溫度作用下橋上CRTSⅡ型軌道離縫及變形分析

周敏，戴公連，閆斌

(1.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

溫度作用下橋上CRTSⅡ型軌道離縫及變形分析

周敏1，戴公連2，閆斌2

(1.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

采用實(shí)體單元模擬軌道結(jié)構(gòu)、接觸單元模擬層間約束關(guān)系、僅受壓的桿單元模擬橋梁對軌道的支撐和非線性彈簧單元模擬扣壓型側(cè)向擋塊的約束作用，建立高速鐵路簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)空間有限元模型，采用相關(guān)文獻(xiàn)案例驗(yàn)證本模型的準(zhǔn)確性，分析溫度作用下橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫發(fā)展規(guī)律及變形。研究結(jié)果表明：整體升溫對軌道板與砂漿層界面縱向剪應(yīng)力影響較大，溫度越高，縱向剪應(yīng)力越大，但在正常使用范圍內(nèi)，界面不會(huì)發(fā)生縱向剪切破壞；溫度梯度主要引起界面豎向拉裂破壞，進(jìn)而產(chǎn)生砂漿離縫，離縫從軌道板邊緣開始出現(xiàn)，在正負(fù)溫度梯度交替作用下，沿橫向深度加深，深度可達(dá)50 cm；當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度為0.02 MPa時(shí)，砂漿離縫產(chǎn)生的臨界正溫度梯度為5.3℃，臨界負(fù)溫度梯度為-4.8℃，且二者呈線性關(guān)系，黏結(jié)強(qiáng)度越高，臨界溫度梯度越大。軌道板板端接縫缺陷引起接縫位置及縱向一定范圍內(nèi)界面拉裂破壞，沿橫向貫通，導(dǎo)致砂漿離縫和軌道板板端上拱；提高砂漿層施工質(zhì)量和加強(qiáng)軌道板板端接縫施工控制有利于抑制砂漿離縫和軌道板上拱變形。

高速鐵路；簡支梁；無砟軌道；砂漿離縫；有限元分析；溫度梯度

橋上CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在我國京津城際、京滬和滬昆等高速鐵路線上得到了廣泛應(yīng)用[1]，由于其軌道板和底座板縱向連續(xù)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，縱連的軌道結(jié)構(gòu)中存在巨大的軸向力。此外，在太陽輻射及對流換熱的作用下，軌道板和底座板豎向還存在著非線性溫度梯度，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)承受著較大的彎矩作用，進(jìn)一步削弱了軌道結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定[2]。對我國某高速鐵路線上CRTSⅡ型板式無砟軌道的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多處工點(diǎn)軌道板與砂漿層之間出現(xiàn)了不同程度的離縫；個(gè)別工點(diǎn)軌道板板端接縫部位甚至出現(xiàn)不同程度的上拱變形，直接影響列車運(yùn)行的安全舒適。無砟軌道結(jié)構(gòu)的界面離縫和變形問題已受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[3～8]，如劉鈺等[3]對CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)早期離縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，王雪松等[4]提出了幾點(diǎn)抑制CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)砂漿離縫的技術(shù)措施，王繼軍等[5]對單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板翹曲變形進(jìn)行了分析與現(xiàn)場測試。但現(xiàn)有研究多針對于路基上軌道結(jié)構(gòu)，其計(jì)算模型并不適用于橋上CRTSⅡ型無砟軌道；所采用的溫度梯度荷載僅通過短期試驗(yàn)獲得，難以反映現(xiàn)實(shí)情況。本文針對既有研究中的不足，采用接觸單元模擬層間非線性約束關(guān)系，建立簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間有限元模型，基于課題組前期研究中獲得的橋上無砟軌道非線性溫度荷載模式[9-10]，研究溫度作用下，軌道板板端部位上拱變形及砂漿離縫，并探討關(guān)鍵參數(shù)的影響。

1 橋上CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)體系

以高速鐵路雙線32 m簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例，其軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板及滑動(dòng)層組成，如圖1所示，通過在梁面和底座板間設(shè)置摩擦系數(shù)極小的滑動(dòng)層來減小橋梁伸縮變形對軌道結(jié)構(gòu)的影響；在橋上固定支座處設(shè)置剪力齒槽和錨固螺栓保證軌道結(jié)構(gòu)與橋梁縱向的可靠連接[11-13]。

圖1 簡支梁橋上CRTSⅡ型軌道截面示意圖Fig.1 Section of CRTSⅡtrack on simply-supported beam

為了提高軌道結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，沿縱向兩側(cè)設(shè)置扣壓型側(cè)向擋塊，側(cè)向擋塊通過預(yù)埋件與梁體相連，如圖2所示。

