李啟航，杜華，郭緯文，孫嘉良

CFT軌枕鋼管結(jié)合位置優(yōu)化研究

李啟航1, 2, 3，杜華4，郭緯文4，孫嘉良5

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2. 鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；4. 金華市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 金華 321000；5. 中國鐵建股份有限公司，北京 100855)

由于鋼管混凝土構(gòu)件與混凝土軌枕塊結(jié)合位置的設(shè)計(jì)尺寸對其在吊裝與施工過程中受力影響顯著，為研究鋼管混凝土構(gòu)件距離軌枕塊底部的距離、鋼管混凝土構(gòu)件之間的間距，建立有限元模型分析鋼管混凝土構(gòu)件中心與混凝土軌枕塊底部距離分別取30，40，50和60 mm時(shí)混凝土軌枕的受力情況，同時(shí)分析2鋼管混凝土構(gòu)件中心距離分別取140，150，160，170和180 mm時(shí)，混凝土軌枕的受力情況。計(jì)算結(jié)果表明：取50 mm，取150 mm時(shí)混凝土軌枕塊受力最優(yōu)。

鋼管混凝土軌枕；有限元模型；受力性能；設(shè)計(jì)尺寸

鋼管混凝土軌枕采用鋼管混凝土構(gòu)件連接混凝土軌枕塊，簡稱CFT軌枕(Concrete-filled steel tubular sleeper)，適用于現(xiàn)澆鋼筋混凝土道床無砟軌道。對于雙塊式類型的軌枕，其吊裝、施工過程的受力與變形對軌道結(jié)構(gòu)的成功鋪設(shè)有著至關(guān)重要的影響。鋼管混凝土構(gòu)件與軌枕塊結(jié)合處是軌枕在吊裝、施工過程中受力的關(guān)鍵部位之一，為確保鋼管混凝土構(gòu)件與混凝土軌枕塊結(jié)合位置在吊裝、施工過程中不出現(xiàn)開裂、掉塊，保證施工完成后軌道結(jié)構(gòu)具有良好的整體性和耐久性，需設(shè)計(jì)最優(yōu)的結(jié)合部位尺寸，使得結(jié)合部位應(yīng)力降低。針對混凝土軌枕的研究，李振[1]對SK-2型雙塊式軌枕表面氣泡原因進(jìn)行了分析；馬永磊等[2]對雙塊式無砟軌道軌枕與道床交界面損傷特性進(jìn)行了分析；謝露等[3]對雙塊式無砟軌道枕邊裂紋內(nèi)部動(dòng)水壓力和水流速度的分布和變化規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算；YOU等[4?5]對混凝土軌枕在列車荷載作用下的疲勞壽命及承載能力進(jìn)行計(jì)算分析。針對鋼管混凝土的研究，徐禮華等[6]對多邊形鋼管混凝土柱偏心受壓承載力進(jìn)行了研究；馬嬌嬌等[7]對強(qiáng)度和溫度對鋼管混凝土徐變性能開展了試驗(yàn)研究；王博等[8?9]對L形鋼管混凝土柱的承載力進(jìn)行了研究。目前針對軌枕的研究主要是對軌枕的整體受力性能、抵抗力開展分析研究，對鋼管混凝土的研究主要是對較大型鋼管混凝土柱的承載力、自身的變形等開展研究。鋼管混凝土軌枕是近期研發(fā)的一種新型軌枕，鋼管與混凝土結(jié)合部位是受力的關(guān)鍵位置，其設(shè)計(jì)尺寸合理與否直接影響結(jié)構(gòu)的可靠性，因此本文建立有限元分析模型，對鋼管混凝土軌枕中鋼管混凝土構(gòu)件與軌枕塊底部距離及兩鋼管混凝土構(gòu)件中心距離進(jìn)行計(jì)算分析，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸。

