CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的影響研究

朱 浩,徐 浩,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道以其高平順性、高平穩(wěn)性和少維修性等優(yōu)點(diǎn)在京津、京滬等高速鐵路上廣泛應(yīng)用，水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)作為CRTSⅡ型板式無砟軌道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層之一，起著支撐、調(diào)整、傳力、承力以及隔振和減振的作用[1-3]。CA砂漿的工作性能直接影響到軌道結(jié)構(gòu)的平順性，列車運(yùn)行的舒適性和安全性，由于無砟軌道是一種長期直接暴露于大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)，除了承受列車荷載外，還承受日照、突然降溫等溫度荷載的作用，因此極易造成軌道板與CA砂漿層產(chǎn)生離縫[4]，即CA砂漿離縫。圖1為某線路上CRTSⅡ型板式軌道的CA砂漿離縫現(xiàn)象。

圖1 水泥乳化瀝青砂漿層離縫

國內(nèi)外研究者針對完好的CRTSⅡ型板式無砟軌道進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[5]專門對7塊CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板進(jìn)行了靜載和疲勞試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[6]建立了路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道計(jì)算模型，分別研究了車輛荷載、溫度荷載和路基不均勻沉降對板式軌道的影響，文獻(xiàn)[7]針對橋上縱連板式軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)研究，還有學(xué)者對路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道的動力特性及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了探索[8，9]，但關(guān)于CA砂漿劣化后CRTSII型板式軌道的受力研究相對較少，僅有少量關(guān)于單元板式砂漿劣化對板式軌道的影響研究[10]以及CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿離縫的原因初探[11]。

本文以路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道為研究對象，研究列車靜載和溫度荷載共同作用下CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式無砟軌道力學(xué)性能的影響，從而為CA砂漿離縫的養(yǎng)護(hù)維修提供一定的理論依據(jù)。

1 路基上CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿離縫有限元模型

1.1 數(shù)值分析模型及參數(shù)

路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青調(diào)整層(CA砂漿)和支承層等部分組成[9]。根據(jù)彈性地基梁體理論與有限元方法，建立的路基上CRTSⅡ型板式軌道計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 CRTSⅡ型板式無砟軌道計(jì)算模型

砂漿脫空區(qū)域非線性彈簧剛度

鋼軌直接承受列車傳來的壓力、沖擊和振動，將鋼軌看作無限長點(diǎn)支承梁，采用鐵木辛柯梁單元BEAM188模擬，鋼軌采用CHN60新軌，軌距1.435 m，鋼軌支點(diǎn)間距根據(jù)實(shí)際情況取0.65 m；鋼軌與軌道板之間的扣件系統(tǒng)忽略其非線性因素，等效為線彈性，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬，動剛度取為50 kN/mm；預(yù)制軌道板式軌道系統(tǒng)的主要承力構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級為C55，標(biāo)準(zhǔn)軌道板寬度為2.55 m，厚度為0.2 m，長度為6.45 m，由于軌道板縱向配置6根φ20 mm的精軋螺紋鋼筋，保證軌道板的縱向連接，因此軌道板可看作是縱連結(jié)構(gòu)；CA砂漿層考慮其線彈性，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬，對于離縫區(qū)的水泥乳化瀝青砂漿由于不再具有粘結(jié)力，將其模擬成單方向受力的非線性彈簧，如圖3所示，圖中u0為軌道板與砂漿層的離縫高度，u為CA砂漿的壓縮量，f為作用于砂漿上的力，采用非線性彈簧-阻尼單元COMBIN39模擬，其剛度按CA砂漿的彈性模量7 GPa進(jìn)行換算；路基地段的CRTSⅡ型板式軌道混凝土支承層按底面寬為3.25 m考慮，厚度0.3 m，其彈性模量也為7 GPa。混凝土的線膨脹系數(shù)為1×10-5/℃，彈性地基等效為線性彈簧，其剛度按支承面剛度75 MPa/m計(jì)算[12，13]，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬。

