蘭新鐵路第二雙線大單元雙塊式無砟軌道溫度效應理論分析

鄧非凡，丁晨旭，蘇成光，龔　闖，趙坪銳

（西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都　610031）

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蘭新鐵路第二雙線大單元雙塊式無砟軌道溫度效應理論分析

鄧非凡，丁晨旭，蘇成光，龔闖，趙坪銳

（西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

摘要采用大單元雙塊式無砟軌道結構的蘭新（蘭州—烏魯木齊）鐵路第二雙線位于西北大溫差地區，溫度荷載是影響其服役性能的重要因素。本文建立了長度為19. 5 m的大單元板有限元模型，對降溫荷載作用下軌道結構的開裂形式和升溫荷載作用下軌道結構失穩的可能性進行了模擬和分析。結果表明：開裂成5塊小單元板是大單元板受降溫荷載作用開裂后的穩定形態；升溫荷載將使小單元板間距縮小但不會導致其發生擠壓破壞或失穩；道床板內的縱向鋼筋對假縫處裂縫寬度的變化有明顯抑制作用。

關鍵詞大單元雙塊式無砟軌道；假縫；溫度效應；蘭新鐵路第二雙線；開裂；失穩

蘭新鐵路第二雙線位于我國西北內陸地區，該地區具有極端氣候條件，年溫差達82℃［1］。為保證軌道結構的穩定性和可靠性，在路基上鋪設了長度為19. 5 m的大單元雙塊式無砟軌道［2-3］。每塊大單元板由設置假縫的5塊小單元板組成，相鄰大單元板之間設置伸縮縫，支承層設置與道床板對應的假縫，道床板內縱向鋼筋在假縫處上層斷開但下層連續。該結構可使道床板內部產生的溫度拉、壓應力變小，避免了連續結構所產生的超限、超標和不規則裂縫［4-6］。本文對該結構進行溫度效應的適應性模擬，分析大單元板可能的失效模式，為該結構的養護維修提供合理建議。

1　模型建立和參數選取

大單元雙塊式無砟軌道依靠自重及摩擦實現軌道結構的縱、橫向限位，溫度效應分析重點考慮其縱向受力和變形。基于大單元板的受力特點對軌道結構進行適當簡化［7-9］，建立了包括鋼軌、道床板、支承層和基床表層的有限元模型，如圖1所示。其中軌道各部件均采用實體單元模擬，道床板、支承層和基床表層分別為C40，C20混凝土和級配碎石。道床板與支承層之間采用黏結處理，支承層與路基表層之間采用接觸單元模擬其相互作用，支承層與路基表層之間的摩阻系數取0. 3～10。模型長度取19. 5 m，通過改變邊界條件模擬結構狀態變化。大單元板假縫開裂前后細部模型如圖2所示。

圖1　大單元雙塊式無砟軌道實體有限元模型

圖2　假縫細部模型

分別對道床板和支承層施加降溫荷載和升溫荷載，降溫荷載分為均勻降溫和非均勻降溫兩種形式。均勻降溫時，對道床板和支承層均施加40℃的降溫；非均勻降溫時，則對道床板和支承層分別施加50℃和40℃的降溫。升溫荷載的大小和施加方式與降溫荷載類似。

2　降溫荷載下軌道結構受力狀態及開裂模擬

針對蘭新二線大單元板結構受力、變形特點，設置了多種工況對其縱向應力和位移大小進行分析，假縫位置作為截面薄弱環節，是本文分析的重點。

2. 1支承層和道床板假縫均未開裂

新建狀態下，道床板和支承層的假縫均未開裂［10］，此時約束模型兩端支承層假縫處的各節點縱向位移以模擬大單元板縱連狀態。在降溫荷載作用下的軌道各部件縱向位移分布如圖3所示。軌道兩端分別為縱向位移的最大值和最小值。

圖3　軌道縱向位移分布

在道床板伸縮縫處的支承層假縫位置出現應力集中，遠超材料的抗拉強度，將最先發生開裂破壞，同時道床板個別假縫會發生局部損傷。在較小的軌道結構降溫情況下，支承層端部假縫將會發生開裂而釋放軌道結構內部的溫度應力。

2. 2伸縮縫處的支承層假縫開裂

釋放支承層兩端的縱向約束以模擬伸縮縫處的支承層假縫開裂狀態。此時在降溫荷載作用下，道床板和支承層端部發生了較大的回縮。由于支承層底部摩阻力的作用，道床板、支承層內和基床表層端部出現了較大拉應力，其中道床板假縫處拉應力為最大，如圖4所示。

圖5為道床板假縫處應力隨摩阻系數的變化規律。由圖可知，道床板拉應力隨摩阻系數的增大而增大，但趨勢漸緩；當摩阻系數增大到10時，道床板假縫處拉應力達到C40混凝土的開裂應力。

