溫升荷載下寬窄接縫傷損對軌道板垂向穩(wěn)定性的影響研究

趙春光,肖杰靈,邸銀橋,劉笑凱,劉學(xué)毅

(1.中鐵四院集團新型軌道交通設(shè)計研究院有限公司,江蘇蘇州 215000； 2.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)

無砟軌道具有高平順性、高可靠性和少維修性等優(yōu)點，是高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)型式之一。其中，Ⅱ型板以縱連結(jié)構(gòu)、定位精度高、均勻連續(xù)等特點被廣泛應(yīng)用于京津城際、京滬高鐵等線路[1-3]。近年來，因高溫氣候?qū)е萝壍腊鍦厣冗^大，使軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生巨大的縱向溫度壓力，產(chǎn)生了軌道板上拱、寬窄接縫破損和砂漿層離縫等系列病害[4-8]，嚴重影響結(jié)構(gòu)服役壽命和高鐵運營安全，引起鐵路工作者密切關(guān)注。圖1所示為寬窄接縫處典型傷損狀態(tài)。

圖1 Ⅱ型板寬窄接縫處的典型損傷

寬窄接縫破損或者砂漿層產(chǎn)生離縫后，軌道結(jié)構(gòu)的剛度、受力和約束條件均會發(fā)生變化，成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，溫升引起的壓力能將向此處集中，影響軌道板的垂向穩(wěn)定性。關(guān)于Ⅱ型板的傷損和穩(wěn)定性問題，學(xué)者們已進行了大量的研究，如曾毅和楊俊斌等[9，10]對道床板的高溫穩(wěn)定性問題進行了研究，認為在自然環(huán)境溫度下因溫度壓力導(dǎo)致道床板垂向失穩(wěn)的可能性極??；張豐華等[11]運用有限元法研究了Ⅱ型板底座板屈曲問題，研究表明底座板在單線制動情況下仍有發(fā)生屈曲變形的危險；譚社會[12]利用有限元方法分析了植筋錨固和注膠對軌道板離縫上拱的整治效果，提出了Ⅱ型板離縫上拱病害整治的優(yōu)化及預(yù)防措施，為無砟軌道結(jié)構(gòu)病害的養(yǎng)護維修提供參考；高睿[13]研究了植筋錨固措施對軌道板上拱前后軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，研究表明橋上Ⅱ型板進行植筋錨固均對各結(jié)構(gòu)的制動力影響顯著；高亮等[14]建立了溫度荷載作用下Ⅱ型板寬窄接縫在不同破損程度時的無縫線路模型，研究表明寬窄接縫破損后砂漿與軌道板將產(chǎn)生脫連，為寬窄接縫的養(yǎng)護維修提出了參考意見。綜上，目前對Ⅱ型板的研究主要是針對軌道結(jié)構(gòu)的受力以及傷損后的修復(fù)措施，而寬窄接縫出現(xiàn)不同傷損對軌道板垂向穩(wěn)定性影響研究較少，下面將針對常見的寬窄接縫損傷形式，研究寬窄接縫損傷對軌道板垂向穩(wěn)定性的影響。

1 力學(xué)模型

在Ⅱ型板結(jié)構(gòu)中，相鄰的兩塊軌道板之間設(shè)置了寬窄接縫，如圖2所示。其中寬縫寬度為210 mm，窄縫寬度為50 mm。寬窄接縫處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，每個寬接縫處均設(shè)有6個張拉鎖件，用連接軌道板之間的6根縱向筋，使軌道板之間形成縱連。

圖2 寬窄接縫

根據(jù)Ⅱ型板的結(jié)構(gòu)特點，基于有限元軟件ABAQUS，建立了軌道板垂向穩(wěn)定性分析的力學(xué)模型，如圖3所示?？紤]到軌道板上拱時一般伴隨著板下層間脫連，故不考慮軌道板與砂漿層的粘結(jié)行為，處理為板下垂向受壓支承。軌道板兩端、底座板兩端及底座板底面采用固定約束，不考慮底座板變形的影響。不考慮軌道結(jié)構(gòu)橫向差異、橫向非均勻受力及寬窄接縫處張拉鎖件等影響，軌道板和底座板均采用2D平面應(yīng)力單元模擬。為消除邊界效應(yīng)，共建立4塊軌道板長度(26 m)的模型，且只考慮1處寬窄接縫的損傷。

圖3 軌道板的力學(xué)模型(單位：m)

