[科普中國]-枕梁

柔性枕梁處治路基縱向裂縫的結(jié)構(gòu)分析

基于路基縱向裂縫的特點和處治難度，利用土工格柵和級配碎石各自的優(yōu)良性能，提出了柔性枕梁處治技術(shù)。通過有限元分析，研究了不同荷載位置、裂縫寬度、路基側(cè)向滑移和不均勻變形等4種情況下，處治路基結(jié)構(gòu)的受力特點。

將土工格柵與碎石綜合使用，形成整體，以發(fā)揮各自的優(yōu)良性能，將此土工格柵內(nèi)包碎石的組合體命名為柔性枕梁。這2種材料價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便 ，便于規(guī)模化應(yīng)用。1

處治路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析1 荷載位置影響分析：

對 4種荷載位置分別進(jìn)行有限元分析。主要原因是柔性枕梁的設(shè)置，使處治部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性均優(yōu)于正常的路面結(jié)構(gòu)，使有可能再次產(chǎn)生裂縫的位置轉(zhuǎn)移到柔性枕梁端部。

2 裂縫寬度影響分析：

實際路基縱向裂縫寬度大小變化不一。計算時裂縫寬度取為 2 cm、 5 cm、 10 cm 及 30 cm。

基層應(yīng)力及面層最大彎沉均隨裂縫寬度的增加而增大 ，但增加幅度較小 ，當(dāng)裂縫寬度由 2 cm 增加到 30 cm 時，基層應(yīng)力及路面最大彎沉的平均增長率均小于 8%。 這說明柔性枕梁對縱向裂縫的處治效果較好，在縱向裂縫寬度條件下，柔性枕梁能在很大程度上消除裂縫對路面結(jié)構(gòu)的影響，不會導(dǎo)致路基縱向裂縫反射到路面結(jié)構(gòu)。1

3 土基側(cè)向滑移變形影響分析：

假設(shè)無任何荷載作用時，在模型裂縫線左側(cè)，柔性枕梁底面以下所有土基結(jié)點上施加方向向左的位移邊界條件，模擬土基側(cè)向滑移。

4 路基不均勻沉降變形影響分析：

假設(shè)無任何荷載作用時，在模型裂縫線左側(cè)，柔性枕梁底面以下所有土基結(jié)點上施加向下的位移邊界條件，模擬土基不均勻沉降。柔性枕梁內(nèi)應(yīng)力隨土基不均勻沉降量的增加線性增大，而且增大數(shù)值較大。1

處治結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)研究1 柔性枕梁模量影響分析：

柔性枕梁的模量主要取決于土工格柵的強(qiáng)度、變形性能和級配碎石的強(qiáng)度 ，但并不是兩者的簡單疊加。在分析柔性枕梁的模量對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響時，將柔性枕梁的模量分別取為 35Q、 70Q、 1100和 1500MPa。

2 柔性枕梁寬度影響分析：

在分析柔性枕梁寬度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響時，柔性枕梁寬度分別取 80cm、120cm、160cm 及200cm。

基層應(yīng)力及面層最大彎沉隨柔性枕梁寬度的增加而減小，但數(shù)值變化相對較小，當(dāng)柔性枕梁寬度由 80cm 增加到 200cm 時，基層應(yīng)力及面層最大彎沉的平均減小率均小于4%。1

3 枕梁厚度影響分析：

分析柔性枕梁厚度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響時，將柔性枕梁厚度分別取為10cm、20cm、 30cm及40cm。

柔性枕梁厚度的增加對基層受力及提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度效果非常有限。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮 ，柔性枕梁厚度不宜過大。在實際處治設(shè)計時，柔性枕梁厚度不應(yīng)超過40cm， 一般取為30cm 左右。1

4 柔性枕梁上調(diào)整層厚度影響分析：

柔性枕梁上調(diào)整層厚度分別取 0cm、5cm、10cm、15cm及20cm，以計算柔性枕梁上調(diào)整層厚度對路面結(jié)構(gòu)的影響。

單從荷載作用的角度，柔性枕梁直接鋪設(shè)在基層底部時對受力及提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度有利。但是從另外一個角度考慮，當(dāng)路基存在不均勻沉降變形時，柔性枕梁上調(diào)整層厚度對基層應(yīng)力有一定影響。1

基于運用條件的高速動車組枕梁的疲勞損傷隨著動車組運行速度的不斷提升，車輛運行的安全可靠性顯得尤為重要。對于高速列車而言，其車體枕梁部分是確保整個列車安全運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。根據(jù)運用特點，對其進(jìn)行載荷譜編制和疲勞損傷分析研究在工程應(yīng)用上有著重要的實際意義。在高速列車載荷譜編制方面已經(jīng)取得了一些成績，但是對基于不同運用工況下的動車組關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞損傷的載荷譜建立工作進(jìn)展較為緩慢。2

動應(yīng)力測試與數(shù)據(jù)處理枕梁焊接關(guān)鍵部位的兩組測點 A和B來觀察工況下的損傷狀況。其中：A點在牽引梁與枕梁焊縫處；B點在牽引銷座與枕梁焊縫處。2

