寬窄接縫破損對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路受力的影響

高　亮，劉亞男，鐘陽龍，尤明熙，辛　濤

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044）

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寬窄接縫破損對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路受力的影響

高亮，劉亞男，鐘陽龍，尤明熙，辛濤

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

摘要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，CRTSⅡ型板式無砟軌道寬窄接縫處存在嚴(yán)重破損情況，極大地影響軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形。為了明確寬窄接縫破損的影響，本文基于有限元理論，利用ANSYS軟件建立了路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路計(jì)算模型，研究了溫升和持續(xù)高溫荷載作用下，寬、窄接縫分別破損對(duì)無縫線路受力和變形的影響。研究結(jié)果表明：在溫度荷載作用下，與寬窄接縫完好時(shí)相比，寬窄接縫破損造成鋼軌受力和變形增大，鋼軌的垂向不平順較為明顯；寬窄接縫破損處兩側(cè)軌道板與砂漿層脫粘，軌道板出現(xiàn)上拱，并在持續(xù)高溫作用下脫粘范圍向板中蔓延，上拱位移不斷增大。其中，寬接縫完全破損時(shí)脫粘長(zhǎng)度可達(dá)到1. 438 m，上拱位移達(dá)到0. 612 mm，窄接縫完全破損時(shí)脫粘長(zhǎng)度可達(dá)到1. 625 m，上拱位移達(dá)到1. 438 mm；寬窄接縫破損處的縱向壓應(yīng)力較大，超過混凝土抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土被擠碎，破損程度加劇。

關(guān)鍵詞CRTSⅡ型板式軌道；寬窄接縫；破損

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國(guó)高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿層、底座板（或支承層）等部分組成［1］。軌道板之間通過6根φ20精軋螺紋鋼筋進(jìn)行縱向連接，形成縱連結(jié)構(gòu)體系。兩塊軌道板間通過現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行連接，稱為寬窄接縫。季節(jié)變換時(shí)期，氣溫晝夜溫差加大，軌道板內(nèi)溫度應(yīng)力驟然變化，導(dǎo)致軌道板內(nèi)應(yīng)力極度不均，從而造成寬窄接縫反復(fù)拉壓受力而破損。此外，板間接縫質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或接縫張拉鎖件安設(shè)不標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也會(huì)加劇接縫處發(fā)生擠碎現(xiàn)象。寬接縫破損如圖1所示。若軌道結(jié)構(gòu)溫度升高，寬窄接縫破損使得軌道板處于一種偏心受壓狀態(tài)，會(huì)引起軌道板出現(xiàn)上拱，導(dǎo)致線路不平順，甚至危及行車安全。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于軌道板與寬接縫界面開裂研究較多［2-4］，僅有少量關(guān)于板間接縫傷損維修整治的探索［5-6］，缺乏寬窄接縫破損對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力變形影響的研究，故本文針對(duì)寬窄接縫破損進(jìn)行研究。

圖1　寬接縫破損

本文通過ANSYS有限元軟件，建立CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路分析模型，計(jì)算分析了溫度荷載作用下，寬窄接縫破損對(duì)無砟軌道無縫線路受力變形的影響，為寬窄接縫破損的整治維修提供理論基礎(chǔ)。

1　有限元模型

1. 1計(jì)算模型及參數(shù)

基于彈性地基梁體理論與有限元方法［7］，建立路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路模型，見圖2。鋼軌看作無限長(zhǎng)點(diǎn)支承梁，采用Beam 188梁?jiǎn)卧M；扣件可等效為線性彈簧；軌道板、支承層形狀比較規(guī)則，計(jì)算時(shí)離散為八節(jié)點(diǎn)的六面體實(shí)體單元；路基采用連續(xù)均勻的線性彈簧模擬，其剛度由地基系數(shù)等效得到。為了模擬水泥乳化瀝青砂漿層與軌道板脫粘產(chǎn)生與發(fā)展情況，采用桿單元模擬砂漿層的豎向粘結(jié)及支撐作用。寬窄接縫破損的模擬則采用生死單元法殺死破損部分。軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖2　彈性地基梁體力學(xué)模型

表1　無砟軌道無縫線路計(jì)算參數(shù)

