模型進(jìn)行切割，實(shí)體單元采用六面體單元格的劃分，由此較好的保證了計(jì)算的精度。同時(shí)桁架單元與實(shí)體單元尺寸一致，從而保證位移協(xié)調(diào)，網(wǎng)格劃分如圖10所示。

3、材料參數(shù)

模擬過(guò)程中采用的材料參數(shù)如表3所示，混凝土采用ABAQUS中自帶的拉壓不等本構(gòu)模型，鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型模擬，第二剛度為0，屈服強(qiáng)度取210MPa。

從圖11為最大加載時(shí)受彎的應(yīng)力云圖，由圖可知混凝土最大拉應(yīng)力剛達(dá)到混凝土的受拉強(qiáng)度，最大壓應(yīng)力14.2MPa，遠(yuǎn)低于混凝土的抗壓強(qiáng)度24.5MPa，從圖12可知鋼筋沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度210MPa，處于彈性范圍內(nèi)。由于不對(duì)稱(chēng)加載，導(dǎo)制1#位的鋼筋網(wǎng)的應(yīng)力明顯較3#位的應(yīng)力大。

由圖可知在530kN的荷載作用，道口板沒(méi)有發(fā)生塑性變形，模擬計(jì)算得到的荷載也滿足承載力要求。

圖13為道口板的豎向正應(yīng)力云圖，豎向正應(yīng)力反應(yīng)混凝土的局部受壓，由圖可知，豎向局部正應(yīng)力為1.1MPa，低于混凝土的抗壓強(qiáng)度，因而受壓滿足承載力的要求。

圖14為道口板剪應(yīng)力，由于支撐位置離加載位置較近，道口板的剪應(yīng)力云圖呈現(xiàn)“八”字形式，這是典型的剪壓模式，構(gòu)件在剪力的作用下，破壞線沿著斜線方式破壞，從圖中可知道口板的剪應(yīng)力小于1.25倍的混凝土的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明道口板的箍筋只需按規(guī)范上的最小配筋率進(jìn)行配筋即可滿足規(guī)范上的要求。

圖15為道口板各測(cè)點(diǎn)平均沉降量與加載的曲線，從圖中可知，實(shí)測(cè)值略大于模擬值，最大誤差為18.5%，模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

三、結(jié)語(yǔ)：

通過(guò)對(duì)火車(chē)道口板進(jìn)行靜載試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析可以得出如下結(jié)論：

（1）道口板的施工安裝應(yīng)朝著便攜化、機(jī)械化和裝配式的方向發(fā)展。

（2）在逐級(jí)加載下，道口板各測(cè)點(diǎn)的豎向變形與加載呈線性變化，說(shuō)明最大加載下結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形。

（3）在最大加載情況下，混凝土底板沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，完好無(wú)損。

（4）有限元模擬與實(shí)測(cè)吻合較好，說(shuō)明有限元計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信，模擬得出混凝土與鋼筋的受力均在彈性范圍內(nèi)。

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