試驗選擇采樣頻率為500Hz，在盡量少占用存儲空間的同時，保證了數(shù)據(jù)的完整性。在整個測試過程中，各種干擾信號不可避免地進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對測試信號產(chǎn)生干擾。對所得到的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行去除零點 漂移、小波處理，提高信噪比并將電信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)力信號，從而獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果。再對測點的應(yīng)力－時間歷 程進(jìn)行雨流計數(shù)，得到所需的應(yīng)力譜。2

典型工況的損傷由于進(jìn)出站及進(jìn)出庫等工況對測點的損傷影響較大，在一 個交路測試中占有較大份額。大型高鐵站6次完整的數(shù)據(jù)依照上述方法計算得到其壽命，并驗證測試次數(shù)是否滿足估計平均壽命所需的最小值，對其均值進(jìn)行了計算。2

1 某特大高鐵站進(jìn)站工況：

1) 數(shù)據(jù)提取與計算

根據(jù)隨車裝載 GPS的坐標(biāo)信號，找到所需的進(jìn)站數(shù)據(jù)段，選取了6次該試驗列車進(jìn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中5次均承擔(dān)同 一 交路。根據(jù)慣例，每日同一車次應(yīng)?？客徽九_，那么可以近似認(rèn)為，這6次所取得的數(shù)據(jù) 段運行交路相同。在同 一 交路中，可以認(rèn)為動車組的運用狀態(tài)是相對穩(wěn)定的。2

2) 數(shù)據(jù)置信度和均值

假設(shè)測點的對數(shù)當(dāng)量壽命遵循正態(tài)分布，則母體的平均值即母體中值，由母體中抽取的子樣平均值即母體中值估計量。對數(shù)中值疲勞壽命9．2345作為母體中值的估計量時，可以滿足置信度與相對誤差的要求。2

2 出入動車段工況：

1) 數(shù)據(jù)提取與計算

一般情況下動所內(nèi)線路多選用12號道岔，伴有小半徑曲線，并在進(jìn)出庫中有頻繁的啟停及加減速，但是動車組在此過程平均速度較小，約為10km/h。由于影響因素眾多，故難以對動車組進(jìn)出庫工況下枕梁關(guān)鍵點損傷有直觀認(rèn)識。2

2) 壽命均值評估

對于小子樣試驗評估常選用Bootstrap方法，但此法通常要求子樣數(shù)n≥5較合適。而試驗由于進(jìn)出庫的數(shù)據(jù)段較為有限，故采用半經(jīng)驗虛擬增廣子樣法使子樣數(shù)增至5，從而滿足 Bootstrap方法的要求。2

各種工況對損傷的影響有超過16條到發(fā)線并有多條線路交匯的高鐵站即為大型高鐵站。由此可知，試驗列車所經(jīng)過的3個省會城市高鐵站均滿足上述條件。由于空間不足和線路交匯等原因，在進(jìn)出這些車站時會經(jīng)過眾多小曲線和較小號道岔。

由于各站進(jìn)出線路不同，無法直接對其損傷影響進(jìn)行對比。

考慮某些高鐵站高速與普速列車混跑，路況較差，并且建在市區(qū)，而有些車站建在較為偏遠(yuǎn)的郊區(qū)，地域空曠、不受城市原有建筑影響等因素有一定關(guān)系。2

300 公里動車組枕梁組成的焊接變形因 300 公里動車組枕梁組成焊接工藝復(fù)雜，導(dǎo)致焊接后變形較大，造成枕梁組成平面度超差。如何有效地控制并消除枕梁組成的焊接變形，就成了一個非常關(guān)鍵的技術(shù)難點。3

枕梁組成在焊接過程中所受到的內(nèi)應(yīng)力枕梁組焊過程其實就是枕梁下蓋板和枕梁型材在焊接局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱過程 ，但由于不均勻溫度場 ， 導(dǎo)致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力而引起焊接變形。常見的焊接應(yīng)力有：3

（一）縱向殘余拉伸應(yīng)力

因我們后面假定其自動焊焊縫在縱向所受的應(yīng)力是對等的，又因枕梁縱向沿長度方向的變形對平面度的影響不大，因此縱向應(yīng)力及變形不作贅述。

（二）橫向拉伸殘余應(yīng)力

造成的枕梁下蓋板在厚度方向產(chǎn)生的彎曲變形的應(yīng)力。研究沿厚度方向的應(yīng)力及焊接變形。在此，還需要增加幾個很重要的假定。

線性熱源和熱極限狀態(tài)假定。2. 平截面假定。3. 忽略相變的假定。3

工藝設(shè)計及平面度超差的調(diào)修由于焊接變形方向很多，因素也很多，僅就撓度方向變形做工藝設(shè)計方案。

1。 由于焊接變形撓度過大，從預(yù)制反變形角度考慮，由于撓度約為 15mm，預(yù)制撓度為 12mm。在自動焊胎位上，厚度方向增加了 12mm進(jìn)行預(yù)制反變形。

2。 在下蓋板的反面增加了工藝支撐，起到加強(qiáng)作用，減少變形量。3

3。 調(diào)整了枕梁組成的焊接順序，先進(jìn)行下蓋板反面角焊縫的焊接，然后再焊接枕梁內(nèi)部筋板。

4。 實際生產(chǎn)中，可能會由于很多因素的影響，包括人機(jī)物料環(huán)都有可能導(dǎo)致枕梁平面度的超差，為此，制定了一套比較簡易的工藝調(diào)修方案。3