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摘要：对两端简支的火车道口板进行竖向加载试验，并采用有限元软件ABAQUS对道口板进行数值模拟分析。试验表明，有限元软件能很好的模拟道口板的力学性能，竖向加载530kN时，跨中测点的竖向变形为1.79mm，竖向变形与竖向加载呈线性变化，表明在530kN荷载作用下道口板变形在弹性范围内，满足50t荷载的设计要求。
关键词：道口板; ABAQUS;数值分析
铁路平交道口是铁路和公路交汇的重要设施，同时也是铁路线路中的薄弱环节，是铁路设备管理的重点，国家为满足物流负荷不断加大的需要而一直对道口板的选用加以改良创新，减少道口病害隐患，延长维修周期，提高道口通过能力，确保铁路、公路运输顺利，就目前现状，大量重型机动车超载以后的实际轴重已远远超过线路、轨枕承载力的设计规定，机动车通过时冲击道口板造成其破坏已危及线路的安全。
传统施工方法是现场直接对道口进行施工改造，这种方法存在一定的问题，施工速度慢，施工质量和型号也无法统一，这时迫切需要采用统一的道口板[1]-[3]到现场直接进行安装，这样可以有效提高施工速度，保证施工质量。本文提出的铁路道口板（图1所示）适用与铁路、公路平交道口，城市轻轨道环形线路平交道口，以及车站站台、行李车过道、货场，矿山专用铁路、公路平交道口，能让机动车、非机动车和行人，在保证安全的前提下，平稳、迅速地通过道口，同时应避免封路维修。采用该种道口板，施工简单，施工速度快，大大减小工期。道口板一般平铺于交叉路口，然后回填土，以保证道口板平铺在地面上。
为了验证道口板在极限情况下的力学性能，现将道口板的两侧用钢轨进行支撑，然后进行竖向加载试验，测量竖向变形，观察混凝土表面是否出现开裂。
一、静力加载试验
（一）试验对象
本次试验的道口板采用C40混凝土浇筑而成，板与轨道平行的方向长度为2.5m，与轨道正交的方向为3m，板高0.377m，混凝土保护层的厚度为40mm，钢筋的直径为12mm，配筋图如图2、图3所示。
（二）加载制度
本次试验的加载制度[4]-[5]如图4所示，加载采用逐级加载的方式，加载分4级，每隔10分钟加载，前三级每级加载140kN，最后一级加载110kN，加载的总荷载为530kN。卸载分4级，跟加载正好相反，先卸载110kN，然后分3级卸载，每级卸载140kN。
加载的示意图如图5所示，4块板平整的堆放于被加载对象上，实际加载情况如图6所示，前3级加载时试块较平整的堆放于被加载对象上，最后一级放置的不是十分对称，稍偏向左侧。
（三）测点布置
位移计布置的位移计如图7所示，槽口的下方和跨中进行布置位移计，布置方式为轨道前后对称布置，一共6个位移计。测点位置如图6所示，S1、S2、S3为前侧测点，相对应的后侧测点为S4、S5、S6。
（四）位移采集设备
竖向位移采用桩基静载荷分析仪进行数据采集，该采集仪多通道数据同时采集，可以显示每级的位移变化值和累计变化值，数据自动保存，精确到0.01mm，十分灵敏。
二、测试结果与有限元分析
（一） 实测结果
各测点的竖向变形如表1所示，S1、S2、S3、S4、S5、S6分别表示各测点竖向变形值。
表2为实测各点相对应测点的平均值，由于加载两边不对称，取对应两测点的平均值作为最终竖向变形值，1#测点取S1、S4的平均值，2#测点取S2、S5的平均值，3#测点取S3、S6的平均值，如表2所示。得到的竖向变形与加载的曲线如图9所示。
从图9可知，道口板的竖向变形量在荷载的作用下基本呈线性关系，说明道口板没有发生塑性变化。从试验结果可知，在最大加载作用下，下端混凝土没有出现明显的裂缝，充分说明道口板在简支支撑的情况下也能够承受500kN的荷载。
（二）有限元数值分析