1. 2計(jì)算假定及荷載條件

計(jì)算時(shí)僅考慮溫度荷載的作用，取鋼軌升溫65℃，無砟軌道升溫45℃。假設(shè)寬窄接縫的破損貫穿軌道板整個(gè)寬度方向，計(jì)算時(shí)取寬、窄接縫分別無破損、部分破損和完全破損3種工況。圖3為破損示意。建模時(shí)考慮到縱連板式無砟軌道為連續(xù)結(jié)構(gòu)，取15塊軌道板長(zhǎng)度，模型的端部采用固定約束，計(jì)算結(jié)果取中間軌道板，可忽略邊界的影響。在模擬路基的彈簧底部時(shí)約束3個(gè)方向的自由度，使其符合CRTSⅡ型板式軌道的實(shí)際邊界情況。

圖3　接縫破損圖示

2　寬接縫破損結(jié)果及分析

2. 1溫升作用下破損的分析

計(jì)算時(shí)選取寬接縫無破損、部分破損以及全部破損3種工況進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖4以及表2所示。

圖4　寬接縫鋼軌與軌道板縱向應(yīng)力及位移

表2　無砟軌道應(yīng)力及變形的計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，寬接縫的破損影響了軌道板的連續(xù)性，造成了鋼軌、軌道板、支承層受力變形在破損附近出現(xiàn)突變。在溫升荷載作用下，相較于寬接縫完好時(shí)，寬接縫破損將造成鋼軌在破損寬接縫處下沉，破損附近短距離內(nèi)上拱，縱向力增大，且隨破損程度的加劇，計(jì)算結(jié)果增大，鋼軌的垂向不平順更為明顯。同未破損時(shí)相比，破損寬接縫處位移下沉，附近的軌道板板端垂向位移增大，出現(xiàn)上拱，并隨著破損程度的加劇而增大，部分破損時(shí)上拱位移為0. 326 mm，完全破損時(shí)為0. 359 mm。

隨著寬接縫破損程度加劇，寬接縫破損周圍的軌道板、支承層應(yīng)力隨之增大，其余位置應(yīng)力則沒有變化。溫度荷載作用下，無破損、部分破損及完全破損時(shí)軌道板壓應(yīng)力分別為16. 3，32. 7，49. 2 MPa。由于軌道板和寬窄接縫為C55混凝土，抗壓強(qiáng)度為35. 5 MPa，寬接縫破損處的壓應(yīng)力已經(jīng)接近或已達(dá)到了混凝土的抗壓強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致寬窄接縫處混凝土擠碎，加重傷損。此外，寬接縫破損時(shí)軌道板板端處的砂漿層應(yīng)力增大，部分破損和完全破損時(shí)其最大值分別為0. 74 MPa 和1. 87 MPa，接近或超過砂漿的粘結(jié)能力0. 18～0. 78 MPa［8］（本文取0. 5 MPa），致使砂漿層與軌道板板端產(chǎn)生脫粘，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致軌道板的上拱位移增大。

2. 2持續(xù)高溫作用下的分析

由上述計(jì)算知，寬接縫完全破損時(shí)軌道板與砂漿層將產(chǎn)生脫粘，計(jì)算分析持續(xù)高溫荷載的影響時(shí)，采用荷載步分階段施加持續(xù)溫度荷載。本文2個(gè)荷載步為1個(gè)階段，只計(jì)算了6個(gè)階段。計(jì)算時(shí)用生死單元法殺死脫粘的砂漿層桿單元，并利用ANSYS重啟動(dòng)分析方法在上一步的計(jì)算結(jié)果上繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算［9-10］。

持續(xù)高溫荷載作用，寬接縫完全破損狀態(tài)下無砟軌道無縫線路第6階段垂向位移如圖5所示，軌道板與砂漿層脫粘長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果如圖6所示，無砟軌道無縫線路受力變形計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由計(jì)算結(jié)果可知，持續(xù)高溫作用下，寬接縫附近軌道板與砂漿層之間脫粘開裂范圍不斷增大，導(dǎo)致軌道板板端上拱范圍及位移也增大。在持續(xù)加溫的第6階段，脫粘長(zhǎng)度達(dá)到1. 438 m，上拱位移達(dá)到0. 612 mm。

圖5　第6階段軌道板垂向位移（單位：m）

圖6　軌道板與砂漿層脫粘長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

圖7　寬接縫無砟軌道無縫線路受力變形計(jì)算結(jié)果

當(dāng)無砟軌道出現(xiàn)寬接縫破損時(shí)，在持續(xù)高溫荷載作用下，寬接縫破損處周圍鋼軌最大縱向力、垂向位移不斷增大，鋼軌的垂向不平順明顯增加。寬接縫破損周圍軌道板的最大縱向應(yīng)力不斷增大，軌道板的最大垂向位移也增大，并且砂漿層與軌道板板端脫粘范圍不斷擴(kuò)大，上拱范圍及位移也不斷增大。在持續(xù)溫升荷載作用下，軌道板未破損部分的壓應(yīng)力超過抗壓強(qiáng)度，也會(huì)被壓碎，增大破壞范圍。此外，隨著脫粘長(zhǎng)度的增大，破損周圍軌道板對(duì)支承層影響減小，寬接縫破損周圍支承層的最大縱向應(yīng)力減小。

