CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開裂及修補材料對軌道板的影響分析

徐 浩，謝鎧澤，陳 嶸，王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、水泥瀝青砂漿調(diào)整層、連續(xù)底座板(橋梁)或支承層(路基)、滑動層(橋上)、側(cè)向擋塊(橋上)等部分組成［1－3］。兩塊軌道板的連接處稱為寬接縫，為現(xiàn)澆的混凝土。在外部溫度荷載作用下，應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，產(chǎn)生溫度裂縫［4］。當寬接縫處出現(xiàn)開裂后，如果不及時修補裂縫將不斷發(fā)展，一旦雨水進入有可能甚至使鋼筋銹蝕，影響無砟軌道的質(zhì)量和耐久性，因此對于裂縫寬度超過標準的裂縫需要采取修補措施。圖1為寬接縫處出現(xiàn)開裂以及修補過后的效果圖。

圖1 寬接縫處出現(xiàn)開裂及修補后的效果圖

用于混凝土構(gòu)件裂縫修補的漿液材料目前主要使用的是環(huán)氧樹脂，其最大的特點是:材料強度高、粘結(jié)力強、收縮小，可在常規(guī)室溫下固化;其缺點是:黏度高，當配方不當時脆性大即抗沖擊性能差［5-7］。由于環(huán)氧樹脂與混凝土的線膨脹系數(shù)存在差異，在溫度荷載作用下兩者的伸縮會不一致，造成擠壓可能會引起軌道板上拱變形加劇，將導(dǎo)致鋼軌的不平順加劇，甚至危及行車安全。

通過ANSYS有限元軟件，建立CRTSⅡ型板式軌道軌道板溫度分析模型，通過分析在不同裂縫寬度、深度及不同彈性模量的修補材料在溫度荷載作用下軌道板的翹曲變形及所受的壓應(yīng)力，為CRTSⅡ型板式無砟軌道裂縫修補提供參考。

1 模型的建立及參數(shù)選取

1.1 計算模型

基于彈性地基梁體有限元理論［10］，建立 CRTSII型板式軌道彈性地基梁體有限元模型，分析當CRTSII型板式無砟軌道的寬接縫處開裂后，采用環(huán)氧樹脂修復(fù)后對軌道板的影響。

(1)鋼軌屬于細長結(jié)構(gòu)，采用彈性點支承梁單元(beam4)模擬;

(2)扣件采用彈性模型，計算時取動剛度，采用線性彈簧單元(combin14)模擬;

(3)砂漿層、軌道板、底座或支承層等為了計算取值的方便建立實體模型，采用實體單元(solid45)模擬;

(4)路基起豎向支承作用，采用連續(xù)均勻的線性彈簧單元(combin14)模擬，其剛度值由地基系數(shù)等效得到。

彈性地基梁體的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 彈性地基梁體力學(xué)模型

1.2 計算參數(shù)

鋼軌采用CHN60鋼軌，扣件采用WJ－8扣件，其剛度取動剛度50 kN/m，扣件的間距為0.65 m;軌道板采用實際尺寸，寬度為2.55 m，厚度為0.2 m，采用C55混凝土［8］，其彈性模量為35 500 MPa，線膨脹系數(shù)為1×10－5/℃，為了消除邊界的影響取等效4塊軌道板的長度26 m的長度考慮;水泥乳化瀝青砂漿層也采用實際尺寸，其長度、寬度均與軌道板相同，厚度為30 mm，彈性模量取7 000 MPa;混凝土支承層也采用實際尺寸，其長度與軌道板的長度相同，寬度為3.25 m，厚度為0.3 m，彈性模量取7 000 MPa，線膨脹系數(shù)為1×10－5/℃［9］;路基的剛度取為75 MPa/m［10-11］;用來修補的材料現(xiàn)場一般采用環(huán)氧樹脂等材料，其彈性模量為3 GPa左右，計算中取 3 GPa，線膨脹系數(shù)為6×10－5/℃ 。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 計算假定及約束條件

為了計算方便，假定在軌道板中產(chǎn)生的裂紋均是直線形的裂紋，且裂紋沿軌道板橫向全開裂，計算中僅考慮溫度荷載和自重的作用，軌道板與底座板板邊為自由約束，考慮到縱連板式無砟軌道是連續(xù)結(jié)構(gòu)，計算時取4塊軌道板長度，模型的端部約束其縱橫向位移，在模擬路基的彈簧底部約束3個方向的自由度，在這樣的邊界條件下，符合CRTSⅡ型板式軌道的實際邊界情況。建模過程中坐標原點在軌道結(jié)構(gòu)的端部。

2.2 計算工況

考慮裂縫的寬度及裂縫的深度以及用來修復(fù)裂縫的材料的彈性模量等可能對軌道板產(chǎn)生影響，因此在分析的過程中考慮裂縫寬度的影響時，裂縫的深度取為0.1 m時，裂縫的寬度則分別考慮無裂縫、開裂0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、3、4 mm 9 種情況;由于在設(shè)計中檢算裂縫寬度時是以0.2 mm為限值，因此在考慮裂縫的深度的影響時，取裂縫的寬度為0.2 mm，其深度則分別取為 0.06、0.08、0.1、0.12、0.16 m 和 0.2 m(即整個板的厚度開裂)6種情況，分析修復(fù)材料彈性模量對軌道板的影響時，裂縫的寬度也取0.2 mm，裂縫的深度取0.1 m，而修補材料的彈性模量則取200、500、700、1 000、3 000、5 000、7 000 MPa和10 000 MPa 8種工況，對于溫度荷載則僅考慮溫度梯度的影響，按設(shè)計時的90℃ /m 取值［10］。