圖3 離縫區(qū)域非線性彈簧的力與位移關(guān)系

1.2 計(jì)算假定及荷載條件

計(jì)算過程中假定一旦CRTSⅡ型板式軌道軌道板與水泥乳化瀝青砂漿之間產(chǎn)生離縫，即認(rèn)為此處沿軌道板的寬度方向上均產(chǎn)生離縫，因此在計(jì)算過程中軌道板與水泥瀝青砂漿層的離縫面積大小通過沿軌道板縱向的離縫長度表示。

計(jì)算中考慮列車和溫度荷載的共同作用，軌道板與混凝土支承層的板邊為自由邊界，鋼軌、軌道板、混凝土支承層的端部均約束縱、橫向位移，模擬彈性地基的彈簧底部約束其3個方向的自由度，這樣的邊界條件下，模型無剛體位移，無多余約束，符合CRTSⅡ型板式無砟軌道的實(shí)際邊界情況。列車荷載按單軸雙輪300 kN考慮，溫度荷載考慮上熱下冷的正溫度梯度和上冷下熱的負(fù)溫度梯度，其中正溫度梯度90 ℃/m，負(fù)溫度梯度取-45 ℃/m，并考慮軌道板的板厚修正系數(shù)[13]，取為1.05。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

研究表明在正溫度梯度作用下軌道板發(fā)生板中部上拱變形，與CA砂漿脫離，而在負(fù)溫度梯度作用下，板角發(fā)生上翹變形[13]，這都將造成軌道板與CA砂漿離縫加劇。著重探討溫度和列車荷載共同作用下CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的變形和受力的影響。

考慮到CA砂漿離縫對軌道結(jié)構(gòu)的主要影響因素是CA砂漿離縫長度及離縫高度，因此，分析離縫高度為1 mm時，不同離縫長度(無離縫、離縫0.325、0.65、0.975、1.3、1.625、1.95、2.275 m和2.6 m)以及CA砂漿離縫長度1.95 m(3個扣件間距)時，不同離縫高度(無離縫、離縫0.1、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mm和2 mm)對軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。

2.1 有無離縫對比分析

計(jì)算中假定CA砂漿的離縫高度為1 mm、離縫長度為1.3 m時，在列車荷載和正溫度梯度荷載共同作用下鋼軌、軌道板、混凝土支承層的垂向位移曲線如圖4所示(x為距模型左端的距離)。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)各部件位移曲線

在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力最大值如表1所示。

表1 軌道系統(tǒng)各部件受力和變形最大值

從圖4可以看出，當(dāng)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層產(chǎn)生離縫后，在列車荷載與正溫度梯度的共同作用下鋼軌和軌道板的位移均加劇，這是由于CA砂漿離縫的存在使軌道板下部支承作用減弱，從而造成鋼軌、軌道板垂向位移增大；CA砂漿離縫同時也削弱了CA砂漿層的傳力作用，從而使混凝土支承層的垂向位移減小，最終導(dǎo)致了軌道板與混凝土支承層的垂向相對位移增大。從表1可知，CA砂漿支承能力減弱也使得軌道板的縱向拉應(yīng)力增大，當(dāng)CA砂漿離縫長度達(dá)到1.3 m時，軌道板的縱向拉應(yīng)力增加了41.33%，而軌道板橫向上的拉應(yīng)力稍有減小。另外，離縫區(qū)域附近的CA砂漿壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到74.01 kPa，增大了2.44倍。

從表1還可以看出，當(dāng)軌道板與CA砂漿產(chǎn)生離縫以后，由于負(fù)溫度梯度荷載使軌道板產(chǎn)生向下的翹曲變形，列車荷載與負(fù)溫度梯度作用下軌道系統(tǒng)各部件的垂向位移較列車荷載與正溫度梯度共同作用下的大，但軌道板內(nèi)的拉應(yīng)力則較小，CA砂漿離縫對軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力均不利。

