CRTSⅡ型板式軌道砂漿快修對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析

劉笑凱,楊榮山,潘國(guó)瑞,杜華楊

(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)

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CRTSⅡ型板式軌道砂漿快修對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析

劉笑凱,楊榮山,潘國(guó)瑞,杜華楊

(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)

摘要：以CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,結(jié)合現(xiàn)有的砂漿快修技術(shù),建立CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道快修砂漿的力學(xué)模型,采用有限元方法,計(jì)算列車(chē)荷載單獨(dú)作用、正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用以及負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用3種工況下軌道板的最大拉、壓應(yīng)力,砂漿層最大垂向壓應(yīng)力和快修砂漿層以及軌道板的最大垂向位移。計(jì)算結(jié)果表明,在各種荷載的作用下,快修砂漿處的軌道結(jié)構(gòu)受力均能夠達(dá)到正常投入使用的標(biāo)準(zhǔn),并且快修砂漿的應(yīng)力值未超過(guò)其2 h強(qiáng)度值3 MPa,因此不需要對(duì)維修的軌道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

關(guān)鍵詞：CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道；軌道維修；快修砂漿；溫度梯度

1概述

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道以其高可靠性、高穩(wěn)定性和高平順性，較好地適應(yīng)了高速鐵路的要求。路基和隧道地段CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、軌道板、水泥瀝青砂漿層和支承層等組成，曲線超高在路基基床或隧道仰拱(底板)表層上設(shè)置。橋梁地段由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、滑動(dòng)層、側(cè)向擋塊等部分組成，橋臺(tái)后路基設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)(摩擦板、土工布及端刺)及過(guò)渡板。砂漿層是 CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的重要組成部分，通過(guò) 30 mm 厚的砂漿充填層實(shí)現(xiàn)軌道板的均勻支承及其與底座板(支承層)的連接，因此砂漿層應(yīng)滿足強(qiáng)度和彈性雙重要求，其性能的優(yōu)劣直接影響無(wú)砟軌道的耐久性和維修工作量[1-4]。

水泥瀝青砂漿是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的薄弱環(huán)節(jié)，高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)的傷損形式之一便是砂漿層與軌道板或底座板(支承層)之間出現(xiàn)離縫傷損，砂漿層破壞后會(huì)直接影響軌道的平順性，因此需要及時(shí)修補(bǔ)。我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線跨區(qū)域大、線路長(zhǎng)，這些客觀情況決定了維修天窗設(shè)置不同于德、日、法等國(guó)，而必須具有短時(shí)性，目前均采用4 h垂直“天窗”，即要求對(duì)砂漿層進(jìn)行快速維修。快修砂漿2 h內(nèi)強(qiáng)度僅能達(dá)到3 MPa，在此期間內(nèi)通車(chē)，可能對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成影響。本文基于有限元的方法，建立CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)有限元模型，研究溫度梯度和列車(chē)荷載作用下，快修砂漿對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力性能的影響[5-7]。

2計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

2.1計(jì)算模型

力學(xué)模型如圖1所示。模型中，鋼軌采用彈性點(diǎn)支承梁模擬；扣件采用單個(gè)線性點(diǎn)支承彈簧模擬；軌道板、底座板(支承層)和水泥乳化瀝青砂漿層采用實(shí)體單元模擬；下部基礎(chǔ)的豎向支承作用采用均勻布置離散的線性彈簧模擬。為消除邊界效應(yīng)，模型選取3塊單元軌道板或相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，以中間單元板作為研究對(duì)象。3塊軌道板僅中間軌道板下的水泥乳化瀝青砂漿為快修砂漿，其余兩塊軌道板下均為正常狀態(tài)的水泥乳化瀝青砂漿[8-10]。

圖1　CRTSⅡ型板式軌道快修砂漿力學(xué)模型

2.2相關(guān)參數(shù)

