CRTSⅢ型板式軌道層間離縫下門型筋合理布置研究

全毅，劉學(xué)毅，楊榮山

(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，四川 成都 610031)

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CRTSⅢ型板式軌道層間離縫下門型筋合理布置研究

全毅，劉學(xué)毅，楊榮山

(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，四川 成都 610031)

摘要:CRTSⅢ型板式軌道作為我國自主研發(fā)的新型板式軌道結(jié)構(gòu)，目前在國內(nèi)尚未系統(tǒng)地研究層間離縫下結(jié)構(gòu)以及門型筋的受力情況。根據(jù)CRTSⅢ型板式軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立包含鋼軌、軌道板、門型連接鋼筋、自密實(shí)混凝土和混凝土底座的軌道結(jié)構(gòu)受力分析模型，分析不同荷載作用下層間離縫位置和長度對門型筋受力和連接效果的影響。研究結(jié)果表明:列車荷載與負(fù)溫度荷載共同作用下，板邊出現(xiàn)離縫對門型筋連接效果的影響最大，軌道板板端混凝土被拉壞。對此，提出在軌道板兩端加密門型筋的布置方式，通過對比，采用加密門型筋的布置方式在離縫條件下層間連接效果更好。

關(guān)鍵詞：CRTSⅢ型板式軌道;門型筋;層間離縫;合理布置

CRTSⅢ型板式無砟軌道作為我國自主研發(fā)的新型板式軌道結(jié)構(gòu)，自上而下由鋼軌、WJ-8扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土調(diào)整層和支撐層等組成[1]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為加強(qiáng)軌道板與自密實(shí)混凝土層間的連接，在軌道板承軌臺下方位置設(shè)置了門形鋼筋。門型筋與自密實(shí)混凝土層的鋼筋網(wǎng)連接，澆自密實(shí)混凝土后，軌道板與自密實(shí)混凝土層黏結(jié)在一起，形成緊密連接的“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)。但由于兩者灌注時(shí)間、彈性模量不同，在列車荷載、溫度荷載和自密實(shí)混凝土收縮的影響下，軌道板和自密實(shí)混凝土層容易產(chǎn)生離縫現(xiàn)象[2]。目前，國內(nèi)尚未系統(tǒng)深入地研究CRTSⅢ型板式軌道的層間離縫受力問題。CRTSⅢ型板式軌道的層間離縫不僅影響軌道結(jié)構(gòu)的整體性，嚴(yán)重的層間離縫還會影響高速列車運(yùn)行的平穩(wěn)性、舒適性和安全性[3]。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層間離縫時(shí)，軌道板與自密實(shí)混凝土層的層間約束減弱，此時(shí)門型筋對于層間連接顯得尤為重要。本文主要研究軌道板與自密實(shí)混凝土層產(chǎn)生層間離縫對門型筋連接效果的影響以及離縫條件下門型筋合理布置方式。

1計(jì)算模型與相關(guān)參數(shù)

為研究層間離縫對軌道結(jié)構(gòu)的影響，利用有限元軟件ANSYS，建立CRTSⅢ型板式軌道梁-體模型(見圖1)，鋼軌采用梁單元模擬，軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座板采用三維實(shí)體單元來模擬。為方便求解，模型中對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化。由于考慮層間作用，門型筋橫向鋼筋省略，將一個(gè)門型筋簡化為兩個(gè)銷釘，門型筋用三維線性有限應(yīng)變梁單元模擬。有限元計(jì)算模型中門型筋單元與混凝土實(shí)體單元構(gòu)建約束方程，彼此不產(chǎn)生滑移，如圖2所示。自密實(shí)混凝土與底座板之間由于設(shè)置了土工布隔離層，采用接觸進(jìn)行模擬。軌道板與自密實(shí)混凝土層間黏結(jié)破壞用接觸單元來模擬，在實(shí)際情況中層間粘結(jié)失效往往還伴隨混凝土的破壞，用單元生死中的消亡單元模擬混凝土的破壞。為消除邊界效應(yīng)，選取3塊軌道板進(jìn)行計(jì)算，以中間軌道板作為研究對象。