2.2 CA砂漿離縫長度的影響

不同離縫長度下，CA砂漿離縫區(qū)域正上方軌道結(jié)構(gòu)的垂向位移和軌道結(jié)構(gòu)受力最大值隨離縫長度的變化情況分別如圖5、圖6所示。

從圖5可知，在列車荷載和溫度荷載共同作用下，鋼軌和軌道板的垂向位移隨著離縫長度的增大不斷增大，由于CA砂漿離縫削弱了其傳力作用，因此混凝土支承層的垂向位移隨著離縫長度的增大而不斷減小。在列車荷載和正溫度梯度作用下，軌道板的垂向位移從0.397 mm增大到0.937 mm，增大了2.36倍，而在列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下，軌道板的垂向位移從0.571 mm增大到1.095 mm，增大了1.92倍。隨CA砂漿離縫長度的增大，列車荷載和正溫度梯度共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形與列車荷載和負(fù)溫度梯度共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形差值逐漸變小，這說明當(dāng)離縫長度增大到一定值以后，離縫長度相對荷載作用而言對軌道結(jié)構(gòu)變形的影響程度較大。

圖5 不同離縫長度下軌道各部件的垂向位移

圖6 不同離縫長度下軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

從圖6可知，列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道內(nèi)縱向拉應(yīng)力隨離縫長度不斷增大，由于CA砂漿離縫的存在使軌道板的垂向位移不斷加劇，軌道板的縱向應(yīng)變也隨之增大，從而軌道板底部的拉應(yīng)力不斷增大。軌道板橫向拉應(yīng)力則隨著離縫長度的增大而減小，但CA砂漿層本身的壓應(yīng)力也隨著離縫長度的增大不斷增加，列車荷載和正溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到111.57 kPa，增大了3.68倍；在列車荷載和負(fù)溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力從19.9 kPa增大到69.71 kPa，增大了3.50倍；從CA砂漿層的受力情況可知，CA砂漿離縫對其附近的CA砂漿層受力有較大影響，因此當(dāng)CA砂漿離縫長度較大時，有可能造成水泥乳化瀝青砂漿層損傷，甚至產(chǎn)生破壞，從而造成CA砂漿離縫長度進(jìn)一步加大。

2.3 CA砂漿離縫高度的影響

假定軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫長度為1.95 m(3個扣件間距)時，列車荷載和溫度梯度共同作用下，不同離縫高度對應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)變形和受力最大值如表2所示。

從表2可知，由于CA砂漿離縫的存在，削弱了水泥乳化瀝青砂漿層的承載和傳力能力，因此在列車和溫度荷載共同作用下，鋼軌的垂向位移、軌道板的垂向位移和軌道板縱向拉應(yīng)力均隨著CA砂漿離縫高度先增大后趨于定值，而混凝土支承層的垂向位移和軌道板橫向拉應(yīng)力則隨著CA砂漿離縫高度先降低最后趨于定值。CRTSⅡ型板式軌道屬于縱連結(jié)構(gòu)，離縫區(qū)域兩側(cè)的軌道結(jié)構(gòu)自身對離縫區(qū)的軌道結(jié)構(gòu)就有一個約束作用，因此盡管CA砂漿離縫高度不斷增大，由于軌道結(jié)構(gòu)自身約束作用的存在，使得軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力最終都趨于一個定值，盡管對一定長度的CA砂漿離縫下，離縫高度對軌道結(jié)構(gòu)的變形影響不大，但隨著離縫高度的增大，列車荷載和正溫度梯度共同作用下，CA砂漿層本身的壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到97.33 kPa，增大了3.2倍；而在列車荷載和負(fù)溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力從19.9 kPa增大到52.71 kPa，增大了2.65倍。由此可見，CA砂漿離縫高度對CA砂漿層的受力不利，隨著離縫高度的增大，有可能造成離縫區(qū)域附近的水泥乳化瀝青砂漿層進(jìn)一步傷損甚至破碎，從而增大離縫的長度。

