鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層在特種活載作用下的力學(xué)響應(yīng)

錢振東，劉 云，王江洋，戴勝勇，艾宗良，鄭 彬

(1.東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，南京 210096;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，成都 610000)

防水保護(hù)層是鐵路鋼橋的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到鋼橋結(jié)構(gòu)使用的耐久性。保護(hù)層在使用過(guò)程中長(zhǎng)期承受疲勞荷載作用往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫、破碎等現(xiàn)象。保護(hù)層一旦破壞，便會(huì)造成防水層的損壞，進(jìn)而直接影響鋼橋的使用壽命。剛性防水保護(hù)層由于材料自身的特點(diǎn)，其抗拉性能和變形協(xié)調(diào)能力較差，較易產(chǎn)生裂縫類病害而使水分侵入到鋼橋面板。隨著鐵路鋼橋的跨徑不斷增大，鐵路鋼橋采用柔性保護(hù)層的研究受到研究者重視。

環(huán)氧瀝青混凝土作為鋼橋柔性保護(hù)層材料，成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多座大跨徑公路鋼橋橋面，與剛性防水保護(hù)層材料及其他柔性保護(hù)層材料相比，具有強(qiáng)度高、抗疲勞性能好，尤其在高溫下具有較好的抗變形能力，且對(duì)鋼板變形追從性好。本文從理論分析的角度出發(fā)，采用有限元方法研究鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層在列車活載作用下的主要受力控制指標(biāo)值。以往的鋼橋面柔性保護(hù)層力學(xué)性能研究多集中在大跨徑斜拉橋或懸索橋等公路橋面系［1-4］，或者是公鐵兩用大橋的公路橋面［5-6］，車輛荷載直接作用在鋪裝層表面。鐵路鋼橋的柔性保護(hù)層鋪設(shè)在道碴與橋面板之間，如圖1所示。因此，需要從鐵路鋼橋橋面系的結(jié)構(gòu)組成及荷載傳遞特點(diǎn)出發(fā)，建立鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系分析模型，研究在列車荷載作用下保護(hù)層的力學(xué)響應(yīng)及其分布規(guī)律，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系的強(qiáng)度性能，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 鐵路鋼橋面環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層結(jié)構(gòu)體系Fig.1 Epoxy asphalt flexible layer system of railway steel bridge deck

1 環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系分析模型

環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系的力學(xué)行為可看成高速列車-軌道-環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層-橋梁各結(jié)構(gòu)組成部分的相互作用問(wèn)題。

1.1 耦合體系力學(xué)模型

采用有限元方法建立耦合體系模型，用梁?jiǎn)卧獙?duì)鋼軌進(jìn)行離散，軌枕用實(shí)體單元模擬軌枕，對(duì)道碴和保護(hù)層采用實(shí)體單元離散，對(duì)防水層結(jié)構(gòu)用二維板殼單元離散［7-8］，縱肋用板殼模擬，橫隔板用實(shí)體單元模擬。并用一次梁(單層)軌道模型來(lái)模擬輪軌相互作用，認(rèn)為鋼軌和軌枕之間是緊密接觸的。鋼軌與軌枕之間采用離散支撐模型，考慮了軌枕的間隔，更能反映鋼軌下軌枕分布和由于軌枕間距造成的列車通過(guò)頻率。鐵路鋼橋道砟槽耦合體系有限元模型如圖2所示。

圖2 鐵路鋼橋面環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層結(jié)構(gòu)體系耦合模型Fig.2 Epoxy asphalt flexible layer system coupling system model of railway steel bridge deck

1.2 列車荷載模型

根據(jù)《新建時(shí)速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》［9］，選用ZK特種活載作為外載施加在鋼軌表面，ZK特種活載的作用方式如圖3所示。

圖3 ZK特種活載圖式Fig.3 Schema of ZK special live load

圖4 考慮制動(dòng)力作用下的列車荷載Fig.4 Train load considering braking force

1.3 計(jì)算工況

列車在橋梁上制動(dòng)或牽引時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力或牽引力是引起橋梁附加載荷的主要原因，它對(duì)鐵路橋梁的正常使用與安全具有重要的意義。在列車剎車或減速狀態(tài)下，作用于軌面上的制動(dòng)力通過(guò)軌枕結(jié)構(gòu)和道碴結(jié)構(gòu)的荷載傳遞，間接作用于柔性保護(hù)層。

以ZK特種活載作為豎向計(jì)算荷載，并且根據(jù)規(guī)范，列車制動(dòng)力在與豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力系數(shù)按列車豎向荷載的7%計(jì)算。因此，在ZK特種活載作用下，列車制動(dòng)力為17.5 kN，考慮列車制動(dòng)力作用下的計(jì)算荷載如圖4所示。

