程 林 孙治林 严加宝 刘 超
(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.神华黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061000； 3.天津大学建筑工程学院，天津 300350)
1 概述
黄骅港三、四期泊位工程装船机轨道在运行不长的时间内，出现了裂缝、甚至断裂的情况，现场调查发现还出现钢轨下部胶泥层损坏下沉、胶垫板挤出的现象。统计发现钢轨大多数破坏形式为弯曲型断裂，其次为剪切型和接头发生破坏。严重影响了港口的安全生产和效益发挥。以此为背景，从上部荷载、下部支撑系统、轨道自身状况的角度分析轨道断裂原因，尤其是通过现场测试钢轨在装船机正常工作下的应力应变，以文科勒地基模型为基础，建立实时轮压的修正计算公式，从钢轨受力不均匀性影响给出装船机轨道断裂的原因分析，为类似工程钢轨设计和选型提供技术参考。
2 装船机轨道系统
2.1 轨道设计方案
神华黄骅港三、四期工程装船机轨道总长约1 080 m，每120 m设置一处伸缩缝，全段共设置9处，成品标准轨长12 m，每12 m处采用焊接方式将两节轨道焊接连接形成无缝轨道。轨道型号为QU100，扣板采用GANTREX系统中专用柔性扣板。轨道设计方案如图1所示。
2.2 装船机基本参数
装船机最大轮压：420 kN/450 kN(工作状态/非工作状态)；
运行速度为30 m/min(15.2 r/min)；
工作级别：M7；
车轮直径：D=630 mm；
车轮材料：42CrMo。
3 轨道断裂情况
钢轨主要的破坏模式有弯曲型断裂、钢轨表面磨损、接头破坏等。现场钢轨典型破坏形态如图2所示。
其中，弯曲型断裂形式数目占破坏数的近85%。
4 断裂原因分析
4.1 轨道自身原因
米国发等[1]提出钢轨中的非金属夹杂物对疲劳裂纹萌生有较大的促进作用，裂纹常常出现在非金属夹杂物的附近，夹杂物的材性与轨道母材不同，在温度变化时，轨道与夹杂物的热膨胀性能存在差异，母材和夹杂物的交界处便会产生拉应力，导致夹杂物与母材之间形成空穴。夹杂物形状对应力集中系数的影响较大，因此对疲劳裂纹萌生也有较大的影响。
4.2 轮压分配不均匀
4.2.1文科勒地基模型
文科勒地基模型见图3。
文克勒地基上梁的基本挠曲微分方程为:
(1)
当分布荷载q=0时，式(1)变为齐次四次系数线性微分方程：
(2)
(3)
其中，λ为梁的柔度特征值，量纲为(长度)-1，λ值与地基的基床系数和梁的抗弯刚度有关，λ值越小，则基础的相对刚度越大。令:
(4)
其中，L为特征长度，若L越大，则梁对地基的相对刚度越大，根据梁的划分原则钢轨可以看做无限长梁。
短梁：
有限长梁：
(5)
无限长梁：
l>πL
对于无限长梁，在集中力F0作用下，其挠度ω，转角θ，弯矩M及剪力V的计算如表1所示。对于承受多个集中荷载的无限长梁上任意截面的内力时，可分别计算各荷载单独作用时在该截面引起的效应，然后叠加得到共同作用下的总效应，注意在每一次计算时，均需要把坐标原点移到相应的集中荷载作用点处。
表1 无限长梁内力计算表
4.2.2截面弯矩计算
现场进行监测，采集装船机经过时的实时应变。装船机经过时，轨道处于弹性工作状态，满足平截面假定。钢轨截面沿高度等分成多份，量测每一份的面积，根据轨顶和轨底应变算出截面曲率，根据曲率确定应变，根据应力应变关系求出平均应力，根据应力平衡和弯矩平衡条件，对中性轴取矩，求出截面弯矩，如图4所示。
4.2.3轮压分配
装船机驱动轮布置情况如图5所示，轨顶轨底应变见图6，装船机轮压分布见图7。
结合装船机参数表和计算出的装船机轮压分布图，22.5%的 轮子超过了正常工作时允许的最大轮压420 kN。最大轮压为469.6 kN，超出允许最大轮压12%。轮压分配不均匀的原因来自于两方面：下部支撑系统产生不均匀沉降，某些区域地基破坏严重，轨道发生较大变形；装船机自身荷载分配不均匀。轮压过大，导致轨道拉压疲劳的应力幅值增大，根据N—S曲线，如图8所示，轨道使用寿命降低。
4.3 下部支撑系统的不均匀沉降
高程测量结果如图9所示，两轨横向局部最大高差为30.26 mm。由于轨道不均匀沉降，轨道产生弯曲变形，如图10所示，“曲弓波”效应导致焊缝底部受压，顶部受拉。在反复的疲劳荷载作用下，对焊接接头产生“撕裂效应”，接头下边缘最先断裂后向上扩展，最终形成贯通裂缝而断裂。
除此以外，下部胶泥存在气泡也会对胶泥的抗剪性能造成影响。实验室内进行胶泥的承载力实验，控制气泡大小，结果如图11所示。
施工过程中调平钢板下方胶泥中产生气泡，导致应力集中，造成胶泥劈裂破坏，孔洞率从0%增加到1.6%，2.7%，3.6%，胶泥抗压承载力从80.68 MPa分别下降到73.24 MPa，71.72 MPa，67.58 MPa，下降幅度分别为9%,11%，16%。施工过程中应尽量避免胶泥中存在孔洞；孔洞的存在，会导致裂缝的开展从孔隙处萌生，造成地基沉降变形。
5 结语
1)钢轨主要的破坏模式有弯曲型断裂、钢轨表面磨损、接头破坏等，其中弯曲型断裂占85%。2)钢轨中的非金属夹杂物对疲劳裂纹萌生有较大的促进作用，裂纹常常出现在非金属夹杂物的附近。3)装船机自身荷载分配不均匀。轮压过大，导致轨道拉压疲劳的应力幅值增大，轨道使用寿命降低。4)轨道不均匀沉降，轨道产生弯曲变形，轨道在拉压往复的疲劳状态，焊接接头处产生“撕裂效应”，最终形成贯通裂缝而断裂。5)施工过程中调平钢板下方胶泥中产生气泡，孔洞的存在，会导致裂缝的开展从孔隙处萌生，造成地基沉降变形。