選取CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，軌道板結(jié)構(gòu)的尺寸為6 450 mm×2 550 mm×200 mm，砂漿層厚度為30 mm，底座板寬3 250 mm，厚度為300 mm?？奂g距為650 mm，每塊軌道板均布10個(gè)扣件。軌道板連續(xù)，砂漿層在寬接縫兩邊斷開(kāi)，寬接縫尺寸為50 mm×2 550 mm×100 mm。為了研究快修砂漿對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，取快修砂漿彈性模量3 000 MPa、正常狀態(tài)的砂漿彈性模量為7 000 MPa進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比其結(jié)果。參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在列車(chē)和溫度荷載下的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1[11-12]。

3快修砂漿對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響

3.1計(jì)算工況

為分析研究快修砂漿層對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，主要考慮工況1只有列車(chē)荷載作用、工況2正溫度梯度與列車(chē)荷載共同作用、工況3負(fù)溫度梯度與列車(chē)荷載共同作用3種工況。列車(chē)荷載取常用輪載，即150 kN，荷載作用位置從板縫位置至第五、六扣件之間變化共6種作用位置。

表1　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在列車(chē)和

3.2列車(chē)荷載單獨(dú)作用

列車(chē)荷載單獨(dú)作用時(shí)軌道板和砂漿層的最大應(yīng)力、位移均出現(xiàn)在荷載作用處附近，其值隨荷載作用位置的變化如圖2所示。

隨列車(chē)荷載由板縫中心處向板中移動(dòng)，正常砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向拉應(yīng)力值沒(méi)有明顯變化，其值約為0.25 MPa和0.18 MPa；快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向拉應(yīng)力最大值減小，其最大值出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)(圖中橫坐標(biāo)為0時(shí))，其值分別為0.25 MPa和0.36 MPa。與正常砂漿情況相比，快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向拉應(yīng)力明顯增大，特別是最大橫向拉應(yīng)力值，幾乎是正常砂漿時(shí)的2倍；正常砂漿與快修砂漿情況下軌道板最大縱、橫向壓應(yīng)力均逐漸減小，相對(duì)而言，快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向砂漿的壓應(yīng)力值變化更為明顯，兩種情況下，其最大值均出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)，正常砂漿時(shí)，其值分別為2.71 MPa和2.46 MPa，快修砂漿情況下，其值分別為2.65 MPa和2.40 MPa；正常砂漿情況下，砂漿最大垂向壓應(yīng)力變化不明顯，其值約為0.39 MPa，快修砂漿情況下，砂漿荷載在板縫中心處附近時(shí)，砂漿最大垂向壓應(yīng)力有明顯的減小，隨后趨于穩(wěn)定，荷載在板縫中心處其值最大為0.49 MPa；與正常砂漿情況相比，快修砂漿情況下，軌道板與砂漿的最大垂向位移均有較為明顯的增大，增加值約為0.03 mm。

圖2　列車(chē)荷載單獨(dú)作用軌道板和砂漿層的最大應(yīng)力、位移

綜上所述，當(dāng)列車(chē)荷載單獨(dú)作用時(shí)，快修砂漿支承的軌道板縱、橫向拉壓應(yīng)力符合要求，未超過(guò)混凝土的強(qiáng)度(軌道板C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.04 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值27.5 MPa)，快修砂漿列車(chē)垂向壓應(yīng)力滿足其2h強(qiáng)度值3 MPa的要求。