为进一步了解道口板在多极荷载作用下的力学性能，采用有限元ABAQUS[6]-[9]对道口板在加载的作用下进行数值模拟分析。
模型采用分离式建模，混凝土与钢筋分开建模，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。
1、单元选择
混凝土采用缩减积分的8节点六面体单元C3D8R，虽然这种单元与其他等参单元相比，计算精度稍低，但可以满足工程精度要求，可以减少很多自由度，从而可以大大节省计算时间。钢筋采用2节点的桁架单元，该单元每个节点为3个平动自由度，单元只承载轴向受力，不承受弯矩作用，将桁架单元与实体单元共用节点，这样可以保证不同单元之间位移协调。
2、网格划分
通过对几何模型进行切割，实体单元采用六面体单元格的划分，由此较好的保证了计算的精度。同时桁架单元与实体单元尺寸一致，从而保证位移协调，网格划分如图10所示。
3、材料參数
模拟过程中采用的材料参数如表3所示，混凝土采用ABAQUS中自带的拉压不等本构模型，钢筋采用双线性随动强化模型模拟，第二刚度为0，屈服强度取210MPa。
从图11为最大加载时受弯的应力云图，由图可知混凝土最大拉应力刚达到混凝土的受拉强度，最大压应力14.2MPa，远低于混凝土的抗压强度24.5MPa，从图12可知钢筋没有达到屈服强度210MPa，处于弹性范围内。由于不对称加载，导制1#位的钢筋网的应力明显较3#位的应力大。
由图可知在530kN的荷载作用，道口板没有发生塑性变形，模拟计算得到的荷载也满足承载力要求。
图13为道口板的竖向正应力云图，竖向正应力反应混凝土的局部受压，由图可知，竖向局部正应力为1.1MPa，低于混凝土的抗压强度，因而受压满足承载力的要求。
图14为道口板剪应力，由于支撑位置离加载位置较近，道口板的剪应力云图呈现“八”字形式，这是典型的剪压模式，构件在剪力的作用下，破坏线沿着斜线方式破坏，从图中可知道口板的剪应力小于1.25倍的混凝土的抗拉强度，说明道口板的箍筋只需按规范上的最小配筋率进行配筋即可满足规范上的要求。
图15为道口板各测点平均沉降量与加载的曲线，从图中可知，实测值略大于模拟值，最大误差为18.5%，模拟值与实测值基本吻合。
三、结语：
通过对火车道口板进行静载试验和数值模拟分析可以得出如下结论：
（1）道口板的施工安装应朝着便携化、机械化和装配式的方向发展。
（2）在逐级加载下，道口板各测点的竖向变形与加载呈线性变化，说明最大加载下结构没有出现塑性变形。
（3）在最大加载情况下，混凝土底板没有出现裂缝，完好无损。
（4）有限元模拟与实测吻合较好，说明有限元计算结果真实可信，模拟得出混凝土与钢筋的受力均在弹性范围内。
参考文献：
[1]许强.加强型铁路整体道口铺面板在湛江港的应用[J].铁道建筑，2013，1（2）： 115-117.
[2]黄荣.钢筋混凝土整体道口的设计应用[J].铁道运营技术， 2012，18（4）：25-29.
[3]郭海波.整体道口板在营口中板厂的应用[J].山西冶金2016，1：102-103.
[4]王墩，吕西林.建筑结构拟静力试验方法的加载制度[J].四川建筑科学研究 ， 2014，40（3）：54-59.
[5]熊海贝，吴玲.加载制度对具有Bouc-Wen模型特征的结构反应的影响[J].湖南大学学报（自然科学版）2016，43（1）：143-151.
[6]杨国华，徐光辉，常林晶，徐健涛.Abaqus软件在非线性仿真分析中的应用[J].建筑技术 ，2016，47（4）：157-160.
[7]聂建国，王宇航.ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J].工程力学， 2013，30（4）：59-68.
