重载预应力混凝土轨枕放张破坏及对策研究.pdf

铁道建筑
Railway Engincering
February, 2016
文章编号:1003-1995(2016)02-0136-03
重载预应力混凝土轨枕放张破坏及对策研究
李忠继,林红松,颜华,杨吉忠
(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都610031)
摘要:采用传统的模具进行有挡肩预应力混凝土轨枕生产时,在放张脱模过程中出现挡肩掉块、轨枕开
裂等现象。为了研究这种轨枕放张过程中轨枕的破坏杋理及其对策,通过3D接触关系枃建了轨枕一
模具相互作用模型,分祈了放张脱模过程中轨枕受力及其破坏形式。同时,提出了采用复合模具来降低
放张脱模过程中承轨槽的应力,以减少轨枕破坏。计算结果显示:采用钢模,在放张预应力钢筋时会造
成轨枕承轨槽位置的第一主应力超过了混凝土的抗拉极限,在实际生产中在承轨槽位置可能会出现开
裂。采用复合模具,原危险位置的第一主应力降低至混凝土抗拉强度以下,可保证轨枕的正常脱模。
关键词:重载铁路预应力轨枕放张破坏复合模具
中图分类号:U213.3'4文献标识码:ADO1:10.3969/j.1iss.1003-1995.2016.02.32
重载铁路有挡肩预应力混凝土轨枕因抗裂性要求X轴,轨枕宽度方向为Z轴,轨枕高度方向为Y轴。其
高,而需要提供更大的预应力,却给轨枕放张脱模造成中混凝土采用四面体单元,共60119个单元。预应力
了困难。预应力混凝土轨枕加工过程可以分为三个阶钢筋采用梁单元,共计1740个单元。钢筋和混凝土之
段;第一阶段为张拉钢筋,使其产生预应力、并安装箍间采用嵌入式约束连接,以确保钢筋在放张过程中将
筋螺旋筋及橡胶隔板;第ˉ阶段为混凝土浇筑和养护,力传递给混凝土结构。混凝土和钢筋的材料属性如表
此阶段中随着混凝土的硬化,钢筋与混凝土固结为一1所列。
体;第三阶段为放张和脱模,在放张过程中钢筋的预应
表1材料属性
力将引起混凝土轨枕的变形,从而使混凝土轨枕与钢
模之间在沿着预应力钢筋方向出现位移,引起承轨槽
材料
弹性模量/泊松抗拉强度/抗压强度/
比
MP
和钢模之间的作用力增大,这对轨枕挡肩极为不利,在
C80混凝土3.80×100.2
实际中经常引起挡肩裂缝或掉块?。此前,业内多
C60混凝土3.60×100.2
在混凝土轨枕的堆放受力、截面抗力、设计计算和疲劳
预应力钢筋20.70×10
1570
耐久性等方面开展研究,但对混凝土脱模力学性
能的理论分析尚鲜有报道
边界条件
为此本文对预应力钢筋放张过程引起的轨枕受力
预应力钢筋放张时,混凝土轨枕会是现沿X方向
变化进行受力分析。利用有限元方法建立预应力混凝收缩,并向周边膨胀的趋势;但此时轨枕受到钢模的作
土轨枕模型。对轨枕施加相应的边界条件,利用降温用,使得这种膨胀受到约東。混疑土轨枕的收缩趋势
法米模拟实现钢筋放张收缩过程,求解混凝土轨枕关首先会引起轨枕表面与钢模表面黏结力的増大,但当
键位置的受力状况,最后依据第一强度理论对混凝土突破了黏结力极限后,黏结力又会逐步失效。最终使
轨枕的强度进行评价和分析。基于理论分析结果提出得钢模和轨枕之间主要表现为摩擦力。这就导致钢模
了模具改进方案并对方案进行了力学性能验证。
