縱連板式無砟軌道上拱變形與傷損分析

劉 峰，李海燕，李 楊，張 巖

(1.中鐵建華北投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050011；2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050041；3.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043；4.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

縱連板式無砟軌道由于具有較好的整體性、平順性，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。然而在服役過程中，縱連板式無砟軌道出現(xiàn)了影響軌道平順性乃至行車安全性的傷損，這其中以夏季軌道板的上拱變形最為突出，具體表現(xiàn)為軌道板與砂漿層間離縫、寬窄接縫混凝土傷損等病害[1、2]。學(xué)者們對縱連板式無砟軌道上拱變形規(guī)律進(jìn)行了研究：肖春明[3]基于現(xiàn)場施工情況對無砟軌道上拱變形的影響因素進(jìn)行了定性分析；譚社會(huì)[4]對縱連板式無砟軌道垂向變形與縱向變形進(jìn)行了現(xiàn)場檢測；劉笑凱[5]采用穩(wěn)定性理論分析了無砟軌道垂向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素；趙春光[6]研究了縱連板式無砟軌道在夏季高溫作用下的上拱形態(tài)與上拱后軌道的動(dòng)力學(xué)性能。

學(xué)者們對縱連板式無砟軌道變形規(guī)律的研究為提高高速鐵路軌道服役狀態(tài)打下了理論基礎(chǔ)。然而，目前高速鐵路無砟軌道上拱變形機(jī)理仍不明確，縱連板式無砟軌道上拱變形規(guī)律及影響因素仍缺乏細(xì)致定量分析。針對這些問題，本文采用ABAQUS 有限元軟件建立路基上高速鐵路縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)三維精細(xì)化有限元分析模型，詳細(xì)分析縱連板式無砟軌道接縫傷損程度情況、接縫混凝土強(qiáng)度等級(jí)、層間強(qiáng)度等在溫度荷載作用下軌道受力變形的影響規(guī)律，研究結(jié)論可為無砟軌道傷損防治與養(yǎng)護(hù)維修提供理論參考。

1 仿真模型的建立

1.1 軌道結(jié)構(gòu)模型

本文依據(jù)路基段縱連板式無砟軌道各結(jié)構(gòu)部件尺寸建立有限元模型，如圖1所示。軌道板混凝土的彈性模量為35 500 MPa，泊松比為0.2；CA砂漿的彈性模量為8 000 MPa，泊松比為0.2；支承層混凝土的彈性模量為25 500 MPa，泊松比為0.2。由于鋼軌的抗彎剛度遠(yuǎn)小于軌道板的抗彎剛度，因此本文模型中忽略鋼軌的影響。有限元模型中各部件采用三維實(shí)體縮減積分單元C3D8R建模。

圖1 縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

1.2 層間界面本構(gòu)關(guān)系

采用雙線性粘聚力模型模擬軌道板和砂漿層間的本構(gòu)關(guān)系，層間法向粘聚力和切線粘聚力均隨層間位移先增大后減小。層間界面?zhèn)麚p產(chǎn)生的判斷準(zhǔn)則為：

(1)

層間斷裂根據(jù)能量釋放率判斷：

(2)

引入傷損值D表征層間界面?zhèn)麚p：

(3)

層間法向粘結(jié)強(qiáng)度為0.04 MPa，法向粘結(jié)剛度為 0.7 MPa/mm，法向斷裂韌度為0.015 mJ/mm2;層間切向粘結(jié)強(qiáng)度為0.038 MPa，切向粘結(jié)剛度為 1 MPa/mm，切向斷裂韌度為0.021 mJ/mm2[7]。

1.3 邊界條件與荷載

為了消除邊界效應(yīng)的影響，本文取6塊軌道板的長度進(jìn)行建模。模型端部進(jìn)行對稱約束；路基對于支承層的支承作用采用彈簧單元進(jìn)行模擬，彈簧的剛度為75 MPa/m[8]；支承層與砂漿層間采用綁定約束。

根據(jù)相關(guān)研究成果，軌道結(jié)構(gòu)的最高溫升荷載取為40 ℃[9]。溫升荷載采用“預(yù)定義場”方式進(jìn)行施加。為了使仿真工況與實(shí)際情況更加符合，本文模型中考慮重力作用，重力加速度取為9.8 m/s2。