圖1　CRTSⅢ型板式軌道有限元模型Fig.1 Finite element model of CRTSⅢslab track

圖2　門型筋與混凝土單元約束模型Fig.2 Constraint model of door typr steel and concrete

模型中鋼軌為60 kg/m鋼軌；扣件垂向和橫向剛度均為50 kN/mm，扣件間距0.687 m；軌道板厚0.19 m，寬2.5 m，長5.35 m；自密實(shí)混凝土層厚0.1 m，寬2.7 m；支撐層厚0.242 m，寬3.1 m；門型筋的彈性模量為2×105MPa，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)1.18×10-5m/℃。每塊軌道板沿線路縱向布置16排門型筋，間隔為0.343 m，如圖3所示。

圖3　門型筋布置圖Fig.3 Arrangement plan of door type steel

輪載取為單軸荷載形式，豎向荷載取輪載單輪150 kN，最不利荷載作用點(diǎn)在離縫區(qū)域與非離縫區(qū)域交界位置。最大正溫度梯度取85 ℃/m，最大負(fù)溫度梯度取43 ℃/m，常用溫度梯度取為最大溫度梯度的1/2。當(dāng)與列車荷載組合時(shí)采用常用溫度梯度檢算[4]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，典型離縫共分為3種：1)板邊離縫，離縫橫向從板邊發(fā)展至接近鋼軌扣件支點(diǎn)下端，縱向發(fā)展如圖4(a)所示；2)板中離縫，離縫橫向長度為兩根鋼軌扣件支點(diǎn)間距，縱向發(fā)展如圖4(b)所示；3)軌下離縫，離縫橫向長度包括1列銷釘和1根鋼軌，縱向發(fā)展如圖4(c)所示[5]。3種工況下離縫縱向長度從到達(dá)第1組扣件開始依次取為0.27，1.64，3.02，4.39和5.35 m。

(a)板邊離縫；(b)板中離縫；(c)軌下離縫圖4　離縫工況Fig.4 Debonding conditions

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1門型筋應(yīng)力分析

當(dāng)軌道板和自密實(shí)混凝土間出現(xiàn)層間離縫，層間連接主要靠門型筋提供。經(jīng)過計(jì)算，在離縫工況下門型筋的剪切應(yīng)力較小。因此，主要分析列車荷載、負(fù)溫度梯度和正溫度梯度作用下門型筋的最大軸向拉應(yīng)力。

(a)門型筋最大軸向拉應(yīng)力；(b)板邊離縫長1.64 m時(shí)離縫一側(cè)門型筋應(yīng)力圖5　列車荷載作用下門型筋受力情況Fig.5 Force of door type steel under Train-loads

(a)門型筋最大軸向拉應(yīng)力；(b)板邊離縫長1.64 m時(shí)離縫一側(cè)門型筋應(yīng)力圖6　負(fù)溫度梯度作用下門型筋受力情況Fig.6 Force of door type steel under the effect of negative temperature gradient

(a)門型筋最大軸向拉應(yīng)力；(b)軌下離縫長1.64 m時(shí)離縫一側(cè)門型筋應(yīng)力圖7　正溫度梯度作用下門型筋受力情況Fig.7 Force of door type steel under the effect of positive temperature gradient

從圖5～7可以看出：1)溫度梯度對門型筋軸向拉應(yīng)力影響較大，軸向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在離縫區(qū)域處的門型筋上。2)列車荷載作用下，板邊離縫對門型筋軸向拉應(yīng)力影響最大，軸向拉應(yīng)力最大值為3.9 MPa。3)在負(fù)溫度梯度荷載作用下，板邊離縫對門型筋軸向拉應(yīng)力影響最大，軸向拉應(yīng)力最大值為26.2 MPa。4)在正溫度梯度荷載作用下，軌下離縫對門型筋軸向拉應(yīng)力影響最大，軸向拉應(yīng)力最大值為50.9 MPa。

2.2門型筋周邊軌道板混凝土應(yīng)力分析

根據(jù)對門型筋應(yīng)力的分析可知：當(dāng)門型筋周圍出現(xiàn)層間離縫時(shí)，由于門型筋軸向拉應(yīng)力有顯著增大，對周圍混凝土受力非常不利。為了分析門型筋周圍混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，施加荷載有3種工況。工況1：列車垂向荷載+板邊離縫；工況2：列車荷載+負(fù)溫度梯度+板邊離縫；工況3：列車荷載+正溫度梯度+軌下離縫。

