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)



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机理及其对策，通过3D接触关系构建了轨枕—模具相互作用模型，分析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

重载铁路有挡肩预应力混凝土轨枕因抗裂性要求高，而需要提供更大的预应力，却给轨枕放张脱模造成了困难。预应力混凝土轨枕加工过程可以分为三个阶段;第一阶段为张拉钢筋，使其产生预应力、并安装箍筋螺旋筋及橡胶隔板;第二阶段为混凝土浇筑和养护，此阶段中随着混凝土的硬化，钢筋与混凝土固结为一体;第三阶段为放张和脱模，在放张过程中钢筋的预应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，引起承轨槽和钢模之间的作用力增大，这对轨枕挡肩极为不利，在实际中经常引起挡肩裂缝或掉块［1-2］。此前，业内多在混凝土轨枕的堆放受力、截面抗力、设计计算和疲劳耐久性等方面开展研究［3-5］，但对混凝土脱模力学性能的理论分析尚鲜有报道。

为此本文对预应力钢筋放张过程引起的轨枕受力变化进行受力分析。利用有限元方法建立预应力混凝土轨枕模型。对轨枕施加相应的边界条件，利用降温法来模拟实现钢筋放张收缩过程，求解混凝土轨枕关键位置的受力状况，最后依据第一强度理论对混凝土轨枕的强度进行评价和分析。基于理论分析结果提出了模具改进方案并对方案进行了力学性能验证。

1　预应力轨枕放张模型

1. 1有限元模型

所建预应力混凝土轨枕模型沿着轨枕长度方向为X轴，轨枕宽度方向为Z轴，轨枕高度方向为Y轴。其中混凝土采用四面体单元，共60 119个单元。预应力钢筋采用梁单元，共计1 740个单元。钢筋和混凝土之间采用嵌入式约束连接，以确保钢筋在放张过程中将力传递给混凝土结构。混凝土和钢筋的材料属性如表1所列。

表1材料属性

1. 2边界条件

预应力钢筋放张时，混凝土轨枕会呈现沿X方向收缩，并向周边膨胀的趋势;但此时轨枕受到钢模的作用，使得这种膨胀受到约束。混凝土轨枕的收缩趋势首先会引起轨枕表面与钢模表面黏结力的增大，但当突破了黏结力极限后，黏结力又会逐步失效。最终使得钢模和轨枕之间主要表现为摩擦力。这就导致钢模和轨枕之间的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。考虑到在预应力钢筋放张完毕后，钢模和轨枕间的黏结力已降至较低水平，在计算中忽略两者的黏结力。故按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。

1. 3预应力放张模拟方法

采用等效降温法来模拟预应力钢筋放张收缩。降温法是利用钢的热胀冷缩的特性，通过在有限元模型中对钢筋单元施加相应的温度场荷载，达到使钢筋受冷收缩产生预应力的目的。

所计算的混凝土轨枕共配置12根直径7 mm的钢筋，总张拉力500 kN，单根钢筋张拉力为41. 67 kN，钢筋截面积为38. 47 mm2，则钢筋界面平均应力为1. 083 kN/mm2，钢筋的弹性模量为2. 0×105MPa，弹性材料的应变公式为

故钢筋在张拉后的线应变为0. 504 1×10－2，取钢筋的热膨胀系数α= 1. 0×10－5/℃。

为了达到与张拉同样的线应变，需要降低的温度为

2预应力轨枕放张受力结果

在放张后轨枕的第一主应力云图如图1所示，拉应力区集中在轨枕端部和承轨槽两侧。模型中钢筋和轨枕之间采用了嵌入式绑定接触，而在实际中放张后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。在承轨槽两边凹槽处出现了较大的拉应力。最大拉应力达到2. 8 MPa，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1承轨槽第一主应力云图(单位: MPa)

图2Ⅲ型轨枕承轨槽第一主应力云图(单位: MPa)

为了对比验证计算方法的准确性，计算了Ⅲ型枕的脱模力学性能。图2为Ⅲ型枕的应力云图，可见在Ⅲ型枕承轨槽位置未出现明显的高应力区，最大拉应力远小于C60混凝土的抗拉极限强度2. 04 MPa，这表征Ⅲ型枕在脱模过程中能够保证挡肩位置正常脱模不发生开裂，这与实际相符。