2 軌道上拱影響因素分析

2.1 寬窄接縫傷損程度的影響

縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，寬窄接縫中的寬接縫寬度為200 mm、高度為110 mm，窄接縫的寬度為50 mm、高度為90 mm。寬窄接縫為軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，易出現(xiàn)初始傷損，其中以窄接縫傷損尤為常見。其成因主要是寬窄接縫混凝土為施工期現(xiàn)場澆筑，窄接縫部位空間狹小，混凝土澆筑時(shí)不易振搗，混凝土澆筑密實(shí)程度難以保證。運(yùn)營期在溫度荷載與列車荷載的共同作用下，窄接縫出現(xiàn)傷損。現(xiàn)場調(diào)研表明，縱連板式無砟軌道上拱多發(fā)于窄接縫存在初始傷損的位置。依照現(xiàn)場傷損情況，本文設(shè)置的工況為寬接縫完好，窄接縫破損，傷損高度方向?yàn)閺南碌缴稀７抡嬷袑⑵茡p處的單元完全去除。仿真結(jié)果表明，當(dāng)窄接縫出現(xiàn)初始傷損時(shí)，在溫升荷載作用下，傷損接縫處的上拱位移遠(yuǎn)大于其他位置的垂向位移，如圖2所示。

圖2 軌道上拱變形云圖

本文有限元模型中用窄接縫的傷損高度表征寬窄接縫傷損程度。窄接縫傷損高度在0至90 mm范圍內(nèi)以15 mm為間隔取值，其中0 mm表示接縫完好，90 mm表示窄接縫完全傷損。將模型中間位置處的寬窄接縫設(shè)為傷損接縫，其他接縫均為完好接縫。通過對比分析，研究寬窄接縫傷損程度對縱連板式無砟軌道上拱的影響規(guī)律。溫升荷載作用下，窄接縫傷損高度對軌道上拱波形的影響如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，縱連板式無砟軌道最大上拱位移隨窄接縫傷損高度的增大而增大，不同窄接縫傷損情況下無砟軌道上拱波形基本一致。溫升荷載作用下，縱連板式無砟軌道最大上拱位移與窄接縫傷損高度關(guān)系如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，窄接縫傷損高度越大，上拱位移的增長速率也就越快。因此，將窄接縫傷損控制在較小的程度，對于限制縱連板式無砟軌道上拱具有較大的作用。

圖3 窄接縫傷損高度對軌道上拱變形的影響

不同窄接縫傷損高度下，縱連板式無砟軌道寬窄接縫最大縱向壓應(yīng)力隨溫升荷載的變化曲線如圖4(a)所示。由圖4(a)可知，當(dāng)窄接縫傷損高度大于等于30 mm，溫升幅度為40℃時(shí)，寬窄接縫最大縱向壓應(yīng)力大于C55 混凝土抗壓強(qiáng)度35.5 MPa，此時(shí)寬窄接縫混凝土將發(fā)生破壞，因此，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)窄接縫傷損高度大于30 mm時(shí)應(yīng)及時(shí)維修。最大溫升荷載作用下，縱連板式無砟軌道寬窄接縫最大縱向壓應(yīng)力與窄接縫傷損高度的關(guān)系如圖4(b)所示。由圖4(b)可知，寬窄接縫最大縱向壓應(yīng)力隨窄接縫傷損高度的變化規(guī)律與上拱位移變化規(guī)律基本一致，即最大縱向壓應(yīng)力隨窄接縫傷損高度增加而增加。

圖4 窄接縫傷損高度對接縫應(yīng)力的影響

最大溫升荷載作用下，縱連板式無砟軌道軌道板縱向端部路徑上傷損值D分布如圖5所示。由圖可見，當(dāng)窄接縫傷損高度大于等于60 mm時(shí)，軌道板縱向端部基本全部離縫；當(dāng)窄接縫傷損程度較小時(shí)，僅在縱向端部路徑的兩端出現(xiàn)離縫。

