高天隧道水害所致双块式无砟轨道受力特性分析

欧阳旋宇

高天隧道水害所致双块式无砟轨道受力特性分析

欧阳旋宇

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

以贵广高铁高天隧道水害所致CRTSⅠ型双块式无砟轨道道床板上拱为背景，利用ANSYS软件建立隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构有限元模型，考虑详细的轨道结构参数，基于实际上拱变形情况，针对道床板上拱以及道床板上拱和列车荷载耦合作用下的轨道结构受力状态进行分析，研究结果表明：道床板混凝土最大纵向拉、压应力为1.14 MPa和1.70 MPa，均小于C40轴心混凝土抗拉、压强度设计值；道床板钢筋最大压、拉应力分别为6.07 MPa和5.99 MPa，远小于HRB335钢筋屈服强度；正常运营条件下双块式无砟轨道结构强度满足要求。研究成果为指导高天隧道恢复正常行车具有参考价值。

高速铁路；隧道；CRTSⅠ型双块式无砟轨道；上拱；受力特性

贵广高铁是目前云贵川最便捷的出海大通道，是连接“一带一路”和实现珠江—西江经济带、中孟缅印经济走廊“互联互通”的高速通道，大大缩短了西南地区与珠三角地区间的时空距离，增强了珠三角地区对贫困地区的辐射作用，优化和完善了西部路网布局，提升了西南地区对外通道运输能力。2015年6月14日至7月2日期间，从江县连降暴雨，降雨量比历年同期高出4倍多。距贵广铁路高天隧道出口不远的肇兴，7月1日夜间到2日白天的暴雨降水量高达106.8 mm。7月4日，添乘人员经过高天隧道D3K273+032~D3K273+076时，发现轻微晃车。当晚进行CPⅢ精确测量，发现隧道内所采用的双块式无砟轨道[1−4]道床板与仰拱填充层离缝，上行轨面出现23.5 mm上拱，上拱段落长41 m。高天隧道自2015年7月发生水害后，动车立即限速运行，时速远低于原设计时速250 km/h，严重影响了贵广高铁的正常运营。因此，对高天隧道水害整治段隧道和轨道结构安全进行分析和验算，研究高铁动车恢复正常运营速度的可行性，对于保证高天隧道的运营安全和贵广高铁全线正常运营具有重要意义。本文针对高天隧道双块式无砟轨道的受力特性展开分析。

1 整治过程简介

根据铁路总公司工管中心和成都铁路局的指导意见，经各参加抢险单位共同论证，水害整治总体方案分为排水降压、注浆加固和监控量测3个阶段。根据现场整治效果、监测量测数据分析以及现场调研情况等方面的相互验证，且自2015年7月水害发生以后，未发现影响安全运营的隧道和轨道病害，轨道几何状态较为稳定。可以认为整治效果较好，但由于上拱地段轨道结构高程产生了变化，导致道床板始终承受弯曲附加应力，因此有必要对其受力状态进行分析。

1.3 文献筛选及资料提取 由2位研究者独立进行文献筛选和资料提取，并交叉核对，如意见分歧，则讨论解决或交由第三位研究者裁决，缺乏的资料应尽量与原作者联系予以补充。文献筛选是首先阅读标题，在排除明显不相关的文献后，进一步阅读摘要和全文，以确定最终是否纳入研究。资料提取内容包括：①纳入研究的基本信息，包括作者、发表时间、文献来源等；②研究对象干预措施的具体细节；③偏倚风险评价的关键要素；④结局指标和测量结果数据。

2 无砟轨道结构受力分析

高天隧道采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构设计，主要由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板等部分构成。通过建立隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道有限元模型，考虑详细的轨道结构参数，对轨道结构上拱以及轨道结构上拱和列车荷载耦合作用下的轨道结构受力状态进行分析。

