CRTSⅡ型無砟軌道板離縫病害分析與整治措施

季 杰,何越磊,洪 劍,路宏遙

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620)

引言

CRTSⅡ型板式無砟軌道是目前常用的先進(jìn)軌道結(jié)構(gòu)形式，京津城際、滬昆高速鐵路等多條主要高速鐵路均采用這種軌道形式[1]。CRTSⅡ型無砟軌道容易在運(yùn)營(yíng)初期出現(xiàn)大范圍的CA砂漿層離縫現(xiàn)象，并且受不同環(huán)境和列車動(dòng)載荷影響，也會(huì)導(dǎo)致軌道板與CA砂漿出現(xiàn)離縫現(xiàn)象，對(duì)列車軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和列車安全運(yùn)營(yíng)帶來很大影響。

在某路段軌道板專項(xiàng)檢查中發(fā)現(xiàn)該工點(diǎn)軌道板離縫上拱，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)10 m弦測(cè)量后發(fā)現(xiàn)高低為右股9 mm，左股8 mm，方向左右股均為0；軌道板離縫情況，寬接縫寧端軌道板與砂漿層離縫9 mm，滬端軌道板砂漿層與底座板離縫7 mm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該處寬接縫滬端兩個(gè)承軌臺(tái)位置的支承層開裂、破損，長(zhǎng)度在2 m左右，且有明顯上拱。如圖1所示，兩個(gè)區(qū)域軌道板離縫分別為9 mm和7 mm。

對(duì)于軌道板與砂漿層離縫成因，文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為溫度梯度是導(dǎo)致無砟軌道出現(xiàn)板下離縫的主要原因之一，離縫的發(fā)生具有不同區(qū)域性和季節(jié)性。文獻(xiàn)[4]對(duì)車輛動(dòng)荷載作用下軌道板離縫擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了研究，這對(duì)于不同離縫作用下的車輛動(dòng)荷載分析以及離縫病害分析具有較大參考價(jià)值。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)無砟軌道的板間寬窄離縫與列車安全運(yùn)行的影響關(guān)系進(jìn)行了分析，認(rèn)為軌道板離縫的擴(kuò)展會(huì)對(duì)列車運(yùn)行帶來很大安全隱患。文獻(xiàn)[7]對(duì)不同離縫范圍、不同軌道長(zhǎng)度下的軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果證明板下離縫的擴(kuò)展會(huì)引起砂漿層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，損害軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能。由此可以得到，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容多集中于小范圍離縫和離縫對(duì)軌道板受力的影響等方面，大范圍砂漿層上拱離縫、貫通離縫對(duì)列車、鋼軌、軌道板以及砂漿層的整體靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)影響方面的研究較少，對(duì)上拱狀態(tài)下的離縫病害缺乏研究。

本文針對(duì)CRTSⅡ型無砟軌道板離縫現(xiàn)象，綜合利用有限元法和動(dòng)力學(xué)分析法研究不同離縫對(duì)無砟軌道板的病害機(jī)理，以及軌道板離縫對(duì)車輛、軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響，對(duì)離縫狀態(tài)下列車運(yùn)行影響進(jìn)行深入的探討，針對(duì)軌道板離縫提出合理整改措施。

1 離縫病害仿真分析

導(dǎo)致軌道板與CA砂漿層之間出現(xiàn)上拱離縫的原因很多，主要為溫度載荷、列車動(dòng)荷載以及地基下沉、地震等環(huán)境因素[8-10]，本文不對(duì)離縫的生成原因進(jìn)行研究，主要對(duì)軌道板上拱離縫病害機(jī)理和影響進(jìn)行研究和分析。

1.1 仿真模型建立

1.1.1 模型參數(shù)

(1)軌道系統(tǒng)參數(shù)

軌道系統(tǒng)采用CNH60鋼軌，軌道板為C55混凝土，長(zhǎng)、寬、高分別為6.45,2.55,0.2 m；CA砂漿層厚0.03 m；支撐層采用C15混凝土，上部寬3.0 m,底部寬4.0 m，總厚度為0.5 m，具體詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 軌道板相關(guān)參數(shù)