2.3 結(jié)果分析

當裂縫深度為0.1 m時，修補材料采用環(huán)氧樹脂，其彈性模量為3000 MPa時，軌道板板中的翹曲位移及軌道板最大的縱向應(yīng)力隨裂縫寬度變化的情況如圖3、圖4所示。

圖3 軌道板板中的翹曲位移

圖4 軌道板裂縫處所受的縱向壓應(yīng)力隨裂縫寬度變化曲線

從圖3、圖4中可以看出，軌道板開裂后采用環(huán)氧樹脂對其修復(fù)，軌道板的受力及軌道板板中的變形都會發(fā)生變化。軌道板的板中的最大翹曲值隨著裂縫寬度的增加先增大然后減小再增大，當裂縫寬度達到4 mm時，軌道板的上拱位移達到0.058 2 mm，而軌道板未開裂時，軌道板的位移僅為0.027 mm;軌道板裂縫處所受的壓應(yīng)力隨著裂縫寬度的增大不斷減小，當裂縫寬度為4 mm后進行修補，軌道板所受的壓應(yīng)力為6.37 MPa，軌道板所受的縱向壓應(yīng)力減小可能是由于用來修補裂縫的環(huán)氧樹脂是柔性材料能夠緩解軌道板內(nèi)的壓應(yīng)力，所以隨著裂縫寬度的增加，軌道板所受的壓應(yīng)力減小。

當裂縫寬度為0.2 mm時，修補材料采用環(huán)氧樹脂，其彈性模量為3 000 MPa時，軌道板板中的翹曲位移及軌道板最大的縱向應(yīng)力隨裂縫深度變化的情況如圖5、圖6所示。

圖5 軌道板翹曲位移隨裂縫深度的變化

圖6 軌道板裂縫處所受的縱向壓應(yīng)力隨裂縫深度變化

從圖5、圖6中可以看出，軌道板的翹曲位移和裂縫處軌道板所受的壓應(yīng)力均隨裂縫深度的變化不大，這可能是由于軌道板裂縫的寬度較小導(dǎo)致裂縫的深度對軌道板的翹曲位移及軌道板所受的壓應(yīng)力影響較小。

當裂縫寬度為0.2 mm，裂縫深度為0.1 m，修補材料采用環(huán)氧樹脂時，軌道板的翹曲位移及板縫處所受的應(yīng)力隨環(huán)氧樹脂的彈性模量的變化情況如圖7、圖8所示。

圖7 軌道板翹曲位移隨彈性模量的變化

圖8 板縫處軌道板所受的縱向應(yīng)力隨彈性模量的變化圖

從圖7、圖8可以看出，軌道板板中的翹曲位移隨著修補材料彈性模量的增大而增加，當修補材料的彈性模量達到10 000 MPa時，軌道板的翹曲位移達到0.050 mm;裂縫處軌道板所受的壓應(yīng)力隨著彈性模量的增加而增大，最后趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論與建議

(1)計算結(jié)果表明，軌道板開裂后采用環(huán)氧樹脂進行修補后，軌道板的變形和應(yīng)力均會發(fā)生改變，且在同樣的裂縫深度且采用同樣彈性模量的環(huán)氧樹脂進行修復(fù)時，軌道板板中的最大翹曲值隨著裂縫寬度的增加先增大然后減小再增大，而軌道板裂縫處所受的壓應(yīng)力隨著裂縫寬度的增大不斷減小，這可能是由于采用的修補材料屬于柔性材料減小了軌道板內(nèi)的壓應(yīng)力。

(2)當裂縫寬度一定，且采用相同彈性模量的環(huán)氧樹脂修補時，裂縫的深度對軌道板板中的最大翹曲位移及開裂處軌道板所受的壓應(yīng)力影響均較小，這可能是由于裂縫寬度較小的原因。

(3)當開裂的寬度和深度一定時，采用不同彈性模量的環(huán)氧樹脂對其修補后，發(fā)現(xiàn)軌道板板中的翹曲位移隨著彈性模量的增加而增大，而軌道板所受的壓應(yīng)力也相應(yīng)增大，并趨于穩(wěn)定。

裂縫采用環(huán)氧樹脂填補修復(fù)后對軌道板的變形有影響，主要可能是因為環(huán)氧樹脂和原混凝土的材料性質(zhì)不一樣，由于其在溫度荷載作用下伸縮不均勻而引起軌道板變形增大，且軌道板變形最大的地方在裂縫所在位置或者其附近。從以上分析中可以看出，修補材料應(yīng)該選擇彈性模量較小的環(huán)氧樹脂，但是修補后可能在溫度拉力的作用下更容易出現(xiàn)開裂，需要根據(jù)現(xiàn)場的溫度環(huán)境及修補時間確定。這是因為當在夏季修補時，溫度較高，修補后在冬季時突然降溫可能導(dǎo)致拉裂，而在冬季修補時，溫度較低，修補后在夏季時突然升溫則可能導(dǎo)致軌道板被擠碎。

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