2.1 无砟轨道结构空间力学分析模型

钢轨采用BEAM188单元模拟，道床板中钢筋用LINK180杆单元模拟，道床板采用钢筋混凝土单元SOLID65模拟，考虑道床板混凝土和钢筋的本构关系，道床板和轨枕采用实体单元SOLID185模拟，钢轨与道床板的扣件连接用线性弹簧单元COMBIN14模拟，采用连续均匀的非线性弹簧单元COMBIN39模拟基础的竖向支承作用，定义其力-位移曲线，当弹簧受拉时刚度为0。通过ANSYS的APDL建模功能可以得到隧道内双块式无砟轨道模型，计算长度取80 m，如图1~4所示。

图1 双块式无砟轨道结构有限元模型

图2 道床板混凝土有限元模型

2.2 材料本构关系

2.2.1 混凝土本构关系

图3 道床板上层钢筋网

图4 道床板下层钢筋网

图5 混凝土弹性模量

一般在有限元中，常用的混凝土应力—应变模型有2种：美国E.Hognestad建议的模型和德国Rüsch建议的模型[5]。本文有限元分析混凝土时混凝土单轴应力应变关系上升段采用文献[6]规定的公式，下降段则采用E.Hognestad模型的处理办 法，即：

课堂监视主要是对学生上课期间的状态进行监督，在日常的课堂学习时，由于各种原因包括但不限于玩手机、睡觉、思想开小差等等行为。虽然学生在教室里，但是他们的状态并不是在学习，他们的注意力并没有放在学习内容上。因此虽然人在教室，并没有起到学习效果，浪费了时间。利用Deep Learning的人脸识别系统，对学生的学习状态进行时时监督，学生的眼睛是否盯着黑板，是否有低头、伏案、左顾右盼等行为。发现这些不当行为，及时予以提醒纠正，有效的提高学生课堂学习效果。

式中：c为峰值应力(棱柱体极限抗压强度)；0为相当于峰值应力时的应变，取0.002；cu为极限压应变，取0.003 5。

理论分析中，钢筋的应力—应变关系采用理想化的模型。在单向加载情况下，钢筋的应力—应变曲线被分为3个阶段：弹性阶段，屈服阶段和强化阶段。为简化起见，常把钢筋的应力—应变曲线理想化，对不同性能的钢筋建立不同的应力—应变曲线数学模型：1) 双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材；2) 双斜线模型可以描述没有明显流幅的高强度钢筋或钢丝的应力—应变曲线；3) 三折线模型可以描述流幅较短的软钢，要求它可以描述屈服后立即发生应变强化，并能正确地估计高出屈服应变后的应力。

列车竖向荷载设计值取255 kN[11−12]，单轴双轮作用于道床板上拱最大处。

按照规范计算和规定可分别求得=2，0=0.002，cu=0.003 5，上述曲线可用一系列数据点拟合以便输入，本文采用多线性等向强化模型MISO模拟。

以上为在ANSYS中定义沿平行钢筋方向和垂直钢筋方向线性弹簧单元Combin14时需要的关系式。线性弹簧的弹簧刚度根据钢筋与混凝土黏结滑移模型推导，模型中的Combin14单元能够比较准确的模拟钢筋与混凝土的黏结滑移关系。

2.2.3 钢筋与混凝土间的黏结滑移本构关系

[3] 《李克强在第十九次中国-东盟领导人会议上阐述中方在南海问题上的立场》，《人民日报》2016年9月8日，第2版；《和平之海 友谊之海 合作之海——中国-东盟国家海上联合搜救沙盘推演侧记》，《中国水运报》2016年9月28日，第5版。

钢筋与混凝土间的黏结作用是保证钢筋与混凝土共同受力，协调变形的工作基础，黏结应力与滑移变形之间的关系也是钢筋与混凝土结构力学分析中最重要的本构关系之一[7−10]。本文在建立模型时，在相应位置上的钢筋单元节点和混凝土节点之间，沿平行于钢筋方向和垂直于钢筋方向双向布置，建立2个线性弹簧单元，并通过弹簧常数()定义弹簧的刚度。线性弹簧的弹簧系数式由钢筋与混凝土的黏结滑移本构模型推导得到。