在列車垂向荷載和負(fù)溫度梯度作用下，軌道板和自密實(shí)混凝土的縱向拉應(yīng)力比較顯著。在正溫度梯度作用下，由于CRTSⅢ板式軌道縱連結(jié)構(gòu)以及門型筋和縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的限位作用，軌道板和自密實(shí)混凝土縱向主要受壓。又因門型筋已簡化為銷釘，故按工況1和工況2加載時(shí)，主要分析離縫區(qū)域靠近板邊銷釘附近混凝土縱向拉應(yīng)力，按工況3加載時(shí)，分析離縫區(qū)域靠近鋼軌銷釘附近混凝土橫向拉應(yīng)力。門型筋周邊軌道板混凝土受力如圖8所示。

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3圖8　門型筋周邊軌道板混凝土拉應(yīng)力Fig.8 Tensile stress of Track plate concrete near the door type steel

從圖8中可以看出：1)工況1加載，無離縫時(shí)門型筋周邊軌道板混凝土的縱向拉應(yīng)力最大值為0.17 MPa；混凝土的縱向拉應(yīng)力隨離縫縱向長度的增加而增大，當(dāng)離縫縱向長度為5.35 m時(shí)，混凝土的縱向拉應(yīng)力的最大值為0.24 MPa。2)工況2加載，無離縫時(shí)靠近加載位置，門型筋周邊軌道板混凝土的縱向拉應(yīng)力最大值為0.554 MPa；混凝土的縱向拉應(yīng)力隨著門型筋序列數(shù)的增加而增大，最大值為1.28 MPa。當(dāng)存在板邊離縫，第一行和最后一行門型筋附近應(yīng)力顯著增大。當(dāng)離縫縱向長度為5.35 m時(shí)，軌道板右端混凝土的縱向拉應(yīng)力增大到3.61 MPa。3)工況3加載，無離縫時(shí)門型筋周邊軌道板混凝土的橫向拉應(yīng)力最大值為0.138 MPa；當(dāng)存在軌下離縫時(shí)，從第二行門型筋起混凝土的拉應(yīng)力顯著增大。當(dāng)離縫縱向長度為5.35 m時(shí)，混凝土的拉應(yīng)力最大值為0.37 MPa。

綜上，在負(fù)溫度梯度與列車荷載共同作用下，板邊離縫對門型筋周邊軌道板混凝土的受力最不利。當(dāng)離縫縱向長度超過0.27 m時(shí)，軌道板右端處混凝土縱向拉應(yīng)力最大值約為2.38 MPa；板邊離縫長5.35 m時(shí)，最大值增加至3.61 MPa，超過C60混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土被拉裂。

2.3門型筋周邊自密實(shí)混凝土層混凝土應(yīng)力分析

門型筋周邊自密實(shí)混凝土層混凝土受力情況如圖9所示。從圖9中可以看出：按工況1加載，無離縫時(shí)門型筋周邊軌道板混凝土的縱向拉應(yīng)力最大值為0.068 MPa；當(dāng)存在板邊離縫時(shí)，混凝土的縱向拉應(yīng)力的最大值為0.071 MPa。工況2加載，無離縫時(shí)門型筋周邊混凝土縱向拉應(yīng)力隨門型筋序列數(shù)增加變化不大，最大值為0.717 MPa；混凝土的縱向拉應(yīng)力隨著門型筋序列數(shù)的增加而增大，最大值為1.279 MPa。當(dāng)存在板邊離縫，最后一行門型筋附近應(yīng)力顯著增大。當(dāng)離縫縱向長度為5.35 m時(shí)，軌道板右端混凝土的縱向拉應(yīng)力增大到2.21 MPa。工況3加載，無離縫時(shí)門型筋周邊軌道板混凝土的橫向拉應(yīng)力最大值為0.544 MPa；當(dāng)存在軌下離縫時(shí)，板中門型筋附近的混凝土的拉應(yīng)力顯著增大。當(dāng)離縫縱向長度為5.35 m時(shí)，混凝土的拉應(yīng)力最大值為0.784 MPa。