3.3正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用

圖3　正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)軌道板和砂漿層最大應(yīng)力、位移

正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)軌道板和砂漿層的最大應(yīng)力、位移均出現(xiàn)在荷載作用處附近，其值隨荷載作用位置的變化如圖3所示。隨列車(chē)荷載由板縫中心處向板中移動(dòng)，普通砂漿情況下軌道板的最大縱、橫向拉應(yīng)力無(wú)明顯變化，其值約為0.70 MPa和0.96 MPa，快修砂漿情況下軌道板最大縱、橫向拉應(yīng)力有一定增加，其最大值出現(xiàn)在荷載作用于板中時(shí)(圖中橫坐標(biāo)為3.275 m)，最大值分別為0.85 MPa和0.96 MPa，與正常砂漿情況相比，快修砂漿情況下軌道板最大縱向拉應(yīng)力明顯增大、最大橫向拉應(yīng)力減?。粌煞N情況下，軌道板最大縱、橫向壓應(yīng)力有所增大，其最大值均出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)，正常砂漿情況下其值分別為9.91 MPa和5.52 MPa，快修砂漿情況下其值分別為9.84 MPa和5.49 MPa，與正常砂漿相比，快修砂漿情況下，軌道板最大縱向拉應(yīng)力略有增加、最大橫向拉應(yīng)力略有減小；兩種情況下砂漿層最大垂向壓應(yīng)力均逐漸增大，正常砂漿情況下其最大值出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)，其值為1.4 MPa，快修砂漿情況下其最大值出現(xiàn)在荷載作用于第四、五扣件之間時(shí)(圖中橫坐標(biāo)為2.625 m )，其值為1.53 MPa，快修砂漿的最大垂向壓應(yīng)力明顯比正常砂漿的垂向壓應(yīng)力小；兩種情況下砂漿與板的最大垂向位移均逐漸減小，其最大值均出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)，正常砂漿情況下其值分別為0.462 mm和0.463 mm，快修砂漿情況下其值分別為0.453 mm和0.466 mm。

綜上所述，當(dāng)正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)，快修砂漿情況下軌道板縱、橫向拉壓應(yīng)力符合要求，未超過(guò)混凝土的強(qiáng)度(軌道板C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.04 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值27.5 MPa)，快修砂漿垂向壓應(yīng)力滿足其2h強(qiáng)度值3 MPa的要求。

3.4負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用

圖4　負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)軌道板和砂漿層最大應(yīng)力、位移

負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)軌道板和砂漿層的最大應(yīng)力、位移均出現(xiàn)在荷載作用處附近，其值隨荷載作用位置的變化如圖4所示。隨著列車(chē)荷載由板縫中心處向板中移動(dòng)，軌道板最大縱、橫向拉應(yīng)力變化不大，正常砂漿情況下其最大值分別為1.48 MPa和1.87 MPa，快修砂漿情況下縱向拉應(yīng)力的最大值分別為1.65 MPa和1.87 MPa，快修砂漿情況下軌道板最大縱向拉應(yīng)力比正常砂漿情況下大，兩種情況下最大橫向拉應(yīng)力幾乎相等；軌道板最大壓應(yīng)力有少許增大，正常砂漿情況下軌道板最大橫向壓應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，其值約為1.60 MPa，縱向壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)荷載作用于板縫中心處時(shí)，其值為0.76 MPa，快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向壓應(yīng)力均出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)，其值分別為0.82 MPa和1.72 MPa，快修砂漿情況下軌道板最大縱、橫向壓應(yīng)力均比普通砂漿情況下略?。粌煞N情況下砂漿的最大垂向壓應(yīng)力變化不大，正常砂漿情況下其值約為1.10 MPa，快修砂漿情況下其值約為0.44 MPa；兩種情況下砂漿與板的最大垂向位移均逐漸減小，正常砂漿情況下砂漿與板的最大垂向位移變化更為穩(wěn)定，兩種情況下砂漿與板的垂向位移的最大值均出現(xiàn)在荷載作用于板縫中心處時(shí)，且大小相同，砂漿與板的最大位移分別為0.403 mm和0.391 mm。

綜上所述，當(dāng)負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)，快修砂漿情況下軌道板縱、橫向拉壓應(yīng)力符合要求，未超過(guò)混凝土的強(qiáng)度(軌道板C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.04 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值27.5 MPa)，快修砂漿垂向壓應(yīng)力滿足其2 h強(qiáng)度值3 MPa的要求。

3.5砂漿層厚度

計(jì)算荷載采用設(shè)計(jì)荷載300 kN，選取砂漿層厚度為0.05、0.1、0.15、0.2 m四種工況計(jì)算。在不同的砂漿層厚度下軌道板和砂漿層的最大應(yīng)力隨荷載作用位置的變化如圖5所示。

