黄骅港某码头装船机轨道静弯试验及有限元分析

程 林，严加宝，孙治林

（1.天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300452；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300350；3.神华黄骅港务有限责任公司，河北 061000）

引 言

黄骅港三、四期泊位共用一座码头，装船机轨道位于码头南北两侧。三、四期泊位工程装船机轨道在运行不长的时间内，出现了轨头磨损、裂纹、甚至断裂的情况，除此之外，还出现钢轨下部胶泥层损坏下沉、胶垫板挤出的现象，严重影响了港口的安全生产和效益发挥。

为研究下部支撑系统对轨道应力与变形的影响，实验室内进行装船机轨道静弯试验，模拟轨道实际安装形式，利用液压千斤顶和反力梁施加荷载。采用大型有限元分析软件ABAQUS，对室内试验无法实现的工况进行补充分析，模拟轨道在多轮压、单轮压、偏心荷载作用下、不同支撑系统条件下的轨道应力响应。

1 轨道室内静弯试验

1.1 静弯试验装置

试验基座完全按照实际工程设计，进行足尺试验。基础采用钢筋混凝土结构，长度3 m，宽0.9 m。混凝土采用C50，钢筋采用HRB400。基座内配筋满足抗弯计算、抗剪计算、抗冲切计算及挠度计算。试验装置如图1所示，混凝土基座上部铺设25 mm厚钢板，安装钢板时，保证其上表面水平，钢板与混凝土之间采用轨道专用胶泥填充，胶泥厚度为35 mm。扣板采用GANTREX系统中专用柔性扣板，间距500 mm。轨道与钢板之间铺设胶垫板，利用液压千斤顶和反力梁施加荷载。

图1 试验装置示意

1.2 试验方案

为了研究钢轨在不同种类支撑系统下的变形和应变响应，设置7种不同工况，如表1所示。

表1 试验工况

胶垫板如图2所示。

图2 胶垫板实物

加载时采用分配梁加载，两个加载点位于轨道跨中两侧各450 mm处，模拟现场轮距900 mm。在轨道中点、距离中点450 mm处（即轮压作用点）、扣板处、距梁端点450 mm截面处布置应变片，每个截面布置7个应变片。沿轨道长度方向布置位移计，如图3所示。

图3 截面应变片及位移计布置

1.3 试验结果

1）轨道下铺设不同种类胶垫板的整体变形

如图4所示，胶垫板的存在会使加载点处轨道挠度变形增大；胶垫板的存在会使轨道整体挠度变形趋于均匀；一层钢板加强的胶垫板加载点处轨道挠度为1.2 mm，两层钢板加强的胶垫板加载点处轨道挠度为1.8 mm，普通胶垫板加载点处轨道挠度为2.2 mm。加强钢板的存在可以降低钢轨的位移变形。

图4 不同种类胶垫板下轨道整体变形

2）胶垫板空隙对钢轨挠度变形的影响

如图5所示，胶垫板存在空隙导致加载作用处轨道位移增大 2.5倍；5 cm空隙时最大位移为1.8 mm，10 cm空隙时最大位移为2.45 mm，20 cm空隙时最大位移为2.5 mm。轨道最大变形随着胶垫板铺设空隙的增大而增大；铺设空隙达到10 cm以后，位移增长缓慢，最大位移趋于定值。

图5 胶垫板破坏时钢轨整体变形

3）荷载作用下轨道应变分布

如图6所示，轨道下方铺设胶垫板时，轨道各个截面应变将显著增大；不铺设胶垫板情况下，距轮压 300 mm处截面应变很小，轮压影响范围为300 mm。铺设胶垫板的轮压影响范围为500 mm；加载点正下方荷载-应变曲线呈现出双折线的趋势，与胶垫板自身的力学特性相关；加载点附近应变为压应变，距离截面300 mm和600 mm处变为拉应变，说明0～300 mm和300～600 mm之间分别存在一个反弯点，轨道的拉压状态发生变化。

图6 钢轨不同位置处截面应变

2 轨道有限元分析

采用大型通用有限元分析软件ABAQUS对轨道在轮压作用下的状态进行模拟。

2.1 偏心荷载作用下轨道应力

图7 轨道应力分布

对比轴心加载和偏心加载两种工况，可以看出，在对称荷载作用下，应力呈对称分布；偏心荷载的作用不仅会引起钢轨截面应力分布的不对称，还会产生扭矩使钢轨应力增大。有限元分析表明，当偏心距为40 mm时，因偏心而产生的应力不均，其中最大应力将增大25 %。偏心荷载作用下，轨道上表面的轮轨接触范围明显加大，钢轨在向前移动的过程中，轨道应力处于拉压循环的状态，过大的应力会导致拉压幅值的增大，降低钢轨的耐久性，更易产生裂纹，进而开展。同时，由于装船机轮子与钢轨的接触特点，如果存在偏心，轮子与钢轨接触部位增多，两者之间的磨损也更加明显，轨距角处因为接触面积的减小导致应力更大，产生应力集中，造成钢轨的损伤；一旦偏心荷载作用下钢轨表面产生磨损，将会导致后期的磨损与偏心现象更加严重，实际中应尽量避免偏心荷载。

2.2 胶垫板厚度对轨道应力影响

模拟胶垫板厚度为8 mm、5 mm和14 mm。

图8 不同厚度胶垫板轨道应力分布

相同轮压作用下，5 mm厚的胶垫板，此时钢轨的最大应力为127.8 MPa，8 mm厚的胶垫板，此时钢轨最大应力为174.7 MPa。14 mm厚的胶垫板，中间夹层添加两层1 mm厚的钢板，这种情况下钢轨的应力最大值为125.5 MPa，钢轨的应力值比普通胶垫板明显下降，但是加大胶垫板的刚度，往往不能很好的缓解上部机械带来的振动，结合室内试验结果，添加双层钢板的胶垫板在均匀基床底部应力方面没有很好的效果，基床应力分布的差值较大，容易造成局部沉陷，进而引起钢轨破坏。

2.3 胶泥层的静力分析结果

图9 有无胶垫板情况下胶泥层的应力

轨道胶泥属于早强、高强材料，抗压强度很高，不易发生受压破坏。对于胶泥层主要进行剪切应力分析。不同工况下胶泥层剪切应力如图9所示。当钢轨下侧布设胶垫板时，胶泥层的剪切应力明显降低，剪切应力分布更为均匀。胶垫板的存在可以有效的减缓胶泥层的应力集中现象，起到了均匀分配和缓冲的作用。

3 结 语

1）胶垫板的存在会使轨道整体挠度变形趋于均匀，下部胶泥层的应力会显著减小。加强钢板的存在可以降低钢轨的位移变形。

2）胶垫板存在空隙导致加载作用处轨道位移增大2.5倍，下部支撑系统应力集中更严重，胶垫板铺设时避免存在空隙，发现胶垫板破坏应及时更换。

3）偏心荷载作用下，轨道应力将增大25 %，轨道表面接触斑增大，形状不规则，轨道易发生磨损。

4）过厚的胶垫板会导致轨道应力增大，选择合适刚度的胶垫板，可以保证下部支撑系统受力均匀。