明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究.pdf
《明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号:10031995(2023)07002406明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究王达1,2 和家名1 谭本坤11.长沙理工大学 土木工程学院,长沙 410114;2.中南林业科技大学 土木工程学院,长沙 410004摘要 重组竹轨枕是一种以高强竹纤维束、基体组织和树脂胶体为主要成分,通过将竹纤维束干燥改性、施胶、组坯成型后热压而成的新型生物质轨枕。为探究重组竹轨枕在明桥面上替换普通轨枕材料的适用性与可行性,本文结合试验结果对比重组竹与常规轨枕材料力学指标,
2、通过Abaqus软件对由5根重组竹轨枕组成的宏观轨排模型进行受力分析,研究截面尺寸与轨枕间距变化对轨道结构关键受力指标的影响。结果表明:重组竹材料强度指标均远优于木枕材料,具有较高的强重比,弹性模量介于木轨枕与混凝土轨枕之间;在满足明桥面使用要求的前提下,重组竹轨枕的应力储备有较大富余,截面尺寸可调整空间大。综合考虑轨枕承载力要求、施工安装空间等因素,推荐重组竹轨枕宽度取200 280 mm,厚度取200 260 mm,轨枕间距优选0.6 m,长度符合构造要求即可。关键词 铁路桥梁;重组竹;数值模拟;轨枕;材性试验;结构设计;几何尺寸中图分类号 U448.13 文献标识码 A DOI:10.3
3、969/j.issn.10031995.2023.07.05引用格式:王达,和家名,谭本坤.明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究 J.铁道建筑,2023,63(7):2429.由于实木造价低,弹性好,易于处理和更换,且不需要复杂的装配设备,我国钢桁梁桥明桥面轨道上大量使用木枕。然而,优质木材越来越稀缺,在高速重载铁路的普及下木枕更换周期越来越短,损伤破损严重。针对木枕更换的缺口,国内以中国林业科学研究院为代表的高校对重组竹此类新型环境友好型材料的各项物理性能进行了相应研究1-3,发现实木材料力学性能有明显的优势,还有学者基于重组竹性能对替代铁路轨枕的可行性进行了初步探讨4-5。重组竹是一种通
4、过物理工艺脱离原竹非细胞物质再热压重组的绿色生物质复合材料,是我国最先自主研发、拥有自主知识产权且有完整产业链的竹材产品。它突破了原木材料取材的尺寸限制,轻质高强,力学性质优良,抗弯强重比是Q235钢的5.47倍。竹材作为一种可再生资源,35年即可成材,原材料利用率高达90%。因其生长周期短,更新能力快,可持续发展潜力巨大。由重组竹制成的轨枕叠加先进防腐、紧固技术,理论上可以有效满足当下以及未来轨道建设中对轨枕可持续性、高强耐久性的需求。重组竹轨枕作为短期之内木枕的替代产品、国外塑料复合轨枕的竞争产品,应用于铁路轨道结构中将具备较其他轨枕更为安全、经济、可持续的优势。本文参考其他新型轨枕初期应
5、用研究及相关工程实际案例6-9,初拟某钢桁梁桥明桥面轨道的铺设情况,在相关试验方法的基础上10-11,通过试验得到计算所需工程常数,通过 ABAQUS 软件建立模型分析在C70敞车运营模式下重组竹轨排模型的受力行为,结合规范研究轨枕结构各参数的合理取值范围。1 工程概况 1.1钢桁梁桥原有轨道铺设情况参考文献 12 钢桁梁桥,钢纵梁宽260 mm,原木枕尺寸3 000 mm(长)220 mm(宽)260 mm(高),底槽尺寸260 mm(长)220 mm(宽)20 mm(高),轨枕中心距420 mm,角钢处最大轨枕中心距480 mm。轨枕与钢纵梁之间采用钩头道钉连接,基本轨为60 kg/m钢轨
6、,护轨为50 kg/m钢轨。基本轨与轨枕之间采用K形分开式扣件连接,由4个螺纹道钉连接钢轨垫板与轨枕,护轨采用道钉固定于木枕。1.2重组竹轨枕结构配件设计为提高轨道结构强度和使用寿命,将木枕替换为重组竹复合轨枕(图1)13。结构设计如下:由于重组竹轨枕不设承轨槽,且没有预埋铁座支挡,故扣件系收稿日期:20221219;修回日期:20230305第一作者:王达(1980 ),男,教授,博士。E-mail:第 7 期王达等:明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究统采用铁垫板挡肩方式;基本轨扣件系统采用小阻力扣件形式(WJ2、WJ7型,DT2、DT3型扣件),在不降低扣件基本性能的前提下,利用扣件可