3　复合模具放张分析

3. 1计算模型

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。其中轨枕外形模具采用钢材，承轨槽模具采用弹性模量较低的材料。承轨槽模具和外形模具之间采用螺栓连接。承轨槽位置材料弹性模量为混凝土弹性模量的一半，即18 GPa。考虑到轨枕结构和边界条件的对称性，只建立轨枕和模具的1 /4模型，如图3。承轨槽位置各部分的网格尺寸为10 mm，其他位置为30 mm，除钢筋外各部件均采用四面体单元。轨枕和模具之间的作用关系采用接触模拟，共设置9个接触对。承轨槽模具和外形模具间采用绑定约束来模拟螺栓连接。对外形模具的底面采用固定位移约束的边界，轨枕和模具的各剖切面上施加相应的对称性边界条件。

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. 82 MPa，小于C80混凝土的抗拉强度，可以保证轨枕在脱模时不会出现裂缝。

图4轨枕应力云图(单位: MPa)

此外，分别计算了承轨槽模具和外形模具在放张时的应力计算结果。承轨槽模具和外形模具的最大应力均出现在螺栓连接处。外形模具的最大应力未超过钢的强度极限，满足使用要求。承轨槽模具的最大应力为183 MPa(图5)，因此在承轨槽模具应选择强度极限在183 MPa以上的材料。

图5承轨槽模具应力云图(单位: MPa)

4　结论

研究分析了重载有挡肩预应力混凝土轨枕放张过程中轨枕的破坏机理及其对策。可得到如下结论:

1)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出现较大值，超过了C80混凝土的抗拉极限2. 2 MPa，在实际生产中在承轨槽位置可能会出现裂缝。

2)钢和弹性材料组成的复合模具能够显著改善放张时承轨槽位置的应力状况，原危险位置的第一主应力降低至混凝土抗拉强度2. 2 MPa以下，能够保证轨枕的正常脱模。

3)复合模具的最大应力出现在螺栓连接处，外形模具的最大应力小于钢的强度极限，承轨槽模具的材料应满足最大应力183 MPa的要求。

参考文献

［1］梁凤庆．先张法预应力轨枕裂纹产生原因及解决方案［J］．山西建筑，2009，35( 3) : 255-256．

［2］马超，牛红凯，窦慧娟．预应力混凝土枕螺栓孔部位受力分析［J］．石家庄铁道学院学报，2004，17( 1) : 10-13．

［3］李斌，刘学毅．混凝土轨枕抗力的影响因素及其计算方法研究［J］．铁道学报，2011，33( 6) : 94-98．

［4］尤瑞林，范佳，刘伟斌，等．30 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究［J］．铁道建筑，2015( 1) : 113-118．

［5］汪加蔚，白玲．预应力混凝土轨枕的裂缝及结构耐久性［J］．混凝土与水泥制品，2000( 2) : 27-31．

(责任审编孟庆伶)

Destruction of prestressed concrete sleeper for heavy haul railway during removing tensioning equipment and its countermeasures

LI Zhongji，LIN hongsong，YAN Hua，YANG Jizhong

( China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:W hen using the traditional mold for production of prestressed concrete sleeper used in heavy haul railway，sleeper cracking，bed retaining falling off and other damage during removing tensioning equipment may occurs．In order to study the destruction mechanism and countermeasures for prestressed concrete sleeper used in heavy haul railway concrete，a finite element model of the prestressed sleeper and mold was set up with a 3D contact model simulating the interaction between sleeper and mold．T he composite mold was used to reduce the stress of sleeper groove during demolding，and reduce the damage of the sleeper．T he results show that the adoption of steel mold will cause the first principal stress of rail groove greater than the tensile limit of concrete during removing tensioning equipment，and it may result in cracking at the bearing rail groove．By comparison，the adoption of composite mold may reduce the first principal stress of sleeper to be less than the tensile strength of concrete，ensuring a normal demolding．

Key words:Heavy haul railway; Prestressed sleeper; Release; Failure; Composite mold

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0136-03

作者简介:李忠继( 1983—)，男，工程师，博士。

收稿日期:2015-09-15;修回日期: 2015-11-12

中图分类号:U213．3+4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．32