1 計(jì)算分析模型

1.1 軌枕設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，起吊時(shí)鋼管混凝土構(gòu)件挑起軌枕塊、施工過程中鋼管混凝土構(gòu)件承受垂向荷載，鋼管混凝土構(gòu)件距離軌枕塊底部尺寸過大或者過小時(shí)，均可能造成軌枕底部或者頂部混凝土應(yīng)力過大開裂；當(dāng)過大時(shí)導(dǎo)致軌枕塊側(cè)面混凝土受力不利，過小時(shí)兩鋼管產(chǎn)生的應(yīng)力疊加。為分析和的最優(yōu)尺寸，優(yōu)化軌枕塊混凝土的應(yīng)力分布。根據(jù)軌枕塊的實(shí)際尺寸，建模分析鋼管混凝土構(gòu)件中心與混凝土軌枕塊底部距離分別為30，40，50和60 mm時(shí)，兩鋼管混凝土構(gòu)件中心距離分別為140，150，160，170和180 mm時(shí)，混凝土軌枕的受力情況。在分析變化時(shí)取150 mm，分析變化時(shí)取50 mm，軌枕設(shè)計(jì)方案如表1，軌枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 結(jié)合尺寸

表1 軌枕設(shè)計(jì)方案

單位：mm

1.2 有限元模型

有限元模型中，鋼管混凝土構(gòu)件和混凝土軌枕塊均采用實(shí)體模型，結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)相同，模型中鋼管采用Q235鋼材，軌枕塊采用C60混凝土，鋼管中灌注抗壓強(qiáng)度達(dá)到60MPa的自密實(shí)砂漿材料，模型中鋼管與灌注的砂漿材料一體化考慮，分別賦予不同的材料屬性，其材料參數(shù)如下表所示。ABAQUS有限元模型中采用C3D8R單元?jiǎng)澐帧?/p>

表2 模型材料參數(shù)

根據(jù)相關(guān)研究[10]鋼管混凝土軌枕在起吊、施工架設(shè)過程中鋼管與軌枕結(jié)合處受力為不利工況。因此起吊分析有限元模型中，在軌枕正中間位置鋼管處施加約束，兩端軌枕塊處于懸臂狀態(tài)，模擬軌枕懸吊至空中的不利工況，有限元模型如圖3所示。

圖3 軌枕起吊有限元模型

施工架設(shè)過程的模擬，在兩端混凝土軌枕上表面固定約束，鋼管混凝土構(gòu)件對稱軸位置施加1 000 N垂向荷載，模擬施工過程中軌枕架設(shè)在鋼軌上承受施工荷載的工況。如圖4所示。

圖4 施工架設(shè)有限元模型

2 軌枕受力計(jì)算分析

2.1 鋼管混凝土構(gòu)件與軌枕塊底部距離H

分析鋼管混凝土構(gòu)件中心與混凝土軌枕塊底部距離的最優(yōu)值時(shí)，取=150 mm，取值分別為30，40，50和60 mm。由于混凝土材料具有彈塑性[11]，本文在分析應(yīng)力變化時(shí)將最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力均進(jìn)行對比，按圖5所示應(yīng)力路徑提取分析混凝土軌枕塊孔洞周圍最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力情況。

2.1.1 起吊過程受力分析

起吊過程的模擬，計(jì)算得出鋼管與軌枕塊結(jié)合部位最大主應(yīng)力、Mises應(yīng)力變化曲線如圖6和圖7所示，該工況下對比應(yīng)力變化趨勢曲線，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)取50 mm時(shí)圍繞孔洞一圈應(yīng)力水平較取其他值時(shí)低。

圖5 孔洞周圍應(yīng)力提取路徑

提取最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力最大值如表3所示。取50 mm時(shí)最大主應(yīng)力最大為1.40 MPa，Mises應(yīng)力最大值為1.33 MPa，可發(fā)現(xiàn)取50 mm時(shí)孔洞周圍最大應(yīng)力低于取其他值。由此可見取50 mm是起吊過程軌枕受力的最優(yōu)值。

表3 起吊過程模擬計(jì)算結(jié)果

圖6 孔洞周圍最大主應(yīng)力

2.1.2 施工架設(shè)受力分析

施工架設(shè)過程模擬計(jì)算得出鋼管混凝土構(gòu)件距離混凝土軌枕塊底部距離從30，40，50和60 mm逐漸變化時(shí)，鋼管與軌枕塊結(jié)合部位最大主應(yīng)力變化如圖8所示，提取最大主應(yīng)力的最大值如表4所示，取50 mm時(shí)繞孔洞一圈其最大值為0.73 MPa，孔洞周圍最大主應(yīng)力低于取其他值。