7、调阻力的功能,使线路纵向阻力达到既能保障桥上无缝线路安全稳定,又能减小桥梁墩台承受无缝线路纵向力的设计要求。其他轨道结构零部件保持原有木枕形式,但需采用相应养护维修措施对相关零部件进行养护。2 重组竹轨枕的原材料力学测试 为获取重组竹轨枕相应力学参数,采购湖南桃花江竹材科技有限公司的重组竹进行密度、含水率、抗拉性能、抗压性能、抗剪性能及弹性模量、泊松比等基本材料性能试验。重组竹试样的密度测试值为1.105 g/cm3,含水率为5.22%。试验设计步骤及尺寸参照GB/T 19282009 木材物理力学性质试验方法进行设计10,共7组试验。控制试样在1.5 2.0 min破坏,共计105个试样。试
8、验设备采用SANSCMT5105万能试验机、游标卡尺及DH3821数据采集仪,见图2。2.1抗拉性能制作了顺纹、横纹抗拉各 15个试样进行拉伸试验,测量其抗拉强度。顺纹抗拉强度试样尺寸为370 mm(长)15 mm(宽)4 mm(高),长度为顺纹方向;横纹试样尺寸为150 mm(长)20 mm(宽)6 mm(高),长度为横纹方向,顺纹加载速度2 mm/min,横纹加载速度1 mm/min。测试现场见图3。2.2抗压性能制作尺寸为30 mm(长)20 mm(宽)20 mm(高)的顺纹、横纹抗压试样各15个,加载速度为3.5 mm/min,测量不同纹路方向的抗压强度。测试现场见图4。2.3抗剪性能
9、参照 GB/T 19282009 制作 15 个带有凹口的块状受剪试件进行抗剪强度试验,加载速度2.5 mm/min。试件尺寸及测试现场见图5。2.4弹性模量及泊松比为获取弹性常数,制作尺寸为60 mm(长)20 mm(宽)20 mm(高)的顺纹、横纹抗压弹性模量各15个试件进行测试。加载方向分为顺纹与横纹方向,参考文献 14 使用顺纹、横纹压缩极限荷载的 10%30%作为弹性加载区间,同时记录试件两面的应变,循环加载6次,从6组数据中取3组相近循环计算的弹性模量和泊松比的平均值作为重组竹的抗压弹性模量和泊松比。弹性模量及泊松比测试试验见图6。2.5基本力学性能试验结果经试验测得该批次所使用的
10、重组竹材料基本力学性能参数,见表1。与其他常见轨枕材料力学指标对比见表2。由表1可知,重组竹顺纹方向的性能远优于横纹方向,说明只要能充分利用竹纤维束强度,力图1一次整体成型竹轨枕图2试验设备图3拉伸试验试件与加载图5剪切试验试件与加载图4压缩试验试件与加载图6弹性模量及泊松比测试试验25铁道建筑第 63 卷学指标就能显著提升。由表2可知,与其他实木、混凝土材料相比,重组竹材料在压缩、拉伸、剪切强度上有较大优势,弹性模量介于木轨枕与混凝土轨枕弹性模量之间,体现了重组竹具有高强度、高韧性的特点。3 计算模型与参数 3.1计算模型基于试验得到的重组竹力学参数,通过Abaqus建立明桥面轮-轨-重组竹
11、轨枕-梁的轨排有限元模型(图7),对其替换原木枕的可行性进行研究。钢轨、铁垫板与钢纵梁采用C3D8R单元,重组竹轨枕作为各向异性材料采用C3D20R单元;钢轨与轨枕垫板的接触面采用笛卡尔连接单元模拟,通过定义连接器之间的弹性刚度建立线性弹簧来模拟扣件及垫板之间的真实作用。轨枕中心距取0.6 m,钢纵梁顶面与轨枕底部承轨槽设置表面对表面接触。本文的荷载形式仅为车轮垂向准静态荷载,车轴由MPC梁约束进行模拟,沿钢轨直线运动。为防止钢轨与钢纵梁计算异常翻转,在钢轨两端面对其横向与纵向进行相应约束,在钢纵梁两端面设置全约束。车轮设为刚体,通过相互作用模块定义其与轨枕之间的接触关系,给予车轮一个向前的转
12、动角度进行车轮的前进模拟。3.2计算参数1)轨道荷载参考目前主流列车轴重,货运列车以C70敞车为主,轴重23.45 t;根据TB 100822017 铁路轨道设计规范19的规定,将客货共线铁路的线路等级分为、级,线路速度等级为:120、160、200 km/h。当列车速度达到200 km/h时,动轮载Pd计算式20为Pd=0.5Pj(1+)(1+i)(1+2)(1)式中:Pj为静轮载;、i、2均为速度系数(表3);为偏载系数,本文取0.15。将各参数代入式(1)得到Pd=290.4 kN。考虑钢轨结构自身缺陷等原因,有产生动力附加值的可能。按最不利情况考虑,计算轴重取300 kN。2)模型尺寸