和轨枕之间的X方向作用力向承轨槽挡肩位置集中,
即在轨枕挡肩位置施加沿着X方向位移约束。考虑
1预应力轨枕放张模型
到在预应力钢筋放张完毕后,钢模和轨枕间的黏结力
1.1有限元模型
已降至较低水平,在计算中忽略两者的黏结力。故按
所建预应力混凝土轨枕模型沿着轨枕长度方向为照本方法计算出的承轨槽受力会较实际偏大,评价结
果也偏于保守。
收稿日期:2015-09-15;修回日期:2015-11-12
1.3预应力放张模拟方法
作者简介:李忠继(1983-),男,工程师,博士
采用等效降温法来模拟预应力钢筋放张收缩。降
2016年第2期
李忠继等:重载预应力混凝土轨枕放张破坏及对策研究
温法是利用钢的热胀冷缩的特性,通过在有限元模型Ⅲ型枕承轨槽位置未出现明显的高应力区,最大拉应
中对钢筋单元施加相应的温度场荷载,达到使钢筋受力远小于C60混凝土的抗拉极限强度2.04MPa,这表
冷收缩产生预应力的目的。
征Ⅲ型枕在脱模过程中能够保证挡肩位置正常脱模不
所计算的混凝土轨枕共配置12根直径7m的发生开裂,这与实际相符。
钢筋,总张拉力500N单根钢筋张拉力为41.67、?3复合模具放张分析
钢筋截面积为38,47mm2,则钢筋界面平均应力为
1.083kN/m2,钢筋的弹性模量为2.0×10°MPa,弹3.1计算模型
性材料的应变公式为
为了解决重载轨枕脱模问题,提出采用复合模具。
复合模具包含轨枕外形模具和承轨槽模具两部分。其
E=,三
中轨枕外形模具采用钢材,承轨槽模具采用弹性模量
故钢筋在张拉后的线应变为0.5041×10,取钢较低的材料。承轨槽模具和外形模具之间采用螺栓连
筋的热膨胀系数a=1.0x10-/℃。
接。承轨槽位置材料弹性模量为混凝土弹性模量的
为了达到与张拉同样的线应变,需要降低的温半,即18GPa。考虑到轨枕结构和边界条件的对称
度为
性,只建立轨枕和模具的1/4模型,如图3。承轨槽位
△T=?=504℃
置各部分的网格尺寸为10mm,其他位置为30mm,除
钢筋外各部件均采用四面体单元。轨枕和模具之间的
2预应力轨枕放张受力结果
作用关系采用接触模拟,共设置9个接触对。承轨槽
在放张后轨枕的第一主应力云图如图1所示,拉模具和外形模具间采用绑定约束来模拟螺栓连接。对
应力区集中在轨枕端部和承轨槽两侧。模型中钢筋和外形模具的底面采用固定位移约東的边界,轨枕和模
轨枕之间采用了嵌人式绑定接触,而在实际中放张后具的各剖切面上施加相应的对称性边界条件。
在轨枕端部钢筋和混凝土间将会发生一定的微滑移。
因此实际中轨枕端部的表面拉应力会略小。在承轨槽
两边回槽处出现了较大的拉应力。最大拉应力达到
2.8MPa,超过了C80混凝土抗拉极限。故在实际中
可能出现局部开裂或掉块。
图3模具组成
#
3.2计算结果
图4为采用复合模具轨枕放张预应力钢筋时,轨
枕的第一主应力计算结果。可见采用复合模具后承轨
图1承轨槽第一主应力云图(单位:MPa)
槽位置的应力状况得到了极大改善,第一主应力最大
值为0.82MPa,小于C80混凝土的抗拉强度,可以保
为了对比验证计算方法的准确性,计算了皿型枕证轨枕在脱模时不会出现裂缝。
的脱模力学性能。图2为Ⅲ型枕的应力云图,可见在
Ag75%
A额二二一二
图2Ⅲ型轨枕承轨槽第一主应力云图(单位:MPa)
图4轨枕应力云图(单位:MPa)