圖7 孔洞周圍Mises應(yīng)力

施工架設(shè)過程模擬計(jì)算得出鋼管混凝土構(gòu)件距離混凝土軌枕塊底部距離取不同值時(shí)，鋼管與軌枕塊結(jié)合部位Mises應(yīng)力變化如圖9所示，提取Mises應(yīng)力的最大值如表4所示，分析可知當(dāng)取50 mm時(shí)繞孔洞一圈其最大值為0.68 MPa，低于取其他值；對比變化趨勢曲線可知取50 mm時(shí)孔洞周圍Mises應(yīng)力處于相對較低水平。

表4 施工架設(shè)模擬計(jì)算結(jié)果

2.2 鋼管混凝土構(gòu)件間距L

通過上述計(jì)算分析可知當(dāng)=50 mm時(shí)軌枕塊受力最為有利，因此在=50 mm情況下進(jìn)一步計(jì)算分析兩鋼管混凝土構(gòu)件中心距離分別為140，150，160，170和180 mm時(shí)，混凝土軌枕塊孔洞周圍應(yīng)力情況。

2.2.1 起吊過程受力分析

計(jì)算得出兩鋼管混凝土構(gòu)件中心距離分別為140，150，160，170和180 mm時(shí)，鋼管與軌枕塊結(jié)合部位應(yīng)力變化如圖10和圖11所示；提取最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力最大值如表5所示。

結(jié)合應(yīng)力最大值和變化趨勢曲線分析，可知當(dāng)取150 mm時(shí)圍繞孔洞周圍最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力均小于取其他值。

圖8 孔洞周圍最大主應(yīng)力

圖9 孔洞周圍Mises應(yīng)力

圖10 孔洞周圍最大主應(yīng)力

圖11 孔洞周圍Mises應(yīng)力

表5 起吊過程模擬計(jì)算結(jié)果

2.2.2 施工架設(shè)受力分析

計(jì)算得出兩鋼管混凝土構(gòu)件中心距離分別為140，150，160，170和180 mm時(shí)，鋼管與軌枕塊結(jié)合部位最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力變化曲線如圖12和圖13所示，可見該工況下取不同值時(shí)2種應(yīng)力變化趨勢一致，取150 mm時(shí)應(yīng)力水平較其他值略低。

圖12 孔洞周圍最大主應(yīng)力

提取最大主應(yīng)力和Mises應(yīng)力最大值如表6所示?？梢姰?dāng)取150 mm時(shí)圍繞孔洞一圈最大主應(yīng)力、Mises應(yīng)力均小于取其他值時(shí)。

圖13 孔洞周圍Mises應(yīng)力

表6 施工架設(shè)模擬計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1) 鋼管混凝土構(gòu)件中心與混凝土軌枕塊底部距離取不同值時(shí)，影響軌枕的受力性能，當(dāng)取50 mm時(shí)軌枕塊受力最優(yōu)。

2) 兩鋼管混凝土構(gòu)件中心距離取不同值時(shí)，影響軌枕的受力性能，取150 mm時(shí)混凝土軌枕塊受力最優(yōu)。

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Research on the optimization binding site of CFT sleeper steel tube

LI Qihang1, 2, 3, DU Hua4, GUO Weiwen4, SUN Jialiang5

(1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China;2. Hubei Key Laboratory of Track Security Service, Wuhan 430063, China; 3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;4. Jinhua Jinyidong Rail Transit Co., Ltd, Jinhua 321000, China; 5. China Railway Construction Corporation Limited, Beijing 10085, China)

The design dimensions of the joint position of the concrete-filled steel tubular members and the concrete sleeper blocks have a significant influence on the stress in the process of hoisting and construction. To study the distance of the concrete-filled steel tubular members from the bottom of the sleeper block and the distance between concrete-filled steel tubular members, the finite element model was established to analyze the stress of the concrete sleeper when the distancebetween the center of the CFT member and the bottom of the concrete sleeper block was 30, 40, 50 and 60 mm respectively and the stress of the concrete sleeper was analyzed when the central distanceof the two concrete-filled steel tubular members was 140, 150, 160, 170 and 180 mm. The results showed that the stress of the concrete sleeper block was optimal when H is 50 mm and L is 150 mm.

concrete-filled steel tubular sleeper; finite element model; force performance; design dimension

U213.2+44

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1376 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190739

2019?08?23

北京市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目( Z181100003918004)；中國鐵建股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(16-A01)

杜華(1979?) 男，四川廣安人，高級工程師，從事軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究；E?mail：1090049199@qq.com

(編輯 涂鵬)