圖5　不同砂漿層厚度時(shí)軌道板和砂漿層最大應(yīng)力

隨著砂漿層的增厚，軌道板最大縱向拉應(yīng)力值變小，軌道板最大橫向拉應(yīng)力增大，且在由板縫中心處向板中移動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中，軌道板最大橫、縱向拉應(yīng)力變化更為均勻；軌道板最大縱向壓應(yīng)力逐漸減小，砂漿層厚度從0.05 m到0.1 m變化時(shí)，軌道板最大橫向壓應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，隨著砂漿層厚度繼續(xù)增加，軌道板最大橫向壓應(yīng)力逐漸減?。簧皾{層厚度從0.05 m增加到0.15 m時(shí)，砂漿層最大垂向壓應(yīng)力逐漸增加，砂漿層厚度從0.15 m增加到0.2 m時(shí)，砂漿層最大垂向壓應(yīng)力明顯減小。

4結(jié)論

通過(guò)靜力分析快修砂漿的軌道結(jié)構(gòu)中軌道板和砂漿層的應(yīng)力、位移以及砂漿層厚度變化的影響，得出以下結(jié)論：

(1)在列車(chē)荷載單獨(dú)作用、正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用、負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)，快修砂漿的軌道結(jié)構(gòu)受力均能夠達(dá)到正常投入使用的標(biāo)準(zhǔn)，并且快修砂漿的應(yīng)力值未超過(guò)其2 h強(qiáng)度值3 MPa，因此不需要臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)；

(2)在列車(chē)荷載單獨(dú)作用下，當(dāng)列車(chē)荷載作用在新舊砂漿界面處時(shí)，軌道板、快修砂漿層的應(yīng)力、位移值最大；當(dāng)正溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)，隨列車(chē)荷載由板縫中心處向板中變化，軌道板橫向拉應(yīng)力增大，砂漿垂向應(yīng)力和位移減??；當(dāng)負(fù)溫度梯度和列車(chē)荷載共同作用時(shí)，當(dāng)列車(chē)荷載由板縫中心處向板中變化時(shí)，快修砂漿層和軌道板垂向位移減小，應(yīng)力變化不大；

(3)當(dāng)砂漿層厚度增大時(shí)，軌道板縱向拉應(yīng)力變小，而橫向拉應(yīng)力變大，對(duì)軌道板縱橫向壓應(yīng)力幾乎無(wú)影響，在一定范圍內(nèi)厚度越大，砂漿層應(yīng)力越小，但厚度增加到一定程度，砂漿層應(yīng)力反而會(huì)減小?？紤]到砂漿造價(jià)和施工工藝等影響，建議砂漿層厚度不宜超過(guò)0.1 m，如能控制砂漿層的開(kāi)裂，則厚度可以不限制。

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Analysis of the Effect of Fast Mortar Repairing of CRTSⅡ Slab Track on the Performance of Track StructureLIU Xiao-kai, YANG Rong-shan, PAN Guo-rui, DU Hua-yang

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：This paper focuses on CRTS II slab ballastless track and establishes a CRTSⅡslab track fast mortar repairing mechanical model based on the existing fast mortar repairing technology. The finite element method is employed to calculate the maximum tensile stress and compressive stress of the track slab, the maximum vertical compressive stress of mortar layer and the maximum vertical displacement of fast mortar repairing layer and track slab under such combined three conditions as independent action of train load, interaction of positive temperature gradient and train loads and interaction of negative temperature gradient and train loads. The calculation results show that under different loads, the track structural stress of fast repairing mortar meets the normal operational standards, and the stress value of fast repairing mortar is no more than 3MPa of 2h strength value, thus there is no need for temporary support for track maintenance.

Key words：CRTS II ballastless slab track; Track maintenance: Fast repairing mortar; Temperature gradient

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.014

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0065-05

作者簡(jiǎn)介：劉笑凱(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：jlallk@163.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技開(kāi)發(fā)重大項(xiàng)目(2013G008)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-18