[8]谢启芳，李朋.基于 ABAQUS的传统风格建筑钢筋混凝土梁-柱节点有限元分析[J].世界地震工程2016，32（1）：245-253.
关键词：道口板; ABAQUS;数值分析
铁路平交道口是铁路和公路交汇的重要设施，同时也是铁路线路中的薄弱环节，是铁路设备管理的重点，国家为满足物流负荷不断加大的需要而一直对道口板的选用加以改良创新，减少道口病害隐患，延长维修周期，提高道口通过能力，确保铁路、公路运输顺利，就目前现状，大量重型机动车超载以后的实际轴重已远远超过线路、轨枕承载力的设计规定，机动车通过时冲击道口板造成其破坏已危及线路的安全。
传统施工方法是现场直接对道口进行施工改造，这种方法存在一定的问题，施工速度慢，施工质量和型号也无法统一，这时迫切需要采用统一的道口板[1]-[3]到现场直接进行安装，这样可以有效提高施工速度，保证施工质量。本文提出的铁路道口板（图1所示）适用与铁路、公路平交道口，城市轻轨道环形线路平交道口，以及车站站台、行李车过道、货场，矿山专用铁路、公路平交道口，能让机动车、非机动车和行人，在保证安全的前提下，平稳、迅速地通过道口，同时应避免封路维修。采用该种道口板，施工简单，施工速度快，大大减小工期。道口板一般平铺于交叉路口，然后回填土，以保证道口板平铺在地面上。
为了验证道口板在极限情况下的力学性能，现将道口板的两侧用钢轨进行支撑，然后进行竖向加载试验，测量竖向变形，观察混凝土表面是否出现开裂。
一、静力加载试验
（一）试验对象
本次试验的道口板采用C40混凝土浇筑而成，板与轨道平行的方向长度为2.5m，与轨道正交的方向为3m，板高0.377m，混凝土保护层的厚度为40mm，钢筋的直径为12mm，配筋图如图2、图3所示。
（二）加载制度
本次试验的加载制度[4]-[5]如图4所示，加载采用逐级加载的方式，加载分4级，每隔10分钟加载，前三级每级加载140kN，最后一级加载110kN，加载的总荷载为530kN。卸载分4级，跟加载正好相反，先卸载110kN，然后分3级卸载，每级卸载140kN。
加载的示意图如图5所示，4块板平整的堆放于被加载对象上，实际加载情况如图6所示，前3级加载时试块较平整的堆放于被加载对象上，最后一级放置的不是十分对称，稍偏向左侧。
（三）测点布置
位移计布置的位移计如图7所示，槽口的下方和跨中进行布置位移计，布置方式为轨道前后对称布置，一共6个位移计。测点位置如图6所示，S1、S2、S3为前侧测点，相对应的后侧测点为S4、S5、S6。
（四）位移采集设备
竖向位移采用桩基静载荷分析仪进行数据采集，该采集仪多通道数据同时采集，可以显示每级的位移变化值和累计变化值，数据自动保存，精确到0.01mm，十分灵敏。
二、测试结果与有限元分析
（一） 实测结果
各测点的竖向变形如表1所示，S1、S2、S3、S4、S5、S6分别表示各测点竖向变形值。
表2为实测各点相对应测点的平均值，由于加载两边不对称，取对应两测点的平均值作为最终竖向变形值，1#测点取S1、S4的平均值，2#测点取S2、S5的平均值，3#测点取S3、S6的平均值，如表2所示。得到的竖向变形与加载的曲线如图9所示。
从图9可知，道口板的竖向变形量在荷载的作用下基本呈线性关系，说明道口板没有发生塑性变化。从试验结果可知，在最大加载作用下，下端混凝土没有出现明显的裂缝，充分说明道口板在简支支撑的情况下也能够承受500kN的荷载。
（二）有限元数值分析
为进一步了解道口板在多极荷载作用下的力学性能，采用有限元ABAQUS[6]-[9]对道口板在加载的作用下进行数值模拟分析。
模型采用分离式建模，混凝土与钢筋分开建模，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。