單位:mm圖2 扣壓型側(cè)向擋塊布置圖Fig.2 Layout of pigeonhole type lateral blocks

2 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

基于大型通用有限元軟件ANSYS建立32 m簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)空間有限元模型。將簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)分析模型簡化成長度為32.7 m(約為連續(xù)5塊軌道板長度)、兩端固結(jié)的實(shí)體模型，見圖3。

單位:m(a)縱向受力體系；(b)約束關(guān)系圖3 簡支梁橋上CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)分析模型Fig.3 Analysis model of CRTSⅡtrack structure on simply-supported beam bridges

其中，軌道板、砂漿層和底座板采用實(shí)體單元模擬，主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of track structure

軌道板與砂漿層、砂漿層與底座板之間的接觸關(guān)系采用面-面接觸單元模擬：法向接觸剛度取砂漿的豎向抗壓剛度2 000 N/mm3，接觸分離剛度取接觸面的抗拉剛度232.6 N/mm3，砂漿層的切面剛度為0.05 N/mm3，層間摩擦因數(shù)取0.35。

根據(jù)2003年德國博格公司的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]，軌道板與砂漿層界面所能承受縱向極限剪應(yīng)力為0. 025 MPa；基于現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，界面所能承受的豎向極限抗拉強(qiáng)度為0.020 MPa。

采用僅受壓的桿單元模擬橋梁對軌道結(jié)構(gòu)的支撐作用；采用非線性彈簧單元模擬側(cè)向擋塊對底座板的約束作用。側(cè)向擋塊為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)容許混凝土開裂，開裂后不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度，其豎向剛度主要由受拉鋼筋提供，采用理想彈塑性模型，圖4所示。

圖4 豎向抗拉剛度力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of vertical tensile stiffness

參照文獻(xiàn)[3]，分析溫度梯度作用下橋上軌道板溫度翹曲變形，計(jì)算得到：當(dāng)豎向溫度梯度為81.375 ℃/m時(shí)，軌道板溫度最大翹曲變形為0.450 mm；溫度梯度取-40.600 ℃/m時(shí)，最大溫度翹曲變形為0.401 2 mm；與文獻(xiàn)[3]實(shí)測結(jié)果比較相差分別為4.2%和1.9%，驗(yàn)證了本有限元模型的有效性。

溫度荷載包括整體升降溫和豎向非線性溫度梯度，本文所采用的豎向非線性溫度梯度為課題組前期研究得到我國中部地區(qū)橋上CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)溫度梯度荷載模式[10]，如圖5所示。

圖5 豎向溫度梯度荷載模式Fig.5 Load mode of vertical temperature gradient

3 砂漿離縫機(jī)理及影響因素分析

3.1 砂漿層離縫產(chǎn)生機(jī)理

溫度作用下，由于軌道板與砂漿層之間材料性能的差異，界面上存在縱向的剪應(yīng)力和豎向的正應(yīng)力：界面上的剪應(yīng)力大于其極限剪應(yīng)力時(shí)，界面則被剪切破壞；界面上的拉應(yīng)力大于其極限拉應(yīng)力時(shí)，界面則被拉裂破壞。軌道板與砂漿層界面的破壞導(dǎo)致砂漿離縫的產(chǎn)生。

整體升溫作用下，軌道板與砂漿層界面豎向拉應(yīng)力變化不大，且均在0.020 MPa以下，界面不會(huì)產(chǎn)生豎向拉裂破壞，但溫度升高，界面上的縱向剪應(yīng)力卻不斷增大。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)升溫到82 ℃時(shí)，界面上部分區(qū)域的剪應(yīng)力達(dá)到極限剪應(yīng)力，界面開始滑移，主要集中在軌道板邊緣，如圖6所示。證明正常使用狀態(tài)下，軌道板與砂漿層界面不會(huì)發(fā)生縱向剪切破壞。

圖6 整體升溫82 ℃界面接觸狀態(tài)Fig.6 Interface contact state overall temperature 82 ℃

正溫度梯度作用下，界面上縱向最大剪應(yīng)力僅為0.001 2 MPa，界面不會(huì)發(fā)生剪切破壞，但豎向正應(yīng)力(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))卻較大，其分布云圖如圖7所示。

單位:MPa圖7 正溫度梯度作用下界面豎向正應(yīng)力Fig.7 Interface vertical normal stress under positive temperature gradient