13、轮-轨-枕-梁轨排有限元模型尺寸参数见表 4。将重组竹在该模型中简化为宏观各向同性的材料剪表2重组竹与常见轨枕材料力学性能对比MPa材料类型湖南重组竹落叶松15杉木15-16花旗松17云杉15树脂合成轨枕18C30混凝土Q235钢顺纹抗压强度78.6951.6537.2445.4737.834020.10235横纹抗压强度47.774.212.255.204.101520.10235顺纹抗剪强度39.178.344.757.199.20顺纹抗拉强度121.31128.7870.9583.7892.121002.01370 500横纹抗拉强度9.50353535152.01370 500弹性模量
14、17 326.711 0008 180 9 5007 29611 0005 02030 000206 000表1重组竹力学试验结果测试项目顺纹抗拉强度顺纹抗压强度横纹抗拉强度横纹抗压强度顺纹剪切强度长度方向弹性模量宽度方向弹性模量试件数量/个15151515151515最大值/MPa158.1581.7612.5762.7044.1019 268.884 874.19最小值/MPa92.9675.405.9235.3435.7614 784.233 544.16平均值/MPa121.3178.699.5047.7739.1717 326.714 196.79标准差/MPa17.661.9321
15、.9710.462.431 279.58378.71变异系数0.1460.0250.2070.2320.0620.0740.090图7轮-轨-枕-纵梁有限元计算模型表3速度系数速度系数i2速度/(kmh-1)v 120120 v 160160 v 200速度差v1=v-120v2=v-160牵引分级系数0.6v/1000.3v1/1000.45v2/10026第 7 期王达等:明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究切模量参考 GB 500052017 木结构设计标准21中剪切模量与顺纹弹性模量之间的比例关系近似取值,G12、G23分别为 E1、E2的 6.0%、1.8%,相关参数见表 5。本文
16、主要研究重组竹轨枕在准静态竖向荷载下的受力变形情况,因此将钢纵梁设为刚性,忽略其 变 形,钢 轨、钢纵梁和铁垫板的弹性模量均取206 GPa,泊松 比 为 0.3,密 度 为 7850 kg/m3。扣 件静刚度取 50 kN/mm12。4 重组竹轨枕参数分析 4.1重组竹轨枕宽度为研究重组竹轨枕宽度对轨道结构的影响,厚度取220 mm,保持其他参数不变,计算在准静态列车荷载作用下轨枕宽度取200 300 mm时轨道结构应力、位移的最大值。计算结果见图8。由图8可知:随着重组竹轨枕宽度的增加,截面惯性矩增大,抗弯刚度随之增加,进而轨道结构整体刚度增加。轨枕垂向位移、轨距变化量和钢轨垂向位移均有不
17、同程度的减小,其中轨枕垂向位移与轨距变化量减小幅度较大,分别减小了55.74%、34.26%,钢轨垂向位移仅减小 13.23%。在轨枕宽度为 200 300 mm时,轨枕最大压、拉应力与轨底应力均有不同程度的减小,分别减小了41.13%、46.87%、3.76%。综上,轨底应力与钢轨垂向位移对轨枕宽度的变化敏感性较低,较宽的轨枕对轨枕应力和位移的减小更加有利。重组竹力学性能较好,宽度取200 300 mm可满足轨道结构承载要求。考虑到钢桁梁明桥面上轨枕的施工空间、扣件尺寸以及增加宽度与其受力收益匹配的经济性要求,不可无限制增加轨枕宽度。因此,重组竹轨枕最佳宽度为220 280 mm,具体取值依
18、据钢纵梁中心间距和适配扣件尺寸确定。4.2重组竹轨枕厚度为研究重组竹轨枕厚度对轨道结构的影响,宽度取240 mm,保持其他参数固定,计算在准静态列车荷载作用下轨枕厚度取140 300 mm时轨道结构应力、位移的最大值。计算结果见图9。由图9可知:重组竹轨枕厚度与轨枕垂向位移、轨距变化量和钢轨垂向位移负相关;在轨枕厚度取140 260 mm时每增加40 mm轨枕垂向位移、轨距变化量和钢轨垂向位移的平均减少率分别为 32.46%、25.10%、4.41%;轨枕厚度取 260 300 mm 时的减少率为14.02%、13.85%、5.80%。轨枕厚度大于260 mm时,轨枕垂向位移与轨距变化量减少率
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 桥面 重组 轨枕 试验 性能 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。