2 算例

選取某一典型大跨度雙桁結(jié)構(gòu)連續(xù)鋼桁梁橋梁，橋面采用縱橫梁、正交異性鋼橋面板，縱肋采用倒T形肋，線路等級(jí)為新建時(shí)速200 km客運(yùn)專線鐵路，I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鐵路，正線數(shù)目為四線。

2.1 計(jì)算參數(shù)及有限元模型

在有限元建模時(shí)選取的結(jié)構(gòu)各組成部分材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。主要幾何計(jì)算參數(shù)選取如下:道床厚度為40 cm，道床頂面寬度為360 cm，道砟槽采用1∶1.75的緩坡，橫隔板跨距為2.0 m，橋面鋼板厚度為16 mm，柔性保護(hù)層厚度為60 mm。柔性保護(hù)層環(huán)氧瀝青混凝土的材料參數(shù)均是指在常溫25℃狀態(tài)下。

表1 鐵路橋面系結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)［9－12］Tab.1 Material indices of railway bridge deck［9－12］

2.2 鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層力學(xué)響應(yīng)

進(jìn)行柔性保護(hù)層力學(xué)響應(yīng)分析時(shí)，選取環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層橫向拉應(yīng)力、縱向拉應(yīng)力、鋼板與保護(hù)層之間的層間剪應(yīng)力和豎向撓度作為力學(xué)分析的主要研究對(duì)象。

由圖5可見(jiàn)，在ZK特種活載的作用下，① 柔性保護(hù)層表面的最大豎向位移出現(xiàn)在沿橋面縱向荷載中心線距離橫隔板1/4跨處，分布在荷載作用的中心區(qū)域。② 橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在沿縱橋向列車荷載中心線距橫隔板1/4跨處。最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)以及縱肋上方對(duì)應(yīng)的區(qū)域，這些區(qū)域是保護(hù)層出現(xiàn)縱向開(kāi)裂的危險(xiǎn)區(qū)域。最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕下方對(duì)應(yīng)的保護(hù)層區(qū)域，這些區(qū)域是保護(hù)層出現(xiàn)橫向開(kāi)裂的危險(xiǎn)區(qū)域。橫向拉應(yīng)力明顯大于縱向拉應(yīng)力，因此柔性保護(hù)層更易發(fā)生縱向開(kāi)裂，橫向拉應(yīng)力是控制開(kāi)裂破壞的主要控制指標(biāo)。③鋼板與保護(hù)層間橫向和縱向剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在荷載中心線距離橫隔板1/4跨處。橫向?qū)娱g剪應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在荷載下方軌枕兩側(cè)對(duì)應(yīng)的保護(hù)層區(qū)域，縱向剪應(yīng)力集中分布在荷載下方軌枕對(duì)應(yīng)的保護(hù)層區(qū)域，從計(jì)算結(jié)果看，這些區(qū)域傾向于發(fā)生鋼板和保護(hù)層的橫向?qū)娱g滑移及剪切破壞。

圖5 考慮列車制動(dòng)力作用的柔性保護(hù)層力學(xué)指標(biāo)值分布Fig.5 Mechanical indices values of flexible layer considering braking force

綜合環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律分析可以看出，沿橋面縱向荷載中心線距離橫隔板1/4跨處，沿橋面橫向荷載下方軌枕對(duì)應(yīng)的保護(hù)層區(qū)域，是保護(hù)層受力變形最不利的位置，也是最有可能發(fā)生病害的危險(xiǎn)位置。

考慮列車制動(dòng)力作用的柔性保護(hù)層力學(xué)響應(yīng)各指標(biāo)峰值見(jiàn)表2，并且與國(guó)內(nèi)典型的大跨徑正交異性公路鋼橋環(huán)氧瀝青橋面鋪裝體系的受力指標(biāo)值［13］進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比鐵路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)體系在列車荷載作用下與公路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層在汽車荷載作用下的力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)峰值可以看出，鋪設(shè)于鐵路鋼橋橋面之上的柔性防水保護(hù)體系的豎向變形、表面拉應(yīng)力和層間剪應(yīng)力指標(biāo)的峰值均顯著小于公路鋼橋橋面鋪裝體系。這是由于鐵路鋼橋列車荷載并非直接作用于保護(hù)層層頂，通過(guò)軌道、軌枕、道碴等結(jié)構(gòu)的層層分散傳遞作用，大大減弱了傳遞至防水保護(hù)體系的荷載應(yīng)力強(qiáng)度。因此，在大跨徑公路鋼橋鋪裝工程中取得良好使用效果的環(huán)氧瀝青鋪裝體系，完全可以承擔(dān)鐵路鋼橋橋面防水保護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的作用。