(2)列車參數(shù)

高速列車通常采用鋁合金車體，下部設(shè)全封閉的設(shè)備倉(cāng)[11]，具體參數(shù)如表2所示。

表2 列車參數(shù)

1.1.2 動(dòng)力學(xué)模型

軌道系統(tǒng)主要由支承層、CA砂漿層、軌道板、扣件和鋼軌組成。首先建立無砟軌道系統(tǒng)的三維模型[12]，如圖2所示，具有和實(shí)際列車同樣的質(zhì)量和慣性。對(duì)于鋼軌、軌道板、CA砂漿和支撐層采用剛性構(gòu)建，扣件系統(tǒng)采用線彈性單元模擬。

圖2 軌道-列車三維模型

車輪與鋼軌之間采用三維接觸力的形式，基于回歸的接觸算法，通過懲罰參數(shù)與回歸系數(shù)計(jì)算和模擬鋼軌與車輪之間接觸力[13]，動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 列車動(dòng)力學(xué)模型

1.1.3 有限元模型建立

建立有限元模型需要對(duì)實(shí)際的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣才能得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，CRTSⅡ型板式無砟軌道有限元模型如圖4所示。軌道板長(zhǎng)、寬、高分別為6.45，2.55，0.2 m，CA砂漿層厚0.03 m，彈性模量取為7 000 MPa，CA砂漿層的支承剛度在非離縫區(qū)域采用線性彈簧單元模擬，離縫通過定義非線性彈簧單元來模擬[14]?；炷林С袑由喜繉挒?.0 m，底部寬4 m，總厚度為0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，采用空間板單元模擬，彈性模量取為2.2×1010Pa。

圖4 CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

在對(duì)離縫進(jìn)行建模時(shí)，考慮離縫為貫通離縫，雖然貫通離縫發(fā)生情況較少，但是在實(shí)際檢測(cè)中仍發(fā)現(xiàn)貫通離縫的存在，并且貫通離縫引起的病害更大[15]。CA砂漿間和正常區(qū)域軌道板采用共結(jié)點(diǎn)模擬，離縫區(qū)域采用面與面的動(dòng)態(tài)接觸。根據(jù)考察結(jié)果將離縫區(qū)域設(shè)在如圖5所示位置，大約位于第6塊軌枕和第7塊軌枕之間。

圖5 離縫位置示意

1.2 離縫病害仿真分析

針對(duì)1塊軌道板進(jìn)行軌道板靜力學(xué)分析離縫設(shè)置位置如圖5所示，依據(jù)有限元拓?fù)鋭澐炙枷雽?duì)無砟軌道系統(tǒng)進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分，分別以離縫范圍在0，2，4 mm和8 mm為例，分析不同離縫程度對(duì)無砟軌道、CA砂漿的位移和應(yīng)力影響。

1.2.1 軌道板位移分析

圖6為無砟軌道系統(tǒng)豎向位移云圖，圖7為4種不同離縫狀態(tài)下的豎向位移隨軌道板變化曲線。

圖6 不同離縫量下軌道板的豎向位移云圖

圖7 不同離縫量下軌道板的豎向位移曲線

4種離縫條件下，最大軌道板豎向位移為11.0 mm。離縫值從0 mm增加到2 mm時(shí)，軌道板最大豎向位移由2.1 mm增加到了4.9 mm；離縫值從2 mm增加到4 mm和8 mm時(shí)，軌道板最大豎向位移分別達(dá)到了5.8 mm及7.7 mm。在軌道板中間軌道系統(tǒng)的豎向位移最小，兩端的豎向位移較大，特別是軌道板連接處，已經(jīng)遠(yuǎn)超軌道結(jié)構(gòu)性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，這勢(shì)必會(huì)對(duì)軌道板的連接處造成較大沖擊，從而導(dǎo)致軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