界面上大部分區(qū)域的豎向正應(yīng)力在0.02 MPa以下，而在軌道板整個(gè)邊緣區(qū)域(深度約為20 cm)拉應(yīng)力大于0.020 MPa(圖7中灰色區(qū)域)，沿線路縱向連續(xù)。軌道板邊緣因界面豎向拉裂破壞，進(jìn)而產(chǎn)生離縫，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查情況相吻合。

負(fù)溫度梯度作用下，界面縱向最大剪應(yīng)力僅為0.000 99 MPa，界面不會(huì)發(fā)生縱向剪切破壞，但豎向正應(yīng)力較大，其分布云圖如圖8所示。

單位:MPa圖8 負(fù)溫度梯度作用下界面豎向正應(yīng)力Fig.8 Interface vertical normal stress under negative temperature gradient

界面上大部分區(qū)域的豎向正應(yīng)力在0.020 MPa以下，而在軌道板距邊緣約為20～50 cm區(qū)域，拉應(yīng)力大于0.020 MPa，沿縱向連續(xù)，另外在側(cè)向擋塊位置，軌道板中間部分區(qū)域拉應(yīng)力超過0.020 MPa(圖8中灰色區(qū)域)，這些區(qū)域的界面出現(xiàn)拉裂破壞。

以上分析表明，軌道結(jié)構(gòu)整體升溫對界面的縱向剪應(yīng)力影響較大，但在一定溫升范圍內(nèi)，界面不會(huì)發(fā)生縱向剪切破壞；溫度梯度主要引起界面豎向拉裂破壞，進(jìn)而產(chǎn)生砂漿離縫，離縫從軌道板邊緣開始出現(xiàn)，沿縱向基本一致，正負(fù)溫度梯度交替作用下，離縫沿橫向加深；在極端溫度梯度作用下，離縫橫向深度達(dá)到50 cm。

3.2 主要影響因素分析

由于砂漿層現(xiàn)場大面積鋪設(shè)，砂漿層施工質(zhì)量差異較大，導(dǎo)致軌道板和砂漿層界面黏結(jié)強(qiáng)度離散性較大。本文研究不同黏結(jié)強(qiáng)度下，軌道板邊緣開始產(chǎn)生砂漿離縫的臨界溫度梯度，見圖9。

(a)正溫度梯度；(b)負(fù)溫度梯度圖9 砂漿層離縫產(chǎn)生的臨界溫度梯度Fig.9 Critical temperature gradient of mortar gap

由圖9可知，隨著軌道板與砂漿層界面黏結(jié)強(qiáng)度的提高，砂漿層產(chǎn)生離縫的臨界溫度梯度增大，且二者幾乎呈線性變化；相同的黏結(jié)強(qiáng)度條件下，負(fù)溫度梯度作用更容易產(chǎn)生砂漿離縫；當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度為0.02 MPa時(shí)，砂漿離縫產(chǎn)生的臨界正溫度梯度為5.3 ℃，臨界負(fù)溫度梯度為-4.8 ℃。

由此可見，砂漿層的施工質(zhì)量對離縫的產(chǎn)生影響很大，施工質(zhì)量越差，即黏結(jié)強(qiáng)度越低，越容易產(chǎn)生砂漿離縫。

4 軌道板豎向變形分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道長期暴露在自然環(huán)境下，在環(huán)境與列車的反復(fù)作用下，可能出現(xiàn)損傷及劣化?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于板端寬、窄接縫分2階段澆筑，受施工控制精度、收縮差異等因素的影響，部分軌道板存在寬接縫頂緊、窄接縫裂開的情況。

采用剛度折減的方法來模擬軌道板接縫缺陷，取窄接縫剛度折減90%進(jìn)行計(jì)算?？紤]整體升溫20℃和極端正溫度梯度作用，軌道結(jié)構(gòu)無缺陷和有缺陷時(shí)的豎向變形分別見圖10。

軌道結(jié)構(gòu)無缺陷時(shí)，軌道板中間部位的豎向變形較大，沿縱向基本一致，最大豎向變形為0.66 mm?？紤]軌道板接縫缺陷之后，軌道板的豎向變形發(fā)生了較大變化，軌道板板端的豎向變形增大，最大值達(dá)到1.01 mm，此時(shí)，軌道板與砂漿層界面的豎向正應(yīng)力如圖11所示。

單位:mm(a)無缺陷時(shí)軌道豎向變形；(b)有缺陷時(shí)軌道豎向變形圖10 缺陷對軌道結(jié)構(gòu)豎向變形的影響Fig.10 Impact of the defect on vertical deformation of track structure

