温度荷载作用下路基上双块式无砟轨道道床板力学特性研究

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【摘 要】温度荷载是双块式无砟轨道的重要荷载。本文以路基上双块式无砟轨道主体结构为研究对象，主要包括双块式无砟轨道道床板、混凝土支撑层，辅以分析软件ansys进行分析，建立了考虑钢筋与混凝土滑移粘结作用的有限元力学模型，研究了温度荷载作用下路基上双块式无砟轨道道床板的力学特性。

【关键词】温度荷载；双块式无砟轨道；力学特性；Ansys

1.路基上双块式无砟轨道力学模型

作者在吸收国内外研究成果的基础上，利用大型通用软件Ansys建立了包括双块式轨枕、道床板、钢筋、支承层的双块式无砟轨道三维有限元力学模型，研究了温度梯度荷载作用下双块式无砟轨道道床板混凝土和钢筋的力学特性[1]。

力学模型中道床板钢筋用杆单元link8模拟。双块式轨枕、道床板、支承层以八节点实体单元SOLID65模拟。为了考虑混凝土与钢筋的粘结滑移效应，道床板混凝土与钢筋之间的连接用弹簧单元COMBIN14模拟。现有的路基上双块式无碎轨道力学模型大多假定道床板与水硬性支承层之间紧密连接（摩擦系数无穷大），两者变形协调一致，形成结合式结构，本文也延续这一理论。在ANSYS环境下生成的路基上双块式无砟轨道力学模型如1所示。

模型以2个裂缝间距内双块式无砟轨道道床板、支承层为研究对象，由于裂缝间距内轨道长度较短，钢轨和扣件的约束影响有限，模型中没有考虑，道床板与支承层粘结良好。参照连续配筋混凝土路面（CPCR）的设计及应用经验，地基摩阻力很小，可以忽略不计。

本模型中，双块式无砟轨道道床板的结构配筋为：纵向下层12根φ20，纵向上层9根φ20；横向每两个轨枕间距内上下层各设置一根φ16的钢筋[2]。

2.温度荷载下双块式无砟轨道力学特性研究

温度梯度荷载实际上是当轨道板在太阳照射下，由于混凝土的热传导性能差，会使得轨道板在厚度方向上存在温度梯度，出现白天上表面温度高、下表面低，晚上上表面温度低、下表面高的现象，这样在轨道板在厚度方向发生热胀冷缩，从而使得轨道板发生通曲变形，变形幅度大小由太阳福射热的变化决定，一般晴天变幅大，阴天变幅小。并且这种温度梯度荷载短时间内会发生急变，主要作用于局部，因此会导致局部应力较大，考虑起来比较复杂。

由于轨道板的厚度方向存在温度差，在上下层的材料收缩膨胀值不同。由于轨道板温度梯度的非线性分布，轨道板的变形受到约束，从而产生了翅曲应力。当板顶温度大于板底温度时，板底面出现拉应力；而板顶温度小于板底温度时，板顶面出现拉应力[3]。

本文通过有限元分析软件Ansys分析温度荷载对双块式无砟轨道道床板的受力影响，Ansys软件中对热应力分析推荐采用顺序耦合分析，先进行热分析计算，将计算所得的节点温度施加到结构单元上的节点，再求解温度应力[4]。以温度梯度50℃/m，分别模拟道床板“上热下冷”“上冷下热”两种情况，计算工况分别为板顶比板底高13℃（13℃）、板顶比板底低13℃（-13℃）两种情况进行加载，以（13℃）为例，计算结果见图2-6。

3.结论

（1）当板顶比板底高13℃时，道床板混凝土的应力表现为板底中部受拉，板顶中部压，板角受压。这是因为板顶温度高于板底温度，板顶面纤维的伸长变形大于板底纤维，板中部便出现向上拱起，板角向下凹陷；由于支承层对道床板的约束，道床板板底中部上拱变形受约束表现为受拉，而板顶中部由于受到约束不能自由向周端自由伸缩表现为受压，道床板板角受到支承层的支撑作用，向下凹陷受限表现为受压；当板顶比板底低13℃时，情况正好相反。（2）由于道床板受温度应力所发生应力翘曲，板顶板底中部、板角部混凝土将会出现裂缝，这与实际运营中主要裂缝的位置相仿[5]。（3）道床板与双块式无砟轨道支撑块之间有应力集中现象，尤其在支撑块边角处，这致使实际运营中在此出现裂缝的几率大增，这也与实际情况相符。

参考文献：

[1]陈伯靖.大单元双块式无砟轨道温度特性分析[J].铁道建筑，2013（2）：88-91.

[2]孙立，陈秀方.双块式无砟轨道轨枕的优化设计研究[J].铁道建筑技术，2008（5）：1-3.

[3]吴斌.路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性研究[J].铁道科学与工程学报，2010，

7（6）：24-29.

[4]唐进锋，尹华拓，曾志平，唐长根.温度梯度作用下板式无砟道岔岔区板力学特性分[J].铁道科学与工程学报，2011，8（1）：24-28.

[5]何华武.无砟轨道技术[M].北京：中国铁道出版社，2005.