1)钢筋与混凝土间纵向(平行于钢筋方向)相互作用的本构关系如下：

对于钢筋混凝土有限元模型，黏结力与滑移量的关系如下：

式中：0为实测上拱最大失度23.5 mm；0为实测上拱段落长度41 m。

由此可以得到纵向弹簧刚度系数：

该项目自开车以来，黑水角阀在该工况下基本满足使用要求，通过了东北极寒地区条件下的考验，在GE水煤浆煤气化装置中运行状况相对稳定，为气化炉的安全运行提供了保障，从而保证了装置安全、平稳、长周期满负荷的运行。黑水角阀也存在着缺陷，仍有完善的空间，本文通过对黑水角阀阀芯、阀座的冲刷腐蚀和阀门气蚀闪蒸的研究分析，提出了合理优化方案，期望对相关的生产企业提供参考性价值。

式中：为混凝土受拉弹性模量；n为钢筋高度处混凝土梁的净宽；为梁宽；为联结单元沿钢筋纵向的间距。

屋子里很快想起鼾声。响屁连天。我们破天荒地睡了个懒觉，被李大头喊起来时，天已完全亮了。我们提着裤子，急匆匆寻露天厕所。室内的厕所不够这么多人排泄。

一般认为钢筋混凝土构件发生破坏时，钢筋变形仍处于屈服阶段。本文在保证精度的同时，简化了钢筋的应力应变曲线，采用双线性等向强化模型BISO模拟。

2) 垂直于钢筋方向的弹簧刚度可以采用下式计算：

2.3 材料参数选取

根据贵广铁路隧道地段CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构设计图，有限元建模中所采用的尺寸参数和材料物理参数如表1和表2所示。

2.4 荷载选取

计算时，分别考虑2种工况，即单独考虑道床板上拱和道床板上拱与列车荷载耦合作用。对钢轨下对应道床板节点施加位移约束以模拟实测上拱曲线，根据实测道床板上拱情况，曲线模式取为：

色泽和硬度数据重复6次，其他均重复3次，结果以表示；数据处理采用SPSS 21.0及Origin 8.1软件，Duncan's多重比较，显著水平为P<0.05。

式中：为钢筋的直径；为联结单元沿钢筋纵向的间距。

浮萍家族的成员虽然都很微小，但却有着较高的营养价值。科学家研究发现，浮萍含有多种维生素和丰富的植物性蛋白，营养价值可与黄豆媲美。

表1 模型尺寸参数

表2 有限元分析参数

2.2.2 钢筋本构关系

2.5 计算结果及分析

2.5.1 道床板上拱计算结果及分析

当仅考虑道床板上拱，通过有限元模型求解，可以得到道床板垂向变形曲线如图6所示，道床板混凝土纵向应力云图如图7所示，道床板内钢筋应力云图如图8所示。

图6 道床板垂向变形曲线

图7 道床板混凝土纵向应力

图8 道床板钢筋应力

结合图8可知，当隧道内道床板发生上拱变形，道床板最大纵向拉应力和最大纵向压应力分别为0.63 MPa和1.09 MPa，均小于C40轴心混凝土抗拉强度设计值1.71 MPa和轴心混凝土抗压强度设计值19.1 MPa；混凝土未发生开裂且道床板内钢筋应力较小，最大拉应力和压应力分别为4.33 MPa和4.27 MPa，均远小于钢筋屈服强度。

本文结果显示引起肺癌患者院内感染的病原菌多为耐药条件的致病菌，其中以革兰氏阴性菌为主，占(61.67%)，其次为革兰氏阳性菌(31.67%)，真菌占6.67%。我们所分离并观察到的细菌前五类分别是铜绿假单胞菌，肺炎克雷伯菌，大肠埃希菌，鲍曼不动杆菌，金黄色葡萄球菌。在真菌中，白色加丝酵母菌为主。与之前的报道结果一致[8-9]。在治疗过程中，由于细菌的多样性以及肺癌患者机体免疫力低下，所以抗感染治疗选用广谱抗菌素且对肾毒性小的药物联合使用[10]。