當(dāng)離縫量大于4 mm后，豎向位移并沒有增大很多，說明此時(shí)離縫區(qū)域軌道板下表面不再與CA砂漿層接觸，對(duì)軌道板的傷害大大增加。板中上拱位移使軌道板對(duì)CA砂漿表面造成反復(fù)的拍打作用，一方面會(huì)破壞非離縫區(qū)軌道板板底與CA砂漿袋的正常接觸狀態(tài)，另一方面會(huì)使CA砂漿層可能出現(xiàn)新的破損，從而誘發(fā)新的離縫區(qū)域。

1.2.2 軌道板應(yīng)力分析

圖8為無砟軌道系統(tǒng)豎向應(yīng)力云圖，圖9所示為不同離縫量下的豎向應(yīng)力隨軌道長(zhǎng)度變化曲線。

圖8 不同離縫量下軌道板的豎向應(yīng)力云圖

4種離縫條件下，軌道板最大豎向應(yīng)力為98 MPa。離縫值從0 mm增加到2 mm時(shí)，軌道板最大豎向應(yīng)力由24 MPa增加到了66 MPa；離縫值從2 mm增加到4 mm和8 mm時(shí)，軌道板最大豎向應(yīng)力分別達(dá)到了79 MPa及98 MPa。

圖9 不同離縫量下軌道板的豎向應(yīng)力曲線

由此可以看出，軌道系統(tǒng)的豎向應(yīng)力很大，特別是離縫局部區(qū)域的豎向應(yīng)力，離縫為8 mm時(shí)已經(jīng)超過材料的強(qiáng)度極限，造成了材料的永久性損傷。所以對(duì)于軌道系統(tǒng)產(chǎn)生離縫上拱情形，必須及時(shí)修整處理，以免離縫繼續(xù)擴(kuò)散，對(duì)軌道系統(tǒng)和列車運(yùn)行帶來極大的安全隱患。

2 離縫動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

2.1 車輪動(dòng)荷載分析

通常施加在計(jì)算模型上的列車動(dòng)荷載由列車荷載計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式得到[16]。本文為了分析不同軌道板離縫下的列車動(dòng)荷載，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式分析思路，在列車動(dòng)荷載分析中加入了離縫信息，以列車的后輪對(duì)為研究對(duì)象，分別對(duì)軌道板離縫量為0，2，4，8 mm下的列車動(dòng)荷載進(jìn)行了計(jì)算[17]，左右軌道的不平順序列見圖10和圖11。

圖10 左軌道不平順性

圖11 右軌道不平順性

在軌道板靜力學(xué)病害分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)耦合分析，仿真總共采用6塊無砟軌道板，在中間第3、4塊軌道板設(shè)置如圖5所示的離縫區(qū)域。

2.2 離縫動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

以離縫范圍在0，2，4 mm以及8 mm等不同離縫程度對(duì)行車安全性及平穩(wěn)性的影響，車速為350 km/h。參考TB10716—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[18]，軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)基準(zhǔn)值和極限值標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

圖12所示為不同離縫范圍下車體加速度隨軌道長(zhǎng)度變化曲線。

面對(duì)嚴(yán)重的山洪災(zāi)害，江西把保障群眾生命安全放在第一位，充分利用山洪災(zāi)害非工程措施建設(shè)成果，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，提前轉(zhuǎn)移山洪災(zāi)害威脅區(qū)群眾，大大減少了人員傷亡。

圖12 車體垂向加速度隨軌道長(zhǎng)度變化曲線

從圖12可以看出，離縫量為0 mm時(shí)，車體垂向加速度峰值約為0.8 m/s2，隨著板下離縫范圍增加，車體加速度峰值逐漸增加，離縫量為4 mm時(shí)，車體加速度已經(jīng)超過2 m/s2，超過了正常車體加速度允許的極限值1.7 m/s2。當(dāng)板下離縫量達(dá)到8 mm時(shí)，車體垂向加速度增加至約3.0 m/s2，大約為車體加速度極限值的1.76倍，會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行帶來極為不利的影響。