表2 鐵路鋼橋橋面柔性保護(hù)體系和公路鋼橋面鋪裝體系力學(xué)響應(yīng)峰值Tab.2 Peak values of mechanical response of railway steel bridge deck flexible layer and highway steel bridge deck pavement

為了驗(yàn)證環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層體系能夠勝任鐵路鋼橋橋面的工作狀態(tài)，本文通過(guò)柔性保護(hù)層混合料的彎曲試驗(yàn)和防水保護(hù)體系的復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)，得到柔性防水保護(hù)層材料表面抗彎拉強(qiáng)度和“鋼板+防水層+柔性保護(hù)層”復(fù)合結(jié)構(gòu)整體抗剪切強(qiáng)度，并與力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在復(fù)合結(jié)構(gòu)斜面剪切試驗(yàn)中，試件受力面與加載方向取成a=60°夾角，這與減速或剎車情況相似，能夠模擬保護(hù)層在有側(cè)面壓力情況下的剪切強(qiáng)度，為實(shí)際最不利情況。圖6與圖7分別是常溫條件下的彎曲和剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖6 小梁彎曲試驗(yàn)Fig.6 The beam bending test

圖7 柔性保護(hù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)Fig.7 Shear test of the flexible layer compound structure

表3 環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層材料彎曲試驗(yàn)和環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)體系復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of epoxy asphalt flexible layer bending test and epoxy asphalt flexible layer compound structure shear test

由小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層材料抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到11.76 MPa，是剛性保護(hù)層材料C50混凝土抗彎拉強(qiáng)度的1.5倍以上(養(yǎng)護(hù)28d抗彎拉強(qiáng)度為7.8 MPa)，完全滿足理論分析結(jié)果最大拉應(yīng)力0.260 7 MPa的要求和文獻(xiàn)［14］中規(guī)定的保護(hù)層材料抗拉強(qiáng)度不小于5.0 MPa的要求;同時(shí)由復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)結(jié)果可以看出，環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層復(fù)合體系的抗剪切強(qiáng)度達(dá)到3.24 MPa，完全滿足理論分析結(jié)果層間最大剪應(yīng)力0.157 4 MPa的要求。因此，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層滿足鐵路鋼橋橋面的力學(xué)控制指標(biāo)值和規(guī)范的要求。此外環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層總厚度僅為60 mm，與剛性保護(hù)層相比大大減輕了橋面自重，可以作為一種新型的高性能柔性防水保護(hù)體系在鐵路鋼橋，特別是跨徑較長(zhǎng)的鐵路鋼橋上使用，前景廣闊。

3 結(jié)論

本文建立了梁?jiǎn)卧c實(shí)體單元混合的高速列車-軌道-環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)體系-橋梁耦合體系有限元模型，其中軌道模型采用一次梁(單層)軌道模型和離散支撐體系。通過(guò)典型鐵路鋼橋面系結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析以及環(huán)氧瀝青柔性防水保護(hù)層體系的室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)論如下:

(1)在ZK特種活載作用下，柔性保護(hù)層的最大豎向位移、最大拉應(yīng)力、最大鋼板和保護(hù)層層間剪應(yīng)力值均出現(xiàn)在沿橋面縱向荷載中心線距離橫隔板1/4跨處。最大豎向位移發(fā)生在荷載作用的中心區(qū)域;最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)以及縱肋上方對(duì)應(yīng)的區(qū)域;鋼板和保護(hù)層層間最大縱向剪應(yīng)力分布在荷載下方軌枕對(duì)應(yīng)的保護(hù)層區(qū)域。

(2)通過(guò)對(duì)比鐵路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)體系在列車荷載作用下與典型的公路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青鋪裝體系在汽車荷載作用下的力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)峰值，鐵路鋼橋橋面柔性防水保護(hù)體系的豎向變形、表面拉應(yīng)力和層間剪應(yīng)力指標(biāo)的峰值均小于公路鋼橋橋面鋪裝體系。因此，在大跨徑公路鋼橋鋪裝工程中取得良好使用效果的環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)體系，完全可以承擔(dān)鐵路鋼橋橋面防水保護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的作用。另外通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果也可以表明環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪強(qiáng)度能夠滿足理論分析結(jié)果的要求，可作為一種新型柔性防水保護(hù)體系供鐵路鋼橋橋面保護(hù)選擇。

本文在計(jì)算荷載方面考慮了列車豎向荷載和制動(dòng)力的組合，未考慮其他軌道縱向力(包括伸縮力、撓曲力、斷軌力等)的作用以及道碴鋪設(shè)影響等工況，未來(lái)研究中尚需考慮柔性保護(hù)體系抗?jié)B透、抗刺破等力學(xué)性能試驗(yàn)，以確保環(huán)氧瀝青柔性保護(hù)層在鐵路鋼橋上的成功應(yīng)用。

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