圖6為均勻/非均勻降溫下軌道結構位移對比。由圖可知，在降溫荷載作用下，道床板和支承層的板端位移隨著摩阻系數的增大而略微減小，而基床表層的位移隨著摩阻系數的增大而增大，軌道結構各部件位移的變化趨勢均為漸趨平穩。非均勻降溫荷載作用下的軌道各部件位移較均勻降溫作用下的位移明顯增大，差值為1 mm左右，說明軌道結構在寒潮、冰雹等極端天氣引起的非均勻降溫作用下，道床板與支承層之間的層間黏結、支承層與基床表層之間的層間接觸受破壞程度較均勻降溫大。

圖4　軌道部件應力分布

圖5　道床板假縫處應力隨摩阻系數的變化規律

圖6　均勻/非均勻降溫下軌道結構位移對比

2. 3道床板不同位置假縫開裂

支承層直接澆筑于路基基床上，兩層之間沒有設置隔離措施，因此支承層與基床表層之間摩阻系數可取為5［11-12］。由于支承層端部假縫在降溫荷載作用下最先發生開裂形成大單元板，同時道床板假縫會發生局部傷損，但其傷損位置和程度無法確定，故假定幾種可能的開裂情況分別進行討論。

圖7為道床板開裂位置示意。當道床板僅在圖7 中1，2號小單元板之間假縫開裂時，分別施加均勻降溫和非均勻降溫荷載，分析得到假縫開裂寬度約為0. 128 mm。道床板的縱向最大拉應力出現在2，3號小單元板之間的假縫處，達到3. 36 MPa，已經超過道床混凝土的抗拉強度，說明此處道床板假縫將發生開裂，而其余假縫處應力均低于材料抗拉強度。支承層假縫的縱向最大拉應力出現在與道床板開裂假縫位置相對應處，達到10. 9 MPa，說明此處支承層假縫將發生開裂，而支承層其他假縫的縱向拉應力值分別是2. 10，1. 30，3. 30 MPa。開裂假縫處的支承層與基床表層之間局部應力較大，達到8 MPa，說明基床表層的端部會發生局部剪切破壞。

圖7　道床板開裂位置示意

類似地，當道床板僅在2，3號小單元板之間假縫發生開裂時，假縫開裂寬度約為0. 183 mm，其余假縫處的拉應力值均超過了道床混凝土的抗拉強度。開裂處的支承層假縫出現較大應力集中，基床表層端部發生局部剪切破壞。當道床板所有假縫均發生開裂時，其內部的應力大小處于較低水平而不會出現新的裂縫，4條假縫的開裂寬度分別是0. 063，0. 069，0. 069，0. 060 mm。考慮到實際施工中，構筑支承層的水硬性材料中水泥含量較少，支承層的裂縫不一定完全按照假縫位置出現而會隨機產生較多不均勻裂縫，難以用有限元軟件模擬，于是支承層混凝土換算彈性模量由式（1）得到［13］。

式中：Ecoef表示換算彈性模量；ft表示混凝土抗拉強度；αT表示鋼筋線膨脹系數；ΔT表示降溫幅度。

支承層的換算彈性模量Ecoef取為3 850 MPa，計算得到道床板的最大拉應力約為1. 63 MPa，說明支承層開裂有利于大單元板溫度應力的釋放。

2. 4支承層和道床板假縫均開裂

蘭新二線的設計目的是讓大單元板在降溫荷載的作用下開裂成5個小單元板，以釋放溫度應力并讓其共同工作。此時在降溫荷載作用下，軌道結構各部件的應力和位移均保持在較低水平，約為0. 1 MPa，可保證軌道結構安全穩定，計算得到各假縫的開裂寬度分別是1. 548，1. 579，1. 617，1. 472 mm。由于道床板內的下層縱向鋼筋在假縫處保持縱連，當考慮道床板內縱向鋼筋的拉伸作用時，道床板的縱向拉應力遠小于其抗拉強度，各假縫的開裂寬度分別是0. 452，0. 296，0. 295，0. 271 mm，說明縱向鋼筋可以減少裂縫寬度的擴展。

3　升溫情況下軌道受力狀態及失穩可能性分析

大單元板在高溫荷載作用下可能會發生上拱變形和混凝土壓碎的現象，對行車的平順性和線路養護維修造成不利影響［14］，本節將對升溫情況下的軌道受力狀況進行分析。

3. 1支承層和道床板假縫均未開裂

同降溫荷載作用時的處理方法一致，約束模型兩端支承層假縫處的各節點自由度，在升溫情況下的軌道各部件豎向位移極值和小單元板間假縫處應力極值如表1所列。

表1　軌道部件豎向位移和假縫處應力值（假縫均未開裂）

均勻升溫荷載作用下，大單元板發生上拱的位置出現在1，5號小單元板處，呈對稱分布，最大達到2. 915 mm，而非均勻升溫荷載作用時的最大上拱量達到4. 447 mm。假縫處的縱向壓應力均超過了材料的抗壓強度。