圖13、圖14為不同板下離縫量時(shí)輪軌垂向力和橫向力曲線對(duì)比。圖15為不同板下離縫量鋼軌動(dòng)態(tài)位移時(shí)程曲線。

圖13 輪軌垂向力時(shí)程曲線

圖14 輪軌橫向力時(shí)程曲線

通過圖13可以看出，輪軌垂向力峰值出現(xiàn)在0.4 s之后，隨著板下離縫量的增加，輪軌垂向力逐漸增大，其中，離縫量在0～2 mm時(shí)，輪軌垂向力增長(zhǎng)緩慢；離縫量大于2 mm時(shí)，輪軌力增長(zhǎng)迅速，離縫量大于8 mm時(shí)，輪軌垂向力達(dá)到220 kN，超過極限值170 kN，會(huì)對(duì)列車運(yùn)行帶來很大安全隱患[19]。

從圖14可以看出，離縫區(qū)域內(nèi)輪軌橫向力沖擊明顯。隨著板下離縫量的增加，輪軌縱向力逐漸增大，離縫量在0～4 mm時(shí)，輪軌垂向力增長(zhǎng)緩慢；離縫量大于4 mm時(shí)，輪軌力增長(zhǎng)迅速；離縫量為8 mm時(shí)，輪軌橫向力接近100 kN，超過輪軌橫向力極限值80 kN[20]。

圖15 鋼軌位移時(shí)程曲線

從圖15可以看出，隨著板下離縫量的增加，輪軌位移量逐漸增大，輪軌位移量與離縫量呈正比關(guān)系，在離縫量達(dá)到8 mm時(shí)，輪軌位移量達(dá)到2.2 mm，超過鋼軌位移極限值2 mm[21]。

2.3 軌道板離縫對(duì)列車運(yùn)行影響

以車輛速度350 km/h、板下離縫量0，2，4 mm以及8 mm為例，對(duì)車輛、軌道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，主要以后輪對(duì)為研究對(duì)象，圖16為不同離縫量下的脫軌系數(shù)，圖17為不同離縫量下的輪重減載率。

圖16 不同離縫下脫軌系數(shù)變化曲線

圖17 不同離縫寬度下輪重減載率變化曲線

通過圖16和圖17脫軌系數(shù)與輪重減載率對(duì)比可以看出，不同離縫量對(duì)于輪重減載率的影響比脫軌系數(shù)的影響程度要大很多。離縫達(dá)到4 mm和8 mm時(shí)輪重減載率較大，最大接近0.6，超過極限值0.375，在沒有離縫時(shí)輪重減載率較小，約為0.2[22]。由此可得，隨著離縫的發(fā)生和擴(kuò)展，車輛載荷增大，減載效應(yīng)降低。

3 整治措施

3.1 整治方案

因?yàn)檐壍腊迳瞎半x縫較大，并出現(xiàn)貫通離縫，軌道板系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)遭到損傷。所以采用植筋法，以修復(fù)軌道板上拱貫通離縫帶來的軌道板劈裂等破壞性損傷，具體處理步驟如下。

(1)處理步驟

處理順序：錨固區(qū)軌道板植筋錨固→寬窄接縫混凝土鑿除→注膠修復(fù)→軌道板板間接縫澆筑→寬接縫相鄰軌道板植筋→板底注漿→鋼軌精調(diào)。

(2)錨固區(qū)軌道板植筋錨固

接縫處兩側(cè)各3塊軌道板先植筋錨固，1號(hào)、8號(hào)軌道板植筋8根/塊(先植筋)，2號(hào)、7號(hào)軌道板植筋10根/塊(先植筋)，3號(hào)、6號(hào)軌道板植筋10根/塊(先植筋)，4號(hào)和5軌道板植筋10根/塊(后植筋)，共80根。見圖18。

圖18 CRTSⅡ型軌道板離縫整治示意

(3)寬窄接縫混凝土鑿除

錨固區(qū)植筋完成后，去除寬窄接縫混凝土(板下離縫的CA砂漿保留)。在去除接縫混凝土過程中，首先要對(duì)板端和側(cè)面的縫隙進(jìn)行混凝土封堵，但不要將混凝土注入板下離縫中。