3　窄接縫破損結(jié)果及分析

3. 1溫升作用下破損的分析

計(jì)算時(shí)選取窄接縫無破損、部分破損以及全部破損3種工況進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖8以及表3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，窄接縫破損影響了軌道板連續(xù)性，造成了鋼軌、軌道板、支承層受力變形在破損附近出現(xiàn)突變。

圖8　窄接縫鋼軌與軌道板縱向應(yīng)力及位移

表3　無砟軌道應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果

在溫度荷載作用下，相較于窄接縫完好時(shí)，窄接縫發(fā)生破損后，鋼軌縱向力增大，但是增大幅度較小；鋼軌垂向位移在破損寬接縫處出現(xiàn)上拱，板端附近出現(xiàn)下沉，垂向不平順較為明顯。

與窄接縫完好時(shí)相比，破損窄接縫處的軌道板板端垂向位移增大，出現(xiàn)上拱，并且隨著破損程度的加劇而增大，部分破損時(shí)上拱位移為0. 369 mm，完全破損時(shí)為0. 513 mm。支承層位移也隨著窄接縫破損程度的加劇而增大。

在溫度荷載作用下，隨著窄接縫破損程度的增加，在窄接縫破損周圍軌道板、支承層的最大應(yīng)力隨之增大，其余位置應(yīng)力則沒有變化。溫度荷載作用下，無破損、部分破損及完全破損時(shí)，軌道板壓應(yīng)力分別為16. 3，44. 3，65. 6 MPa。由于軌道板和寬窄接縫為C55混凝土，抗壓強(qiáng)度為35. 5 MPa，窄接縫破損處的壓應(yīng)力已經(jīng)接近或已達(dá)到了混凝土的抗壓強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致窄接縫處混凝土擠碎破損，加重傷損。

窄接縫破損時(shí)軌道板板端處的砂漿層應(yīng)力增大，部分破損和完全破損時(shí)其最大值分別為1. 27 MPa和3. 28 MPa，超過砂漿的粘結(jié)能力0. 18～0. 78 MPa（本文取0. 5 MPa），致使砂漿層與軌道板板端脫粘，進(jìn)而導(dǎo)致在溫升作用下軌道板板端出現(xiàn)上拱。

3. 2持續(xù)高溫作用下的分析

在持續(xù)高溫作用下，窄接縫破損狀態(tài)下無砟軌道無縫線路第6階段垂向位移如圖9所示，軌道板與砂漿層脫粘長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果如圖10所示，無砟軌道無縫線路受力變形計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

由上面計(jì)算結(jié)果可以看出，持續(xù)高溫荷載作用下，窄接縫破損兩側(cè)軌道板與砂漿層之間脫粘開裂范圍不斷增大，逐漸向板中蔓延。軌道板連同寬接縫出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，并且隨著軌道板與砂漿層脫粘范圍的慢慢擴(kuò)大，上拱范圍及上拱位移也不斷增大。在持續(xù)加溫的第6階段，脫粘長(zhǎng)度達(dá)到1. 625 m，上拱位移達(dá)到1. 438 mm。

無砟軌道出現(xiàn)窄接縫破損，在持續(xù)高溫荷載作用下，窄接縫破損處周圍鋼軌最大縱向力、垂向位移不斷增大，鋼軌的垂向不平順繼續(xù)增大，鋼軌垂向位移最大達(dá)到0. 703 mm。窄接縫破損周圍軌道板的最大縱向壓應(yīng)力不斷增大，破損處的寬接縫拉應(yīng)力也不斷增大，軌道板的最大垂向位移也增大。在持續(xù)溫升荷載作用下，破損處的寬接縫壓應(yīng)力持續(xù)增大，且超過其抗壓強(qiáng)度被壓碎，增大破壞范圍。破損處的寬接縫拉應(yīng)力最大值也達(dá)到了36. 9 MPa，超過了其抗拉強(qiáng)度。此外，窄接縫破損周圍支承層的最大縱向應(yīng)力不斷減小，垂向位移先增大然后減小。這是因?yàn)檐壍腊迮c砂漿層的脫粘范圍在不斷增大，軌道板的上拱對(duì)支承層的影響開始減小，當(dāng)脫粘長(zhǎng)度達(dá)到0. 650 m時(shí)，支承層的最大垂向位移開始減小。