表2 軌道系統(tǒng)各部件受力和變形的最大值

2.4 討論與分析

(1)在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫將加劇軌道結(jié)構(gòu)的變形，同時增大軌道板的縱向拉應(yīng)力和CA砂漿層本身的壓應(yīng)力，且列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下的結(jié)構(gòu)變形較列車荷載和正溫度梯度下大。例如在列車荷載和正溫度梯度作用下，當(dāng)CRTSⅡ型板式軌道完好時，軌道板的變形、縱向拉應(yīng)力和CA砂漿層壓應(yīng)力分別為0.397 mm、2.277 MPa和30.33 kPa，而當(dāng)離縫長度達(dá)到1.3 m時則分別為0.623 mm、3.218 MPa和74.01 kPa；而在列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下，軌道結(jié)構(gòu)完好時軌道板的變形、縱向拉應(yīng)力和CA砂漿層壓應(yīng)力分別為0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，而離縫長度達(dá)到1.3 m時則分別為0.628 mm、2.987 MPa和39.24 kPa。因此CA砂漿離縫對軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力均不利。

(2)隨著離縫長度的增大，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應(yīng)力及CA砂漿層壓應(yīng)力均隨之增大。例如，在列車荷載和負(fù)溫度梯度荷載作用下，對于完好的軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應(yīng)力及CA砂漿層壓應(yīng)力最大值分別為1.864、0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，當(dāng)CA砂漿離縫長度達(dá)到2.6 m時，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應(yīng)力及CA砂漿層壓應(yīng)力最大值增大為2.220、1.095 mm、4.731 MPa和69.71 kPa。可見隨著離縫長度的增大，軌道結(jié)構(gòu)變形和受力過大，會造成軌道幾何形位劣化，甚至影響高速行車的安全性、舒適性和平穩(wěn)性。

(3)CA砂漿離縫長度和高度增大，在列車荷載和溫度荷載共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力隨之增大，可能出現(xiàn)“CA砂漿離縫-應(yīng)力增大-砂漿破損”的惡性循環(huán)，建議CRTSⅡ型板式無砟軌道在養(yǎng)護(hù)維修過程中應(yīng)嚴(yán)格控制軌道板與CA砂漿離縫，并及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

3 結(jié)論

基于彈性地基梁體理論，采用有限元方法分析了列車荷載和溫度共同作用下CA砂漿離縫對軌道結(jié)構(gòu)的影響，得到如下結(jié)論：

(1)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫將加劇軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力，如在列車荷載和正溫度梯度共同作用下，當(dāng)離縫長度達(dá)到2.6 m時，軌道板的垂向位移從0.397 mm增大到0.937 mm，CA砂漿層的壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到111.57 kPa，且隨著CA砂漿離縫長度和高度的增加，軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)一步加劇，且可能會形成“砂漿離縫—應(yīng)力增大—砂漿破損”的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)部件破壞，因此對于CA砂漿離縫應(yīng)及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，以免軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步損傷；

(2)當(dāng)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿產(chǎn)生離縫后，在列車荷載作用下，軌道板不斷拍打CA砂漿層，軌道結(jié)構(gòu)變形過大有可能影響軌道的幾何形位，從而降低高速列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，在今后的工作中將進(jìn)一步研究CA砂漿離縫對列車運(yùn)行舒適度的影響；

(3)考慮軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫對軌道結(jié)構(gòu)的影響，建議在分析CA砂漿層離縫原因的基礎(chǔ)上，對CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿的劣化機(jī)理及劣化發(fā)展過程進(jìn)行深入研究，以確定最佳的養(yǎng)護(hù)維修時機(jī)，并研發(fā)新的水泥乳化瀝青砂漿材料，從而能快速修復(fù)傷損后的水泥乳化瀝青砂漿層，同時能滿足我國CRTSⅡ型板式軌道使用壽命要求的高質(zhì)量、高耐久性的水泥乳化瀝青砂漿。

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