3. 2支承層端部假縫開裂

當支承層端部假縫開裂后，釋放支承層兩端的縱向約束以模擬支承層端部假縫的開裂狀態，軌道部件位移和假縫處應力值如表2所示。大單元板的最大上拱量為0. 363 mm，較大單元板端部假縫未開裂時顯著減小；道床板端部出現較大的伸長量，軌道各部件的縱向壓應力得到釋放，從而遠小于其材料的抗壓強度。

表2　軌道部件豎向位移和假縫處應力值（支承層端部假縫開裂）

3. 3支承層和道床板假縫均開裂

當大單元板所有假縫均開裂后，在溫度荷載作用下，道床板和支承層的最大縱向拉應力分別是0. 337，0. 233 MPa，最大縱向壓應力分別是0. 241，1. 760 MPa，遠小于混凝土材料的極限強度。

軌道結構豎向位移極值和小單元板之間間距縮小量如表3所示，道床板的上拱量保持在0. 3 mm以下，小單元板之間的間距變化量趨于一致，處于1. 6 mm左右。

表3　軌道部件豎向位移和小單元板間距縮小量（假縫均開裂）

3. 4假縫開裂但道床板縱向鋼筋連續

由于道床板假縫處的縱向鋼筋對于小單元板的相互縱向移動具有一定的約束作用，升溫荷載作用下，軌道結構豎向位移極值和小單元板間距縮小量如表4所示。可以發現，在縱向鋼筋的約束下，小單元板之間的間距變化量較表3減小許多，但上拱量有所增大，說明縱向鋼筋有利于控制裂縫的寬度變化，防止軌道結構發生失穩。

表4　軌道部件豎向位移和小單元板間距縮小量（假縫開裂但道床板鋼筋縱連）

4　結論與建議

針對蘭新二線所處的環境氣候條件，建立了大單元板有限元模型，在溫度荷載的作用下，通過設置不同的工況模擬其溫度效應，得到結論及建議如下：

1）道床板和支承層的假縫開裂位置隨機出現，道床板最終開裂成5個小單元板。

2）大單元板假縫開裂處寬度將達到1. 5～2. 0 mm，需采取措施對假縫開裂處進行密封處理。線路修建初期灌注的防水材料可能會發生填補量不足的現象，因此需要提高假縫的養護維修頻率，選用密封性和耐久性更優越的填補材料。

3）支承層端部假縫沒有開裂時，在升溫荷載作用下假縫處縱向壓應力值超過了材料的抗壓極限強度，而在假縫開裂后其壓應力值保持較低水平。

4）道床板假縫處的縱向鋼筋對于假縫開裂寬度具有明顯約束作用。

5）氣溫驟降和持續高溫等極端天氣會加劇大單元板的傷損，建議提前采取對應措施。

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（責任審編周彥彥）

第一作者：鄧非凡（1992—），男，碩士研究生。

Theoretical Analysis on Temperature Effect of Large Unit Double-block Ballastless Track for Lanzhou -Xinjiang Second Double-track Railway

DENG Feifan，DING Chenxu，SU Chengguang，GONG Chuang，ZHAO Pingrui
（MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractLanzhou -Xinjiang second double-track railway using large unit double-block ballastless track structure is located in the northwest region with large temperature variation，which means the temperature load is an important factor affecting the service performance of ballastless track. A finite element model of large unit double-block ballastless track slab with 19. 5 m length was established in this paper to simulate and analyze the crack form of track structure under the action of cooling load and the instability possibility of track structure under the action of heating load respectively. T he results show that 5 small unit track slabs are the stable form after cracking of the large unit track slab under the action of cooling load，the heating load reduces the gap between small unit track slabs which could not lead to the extrusion failure or instability，and longitudinal reinforcing steel bar inside track slabs has a significant inhibitory effect on the changes of pre-splitting crack width.

Key wordsLarge unit double-block ballastless track；Pre-splitting crack；T emperature effect；Lanzhou -Xinjiang second double-track railway；Crack；Instability

中圖分類號U213. 2+42；U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 12

文章編號：1003-1995（2016）05-0053-05

收稿日期：2016-03-02；修回日期：2016-03-25

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2013CB036202）；國家自然科學基金（U1434208）；中國鐵路總公司科技研究開發計劃（Z2013G001；2014G001-A）

通訊作者：趙坪銳（1978—），男，副教授，博士。