圖9　第6階段軌道板垂向位移（單位：m）

圖10　軌道板與砂漿層脫粘長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

圖11　窄接縫無砟軌道無縫線路受力變形計(jì)算結(jié)果

4　結(jié)論

基于彈性地基梁體理論以及有限元方法，建立了路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路模型，系統(tǒng)研究了溫度荷載作用下寬、窄接縫破損對(duì)無砟軌道無縫線路結(jié)構(gòu)的影響，得到如下結(jié)論與建議。

1）在溫度荷載作用下，與寬接縫未破損時(shí)相比，寬接縫破損使得鋼軌受力、垂向位移增大，鋼軌的垂向不平順較為明顯；寬接縫破損處周圍軌道板與砂漿層脫粘，軌道板板端附近出現(xiàn)上拱，并在持續(xù)高溫作用下向板中蔓延。計(jì)算結(jié)果表明，持續(xù)高溫作用下，軌道板與砂漿層脫粘長(zhǎng)度可達(dá)到1. 438 m，上拱位移達(dá)到0. 612 mm。此外，寬接縫破損處混凝土的縱向壓應(yīng)力增大，超過混凝土的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致寬接縫處混凝土擠碎破損，傷損加重。

2）在溫度荷載作用下，窄接縫破損使得鋼軌受力、垂向位移增大，鋼軌的垂向不平順較為明顯；窄接縫破損導(dǎo)致兩側(cè)軌道板與砂漿層脫粘，軌道板連同寬接縫出現(xiàn)上拱，并在持續(xù)高溫作用下向板中蔓延。計(jì)算結(jié)果表明，持續(xù)高溫作用下，軌道板與砂漿層脫粘長(zhǎng)度可達(dá)到1. 625 m，上拱位移達(dá)到1. 438 mm。此外，窄接縫破損處混凝土的縱向壓應(yīng)力增大，超過混凝土的抗壓強(qiáng)度，其余混凝土?xí)粩D碎。窄接縫破損處出現(xiàn)拉力，且不斷增大，超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土從上面被拉裂。

3）根據(jù)寬、窄接縫破損對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路的影響，建議對(duì)寬、窄接縫破損病害及時(shí)進(jìn)行整治維修，并考慮溫度荷載的影響，提出最佳的養(yǎng)護(hù)維修時(shí)機(jī)。

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（責(zé)任審編趙其文）

Influence of Damage of Wide and Narrow Joints on Mechanical Performance of CRTSⅡSlab-type Ballastless Track CWR

GAO Liang，LIU Yanan，ZHONG Yanglong，YOU Mingxi，XIN Tao
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

AbstractField research demonstrated that there were some serious damages of wide and narrow joints in CRT SⅡslab-type ballastless track，which greatly influenced the stress and deformation of track structure. In order to ascertain the effect of the wide and narrow joint damage，a CW R（Continuous W elded Rail）computing model of CRT SⅡslab-type ballastless track on the subgrade was built by the finite element method theory and ANSYS software，and the effect of wide and narrow joint damage on the stress and deformation of CRT SⅡslab-type track CW R under the condition of temperature rise and continuous high temperature was discussed respectively. T he results show that the rail stress and deformation due to the wide and narrow joint damage increase and rail vertical irregularity is obvious under temperature load compared with the intact joints，the joint damage causes debonding between track slab and CA mortar and the arching of track slab，the debonding spreads to the center slab and the displacement of arching increases under continuous high temperature. Debonding length is 1. 438 m and the displacement of arching is 0. 612 mm when wide joint is completely damaged，while debonding length is 1. 625 m and the displacement of arching is 1. 438 mm when narrow joint is completely damaged，the longitudinal compressive stress at joint damage is large，the concrete will be crushed and the damage will be more serious when stress exceed the concrete compressive strength.

Key wordsCRT SⅡslab-type ballastless track；W ide and narrow joint；Damage

中圖分類號(hào)U213. 2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 13

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0058-06

收稿日期：2015-12-31；修回日期：2016-03-01

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G001-F，2012G008-A，Z2013-G001）

作者簡(jiǎn)介：高亮（1968—），男，教授，博士。