圖5 不同接縫傷損高度下層間界面?zhèn)麚p分布規(guī)律

2.2 寬窄接縫混凝土強(qiáng)度的影響

寬窄接縫混凝土為現(xiàn)場澆筑，因此，寬窄接縫處不僅易于出現(xiàn)混凝土傷損，混凝土的強(qiáng)度也容易受到施工質(zhì)量等因素的影響。戴公連等[10]對某段縱連板式無砟軌道寬窄接縫混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了現(xiàn)場測試與統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明寬窄接縫混凝土強(qiáng)度均值比軌道板混凝土強(qiáng)度均值低10 MPa左右。考慮混凝土強(qiáng)度的離散性，本文分別取寬窄接縫混凝土立方體強(qiáng)度為C35、C40、C45、C50、C55，研究寬窄接縫混凝土強(qiáng)度對縱連板式無砟軌道上拱變形的影響規(guī)律。仿真模擬中窄接縫傷損高度取15 mm。寬窄接縫混凝土強(qiáng)度對軌道上拱變形的影響如圖6所示。由圖6可見，縱連板式無砟軌道最大上拱位移隨寬窄接縫混凝土強(qiáng)度增大而呈減小趨勢。因此，提高寬窄接縫施工質(zhì)量，提高寬窄接縫混凝土強(qiáng)度，對于減小軌道垂向變形可以起到一定的作用。

圖6 接縫混凝土強(qiáng)度對軌道最大上拱位移的影響 圖7 接縫應(yīng)力隨溫升幅度的變化

不同接縫混凝土強(qiáng)度下，縱連板式無砟軌道最大縱向壓應(yīng)力隨溫升幅度的變化規(guī)律如圖7所示。由圖可知，當(dāng)窄接縫破損程度為15 mm時(shí)，不同接縫混凝土強(qiáng)度下，最大壓應(yīng)力隨溫升幅度的變化規(guī)律差異很小。然而，當(dāng)接縫混凝土強(qiáng)度減小，混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的溫升值也會(huì)減小，因此寬窄接縫將更容易發(fā)生破壞，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)提高混凝土強(qiáng)度，避免這種情況的發(fā)生。

2.3 層間界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響

為分析層間界面粘結(jié)強(qiáng)度對軌道上拱變形的影響，本文選取層間粘結(jié)強(qiáng)度分別為0.04 MPa、0.08 MPa和0.12 MPa進(jìn)行對比分析。由圖8可見層間粘結(jié)強(qiáng)度對軌道最大上拱位移的影響：當(dāng)層間粘結(jié)強(qiáng)度增大時(shí)，最大上拱位移減小。層間粘結(jié)強(qiáng)度從0.04 MPa增大到0.08 MPa，最大上拱位移減小約4%；但當(dāng)層間粘結(jié)強(qiáng)度從0.08 MPa增大到0.12 MPa，最大上拱位移減小約 10%。

圖8 層間強(qiáng)度對軌道上拱變形的影響 圖9 不同層間強(qiáng)度下接縫最大壓應(yīng)力隨溫升幅度的變化

不同層間強(qiáng)度下，縱連板式無砟軌道最大接縫壓應(yīng)力隨溫升幅度的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)窄接縫破損程度為15 mm時(shí)，對于相同的溫升幅度，層間粘結(jié)強(qiáng)度越大，接縫最大應(yīng)力越小。因此，通過提高施工質(zhì)量、層間注膠維修等手段提高層間強(qiáng)度，有利于減少接縫的傷損。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)窄接縫出現(xiàn)初始傷損時(shí)，在溫升荷載作用下，接縫處的上拱位移遠(yuǎn)大于其他位置的垂向位移。

(2)縱連板式無砟軌道最大上拱位移隨著窄接縫傷損高度的增大而增大，且窄接縫傷損高度越大，上拱位移的增長速率也就越快。

(3)當(dāng)窄接縫傷損高度大于等于30 mm、溫升幅度為40 ℃時(shí)，寬窄接縫最大縱向壓應(yīng)力大于C55 混凝土抗壓強(qiáng)度35.5 MPa，此時(shí)寬窄接縫將發(fā)生破壞，因此，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)窄接縫傷損高度大于30 mm時(shí)應(yīng)及時(shí)維修。