2.5.2 道床板上拱与列车荷载耦合作用计算结果及分析

同时考虑道床板上拱与列车荷载作用时，通过有限元模型求解，可以得到道床板垂向变形曲线如图9所示，道床板混凝土纵向应力云图，如图10所示，道床板内钢筋应力云图如图11所示。

结合图9和图10可知当隧道内道床板同时考虑上拱变形和列车荷载时，道床板最大纵向拉应力和最大纵向压应力分别为1.14 MPa和1.70 MPa，均小于C40轴心混凝土抗拉强度设计值1.71 MPa和轴心混凝土抗压强度设计值19.10 MPa；混凝土未发生开裂且道床板内钢筋应力较小，最大拉应力和压应力分别为6.07 MPa和5.99 MPa，均远小于钢筋屈服强度。

“尽管取得了一定的成绩，但还需要在实际工作中不断地进行总结、学习、创新。在就诊环境、流程优化、细节管理上还须下功夫。”王莉说道，针对就医环境问题，医院打算根据就医流程来重新布局门诊一楼，如进一步整合与优化服务窗口，将“办公室式”服务窗口打造成“全开放式”服务窗口；延伸“分时段”概念，深入挖掘“互联网+”的内涵，使检验/检查、候床信息、车位等网上适时跟进，实现居家等候检验/检查、居家候床……

图9 道床板垂向变形曲线

图10 道床板混凝土纵向应力

图11 道床板钢筋应力

3 结论

1) 道床板最大纵向拉、压应力分别为0.63，1.09，1.14和1.70 MPa，均小于C40轴心混凝土抗拉、压强度设计值。

1.1一般资料2015年10月至2017年3月我院选取了80例胸外科肋骨骨折患者进行分析,分成低剂量组和常规剂量组,均有40例。常规组是24例男性和16例女性,年龄16至72岁,平均(44.2±5.6)岁;低剂量组是28例男性和12例女性,年龄14至70岁,平均(42.3±5.7)岁。两组患者的普通资料不具有统计学差异性,能进行对比分析。

2) 道床板内钢筋应力较小，最大拉应力和压应力分别为4.33，4.27，6.07和5.99 MPa，均远小于HRB335钢筋屈服强度。

3) 正常运营条件下双块式无砟轨道结构强度满足要求。

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[12] TB 10015—2012, 铁路无缝线路设计规范[S]. TB 10015—2012, Code for design on continuously welded rail track[S].

(编辑 阳丽霞)

Study on mechanical characteristics of double block ballastless track in Gaotian tunnel due to water disaster

OUYANG Xuanyu

(China Railway 18 Bureau Group Municipal Engineering Co., Ltd, Tianjin 300222, China)

The upwarp of bed slab of CRTSⅠ double block ballastless track due to water disaster in Gaotian tunnel of Guiyang-Guangzhou high speed railway was taken as the background, the finite element model of CRTSⅠ double block ballastless track structure in tunnel was established by using ANSYS software, the detailed track structural parameters were considered. The stress state of the track structure under the action of the upwarp of the bed slab as well as the coupling action of the upwarp of the bed slab and the train load was analyzed based on the actual deformation of upwarp. The results show: The maximum longitudinal tensile and compressive stresses of concrete for ballast slab are 1.14 MPa and 1.70 MPa, respectively, which are less than the design values of tensile and compressive strength of C40 concrete; The maximum tensile stress and the tensile stress of steel are 6.07 MPa and 5.99 MPa, respectively, which are much smaller than the yield strength of HRB335 steel bars; Under the normal operation condition, the strength of double block ballastless track meets the requirements. The research results have reference value for guiding the tunnel to resume normal traffic.

high speed railway; tunnel; CRTSⅠ double-block ballastless track; upwarp; mechanical characteristics

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.12.006

U213

A

1672 − 7029(2018)12 − 3060 − 06

2017−11−10

欧阳旋宇(1974−)，男，湖南益阳人，高级工程师，从事土木工程施工管理工作；E−mail：ou666yang@126.com