1、单元选择
混凝土采用缩减积分的8节点六面体单元C3D8R，虽然这种单元与其他等参单元相比，计算精度稍低，但可以满足工程精度要求，可以减少很多自由度，从而可以大大节省计算时间。钢筋采用2节点的桁架单元，该单元每个节点为3个平动自由度，单元只承载轴向受力，不承受弯矩作用，将桁架单元与实体单元共用节点，这样可以保证不同单元之间位移协调。
2、网格划分
通过对几何模型进行切割，实体单元采用六面体单元格的划分，由此较好的保证了计算的精度。同时桁架单元与实体单元尺寸一致，从而保证位移协调，网格划分如图10所示。
3、材料參数
模拟过程中采用的材料参数如表3所示，混凝土采用ABAQUS中自带的拉压不等本构模型，钢筋采用双线性随动强化模型模拟，第二刚度为0，屈服强度取210MPa。
从图11为最大加载时受弯的应力云图，由图可知混凝土最大拉应力刚达到混凝土的受拉强度，最大压应力14.2MPa，远低于混凝土的抗压强度24.5MPa，从图12可知钢筋没有达到屈服强度210MPa，处于弹性范围内。由于不对称加载，导制1#位的钢筋网的应力明显较3#位的应力大。
由图可知在530kN的荷载作用，道口板没有发生塑性变形，模拟计算得到的荷载也满足承载力要求。
图13为道口板的竖向正应力云图，竖向正应力反应混凝土的局部受压，由图可知，竖向局部正应力为1.1MPa，低于混凝土的抗压强度，因而受压满足承载力的要求。
图14为道口板剪应力，由于支撑位置离加载位置较近，道口板的剪应力云图呈现“八”字形式，这是典型的剪压模式，构件在剪力的作用下，破坏线沿着斜线方式破坏，从图中可知道口板的剪应力小于1.25倍的混凝土的抗拉强度，说明道口板的箍筋只需按规范上的最小配筋率进行配筋即可满足规范上的要求。
图15为道口板各测点平均沉降量与加载的曲线，从图中可知，实测值略大于模拟值，最大误差为18.5%，模拟值与实测值基本吻合。
三、结语：
通过对火车道口板进行静载试验和数值模拟分析可以得出如下结论：
（1）道口板的施工安装应朝着便携化、机械化和装配式的方向发展。
（2）在逐级加载下，道口板各测点的竖向变形与加载呈线性变化，说明最大加载下结构没有出现塑性变形。
（3）在最大加载情况下，混凝土底板没有出现裂缝，完好无损。
（4）有限元模拟与实测吻合较好，说明有限元计算结果真实可信，模拟得出混凝土与钢筋的受力均在弹性范围内。
参考文献：
[1]许强.加强型铁路整体道口铺面板在湛江港的应用[J].铁道建筑，2013，1（2）： 115-117.
[2]黄荣.钢筋混凝土整体道口的设计应用[J].铁道运营技术， 2012，18（4）：25-29.
[3]郭海波.整体道口板在营口中板厂的应用[J].山西冶金2016，1：102-103.
[4]王墩，吕西林.建筑结构拟静力试验方法的加载制度[J].四川建筑科学研究 ， 2014，40（3）：54-59.
[5]熊海贝，吴玲.加载制度对具有Bouc-Wen模型特征的结构反应的影响[J].湖南大学学报（自然科学版）2016，43（1）：143-151.
[6]杨国华，徐光辉，常林晶，徐健涛.Abaqus软件在非线性仿真分析中的应用[J].建筑技术 ，2016，47（4）：157-160.
[7]聂建国，王宇航.ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J].工程力学， 2013，30（4）：59-68.
[8]谢启芳，李朋.基于 ABAQUS的传统风格建筑钢筋混凝土梁-柱节点有限元分析[J].世界地震工程2016，32（1）：245-253.