單位:MPa圖11 軌道結(jié)構(gòu)有缺陷時(shí)界面豎向正應(yīng)力Fig.11 Interface vertical normal stress of track structure with the defect

軌道板接縫位置及縱向一定范圍內(nèi)界面上的豎向拉應(yīng)力超過極限拉應(yīng)力(圖11中灰色區(qū)域)，這些區(qū)域的界面將發(fā)生拉裂破壞，并沿橫向貫通，進(jìn)而導(dǎo)致軌道板板端上拱。

5 結(jié)論

1)軌道結(jié)構(gòu)整體升溫對軌道板與砂漿層界面上的縱向剪應(yīng)力影響較大，溫度越高，界面上的縱向剪應(yīng)力越大，但在正常環(huán)境條件下，界面并不會(huì)發(fā)生縱向剪切破壞。

2)溫度梯度是引起界面豎向拉裂破壞并產(chǎn)生砂漿層界面離縫的主要原因。正負(fù)溫度梯度交替作用下，界面離縫從軌道板邊緣向內(nèi)發(fā)展，極端溫度梯度作用下離縫深度可達(dá)50 cm。

3)隨著界面黏結(jié)強(qiáng)度的提高，產(chǎn)生界面離縫的臨界溫度梯度增大，且二者呈線性關(guān)系；當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度為0.02 MPa時(shí)，砂漿離縫產(chǎn)生的臨界正溫度梯度為5.3 ℃，臨界負(fù)溫度梯度為-4.8 ℃。

4)考慮軌道板板端接縫缺陷后，溫度荷載作用下，軌道板接縫位置及縱向一定范圍內(nèi)界面拉裂破壞，并沿橫向貫通，將導(dǎo)致砂漿離縫及軌道板板端上拱。

建議采取以下技術(shù)措施防止砂漿離縫及軌道板上拱：禁止在溫差較大時(shí)進(jìn)行砂漿的灌注施工；砂漿灌注完成后，應(yīng)盡快完成軌道板的縱連作業(yè)，減少由于溫度荷載引起的板端砂漿黏結(jié)損傷；加強(qiáng)軌道板板端窄接縫施工過程的控制，確保窄接縫灌注質(zhì)量；施工完成之后，對于低溫條件下部分板端出現(xiàn)裂縫較寬的情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)；盡量延長扣壓裝置和精調(diào)千斤頂?shù)牟鸪龝r(shí)間；優(yōu)化砂漿的性能，保證其與軌道板之間可靠的黏結(jié)強(qiáng)度。

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Analysis of gap and deformation of CRTSⅡtrack on bridges under temperature

ZHOU Min1, DAI Gonglian2, YAN Bin2

(1. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

An entity CRTSⅡslab ballastless track structure on simply-supported beam bridges of high-speed railway finite element model (FEM) was established. In this model, the solid finite elements were used to simulate track structure, the contact elements were applied to simulate the contact relationship between adjacent layers, the compression bar elements were used to simulate the bridges and the nonlinear spring elements were applied to simulate the pigeonhole type lateral blocks. The results of finite element and related literature case verified each other. Research shows that: Overall heating has large effect on the longitudinal shearing stress between the interface of track slab and mortar. The stress rises as the temperature increases, but interface longitudinal shear failure will not occur within the normal operating range of the structure. Temperature gradient mainly influences the vertical positive stress of the interface, it can lead to vertical tensile failure and then produce mortar open joint. The open joint appears at the edge of track slab, under the alternate effect of increases and decreases of temperature the open joint progresses along the horizontal depth which could reach as deep as 50 cm. When the bonding strength of the interface is 0.02 MPa, the positive and negative critical temperature gradient is 5.3 ℃and -4.8 ℃respectively for the appearance of mortar open joint. There is a linear relationship between temperature and strength, the critical temperature gradient becomes larger as the bonding strength grows. The fault in seam at the edge of track slabs causes tensile failure of interface in certain longitudinal range near the seam and transfixes along the transverse direction and finally result in mortar seam and upwarp at the end of track slab. Advancing the construction quality of mortar and enhancing the control of seam construction are beneficial to restrain mortar seam and upwarp deformation.

high-speed railway; simply-supported beam; ballastless track;mortar gap; finite element analysis

2016-02-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478483)；高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1334203)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2015G001-G)

閆斌(1984-)，男，河南鄭州人，講師，博士，從事橋上無砟軌道相關(guān)研究；E-mail：binyan@csu.edu.cn

U213

A

1672-7029(2016)12-2341-06