(4)軌道板板間接縫澆筑

從中間至兩邊對(duì)稱張拉軌道板張拉鎖(張拉力50 kN/根，扭矩450 N·m)，采用聚合物混凝土澆筑軌道板窄接縫、寬接縫。澆筑前必須將接縫處清理干凈并潤(rùn)濕處理。見圖19。

圖19 CRTSⅡ型軌道板板端寬接縫混凝土施工

(5)寬接縫相鄰軌道板植筋

寬接縫相鄰軌道板，4號(hào)、5號(hào)軌道板植筋10根/塊。

(6)板底注膠

軌道板植筋后，1號(hào)～8號(hào)軌道板底注漿，修補(bǔ)軌道板與砂漿的離縫。

(7)軌道精調(diào)

精調(diào)鋼軌，使其滿足平順度要求。

3.2 離縫修復(fù)后的軌道系統(tǒng)化評(píng)價(jià)

根據(jù)TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》，修補(bǔ)材料應(yīng)適用于CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)病害的快速修復(fù)，尤其要適用于天窗時(shí)間內(nèi)的快速高效病害整治[23]。修復(fù)材料性能參數(shù)如表4所示。

修復(fù)完畢后，分別對(duì)不同離縫量修復(fù)前后的軌道板、鋼軌的位移和應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。圖20所示為離縫整改前后軌道板豎向位移峰值隨離縫范圍變化曲線。圖21所示為離縫整改前后軌道系統(tǒng)豎向應(yīng)力分布的峰值隨離縫范圍變化曲線。通過整改前后軌道板豎向位移峰值變化曲線對(duì)比結(jié)果可以看出，修復(fù)完畢后，軌道板豎向位移得到大大改善，基本保持在3 mm范圍以內(nèi)。

表4 離縫修復(fù)材料主要性能指標(biāo)

圖20 整改前后軌道板豎向位移峰值變化曲線

圖21 整改前后軌道系統(tǒng)豎向應(yīng)力峰值變化曲線

通過整改前后軌道板豎向應(yīng)力峰值變化曲線對(duì)比結(jié)果可知，修復(fù)后軌道板的彎曲應(yīng)力降低到40 MPa以下，修復(fù)完后仍存在小幅度的彎曲應(yīng)力變化，說明上拱離縫對(duì)軌道板造成的破壞性損害難以徹底地消除，應(yīng)隨時(shí)觀測(cè)并收集軌道系統(tǒng)離縫的信息，防止離縫擴(kuò)散，對(duì)軌道系統(tǒng)造成較大傷害。

4 結(jié)論

本文對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板與CA砂漿層間離縫病害機(jī)理和影響進(jìn)行仿真分析，對(duì)比分析不同軌道板離縫下的軌道系統(tǒng)與應(yīng)力變化，并對(duì)不同離縫范圍下的輪軌受力、位移、車輛運(yùn)行加速度、脫軌系數(shù)等方面進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)仿真計(jì)算，并提出合理的離縫整改措施，結(jié)論如下。

(1)隨離縫范圍增加鋼軌彎曲形變和應(yīng)力、軌道板及砂漿層形變與應(yīng)力均較大幅度增加，離縫量在4 mm后增加尤為明顯。

(2)離縫范圍的擴(kuò)大導(dǎo)致車體垂向加速度有增加的趨勢(shì)，輪軌垂向力及橫向力、鋼軌位移量增加更明顯，在養(yǎng)護(hù)維修時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注離縫范圍的擴(kuò)大情況，離縫量在4～8 mm以上時(shí)車輛運(yùn)營(yíng)安全性降低。

(3)利用植筋注漿法對(duì)軌道板離縫進(jìn)行整改，整改后的軌道板性能大大提升，軌道板形變低于2 mm，彎曲應(yīng)力降低至40 MPa以下。