(a) 工況1；(b)工況2；(c)工況3圖9　門型筋周邊自密實(shí)混凝土層混凝土拉應(yīng)力Fig.9 Tensile stress of self-compacting concrete near the door type steel

綜上，在負(fù)溫度梯度與列車荷載共同作用下，板邊離縫對門型筋周邊自密實(shí)混凝土層混凝土的受力最不利。當(dāng)離縫縱向長度超過0.27 m時(shí)，軌道板右端處混凝土縱向拉應(yīng)力最大值約為1.279 MPa；板邊離縫長5.35 m時(shí)拉應(yīng)力最大值增加至2.21 MPa，未超過C40混凝土的抗拉強(qiáng)度。但是在溫度荷載的循環(huán)作用以及列車通過時(shí)軌道板對自密實(shí)混凝土層的拍打作用下都有可能加速離縫范圍的擴(kuò)展，破壞軌道板與自密實(shí)混凝土層之間的黏結(jié)。

2.4加密門型筋布置方式

根據(jù)對門型筋周邊混凝土拉應(yīng)力的分析可知，列車荷載與負(fù)溫度荷載共同作用下，板邊出現(xiàn)離縫對門型筋連接效果的影響最大，軌道板板端混凝土被拉壞。故在軌道板兩端加密門型筋并按工況2加載進(jìn)行對比。加密布置方式如圖10所示。

圖10　加密門型筋布置方式Fig.10 Arrangement plan of encrypted door type steel

圖11　門型筋周邊軌道板混凝土拉應(yīng)力Fig.11 Tensile stress of Track plate concrete near the door type steel

圖12　門型筋周邊自密實(shí)混凝土拉應(yīng)力Fig.12 Tensile stress of self-compacting concrete near the door type steel

從圖中可以看出，按工況2加載并采用加密門型筋布置方式時(shí)，板端處門型筋周邊混凝土最大拉應(yīng)力明顯減小。與不加密布置相比，門型筋周邊軌道板混凝土拉應(yīng)力最大值由3.61 MPa減至1.44 MPa，門型筋周邊自密實(shí)混凝土拉應(yīng)力最大值由2.21 MPa減至1.32 MPa。相比較之下，采用在軌道板板端加密門型筋的布置方式在離縫條件下層間連接效果更好。

3結(jié)論

1)3種典型層間離縫對門型筋受力的影響不同，列車荷載或負(fù)溫度梯度作用下板邊離縫對門型筋受力最不利，正溫度梯度作用下軌下離縫對門型筋受力最不利。

2)列車荷載與負(fù)溫度梯度共同作用下軌道板板角上翹，離縫出現(xiàn)在板邊時(shí)離縫區(qū)域門型筋由于層間粘結(jié)力減小而拉應(yīng)力增加，導(dǎo)致門型筋附近混凝土拉應(yīng)力同步增加，當(dāng)板邊離縫縱向長度超過0.27 m時(shí)軌道板板端混凝土被拉壞。

3)與不加密相比，采用在軌道板板端加密門型筋的布置方式在離縫條件下層間連接效果更好。

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(編輯蔣學(xué)東)

Reasonable arrangement of door type steel of interlayer gap for CRTSⅢslab track

QUAN Yi，LIU Xueyi，YANG Rongshan

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

Abstract:As Chinese independent innovation of slab track structure, there wasnot related research on force of structure and door type steel of CRTSⅢ slab track with interlayer gap so far. In reference to the structure of CRTSⅢslab track, finite element beam-solid model was established. And influences on the force and connection effect of door type steel caused by different position and length of interlayer gap under different loads were analyzed. The results show that interlayer gap that appeared in the plates’ boundary has the biggest influence on the connection effect of door type steel under the common effect of train load and negative temperature gradient, concrete at both ends of the track plate broken. So the setting form of encrypting door type steels at both ends of the track plate was put forward in this paper. By comparison, the effect of the arrangement of encrypting steels is better in the condition of interlayer gap.

Key words：CRTSⅢslab track; door type steel; interlayer gap; reasonable arrangement

中圖分類號：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0407-07

通訊作者：劉學(xué)毅(1962-)，男，四川中江人，教授，博士，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)和輪軌系統(tǒng)動力學(xué)；E-mail: xyliu@home.swjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1434208)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278431)

收稿日期：2015-08-02