主要計算參數(shù)如表1所示[15-17]。

表1 主要計算參數(shù)

2 計算分析

2.1 寬窄接縫彈性模量對軌道板垂向穩(wěn)定性的影響

2.1.1 寬窄接縫彈性模量對穩(wěn)定性的影響

寬窄接縫為現(xiàn)場鎖定、灌注的結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，尺寸維度差異大，養(yǎng)護困難，質(zhì)量難以控制，特別是決定接縫物理力學(xué)性能的彈性模量波動較大，影響著軌道板的垂向穩(wěn)定性。為此，定義d為寬窄接縫與軌道板的混凝土彈性模量之比，分別計算d值不同時軌道板的最大上拱位移，如圖4所示。由圖4可知，隨著寬窄接縫彈性模量的降低，d值減小，軌道板的垂向上拱位移逐漸增大；當(dāng)0.5≥d≥0.1時，隨著d的減小，軌道板的最大垂向上拱位移差別不大，軌道板整體溫升為50 ℃，最大垂向位移約為0.3 mm；當(dāng)d=0.01時，軌道板的最大垂向上拱位移有較為明顯的降低，這是因?qū)捳涌p處材料彈性模量過低，使溫度壓力得到釋放所致，亦表明較低的寬窄接縫彈性模量有利于高溫時板內(nèi)溫度應(yīng)力的調(diào)整，緩解可能引起的垂向上拱問題。

圖4 軌道板最大上拱值隨整體溫升的變化

軌道板上下表面的最大應(yīng)力分別如圖5(a)和圖5(b)所示。從圖5可以看出，對于d的不同取值，軌道板的最大應(yīng)力值均不會超過其強度，但可能會超過砂漿的抗壓強度，導(dǎo)致寬窄接縫的破壞，這里不做深入探討。

圖5 軌道板應(yīng)力

2.1.2 窄接縫彈性模量對穩(wěn)定性的影響

窄接縫由于存在張拉鎖件等結(jié)構(gòu)，施工空間狹窄，不易振搗密實，使其孔隙率較大，混凝土難以達到彈性模量的設(shè)計值。窄接縫彈性模量下降后，軌道板沿垂向?qū)a(chǎn)生偏心受壓，產(chǎn)生附加彎矩，二階效應(yīng)明顯增大[18-19]。運營過程中，寬窄接縫將受服役時間和復(fù)雜運營環(huán)境影響，出現(xiàn)不同程度的傷損、劣化。寬窄接縫的施工質(zhì)量及經(jīng)時劣化行為均可視為材料傷損，力學(xué)表現(xiàn)為彈性模量的下降，其程度可用部件間的彈性模量比表述。

定義e為窄接縫的彈性模量與寬接縫彈性模量之比，且取寬接縫彈性模量與軌道板相同，分別計算e取不同值時，軌道板在不同溫升下的最大垂向位移。圖6為軌道板在整體溫升荷載下的垂向位移云圖。軌道板的最大垂向位移出現(xiàn)在有傷損的寬窄接縫(板中)處。

圖6 軌道板的位移云圖

經(jīng)實測，無砟軌道在夏季內(nèi)部的最高溫度約為50 ℃[20]。設(shè)軌道板的最大溫升為50 ℃，e取不同值時軌道板的上拱波形如圖7所示。由圖7可知，窄接縫最先傷損破壞，隨之軌道板出現(xiàn)尖角狀波形；e越小，窄接縫傷損程度越高，尖角變形越明顯，上拱越嚴重；上拱波長也隨之增長。若窄接縫質(zhì)量極差，極端情況下可視為e=0，此時軌道板最大上拱位移達5.61 mm，上拱波長約為6.5 m。若窄接縫與軌道板彈模相當(dāng)，則e=1，寬窄接縫不易傷損，此時軌道板上拱波形的周期為相鄰的兩個假縫間距，在假縫處形成向下的尖角，且在兩塊板交接處(寬窄接縫處)位移較大。

圖7 軌道板上拱波形

不同e值條件下軌道板最大上拱位移隨整體溫升的變化如圖8所示。隨著整體溫升的增加，軌道板的最大上拱位移逐漸增大，e越小，增加速度越快，軌道板的穩(wěn)定性越低。當(dāng)e取值小于0.1時，軌道板的垂向位移均較大，需重點監(jiān)控。

圖8 軌道板最大上拱值隨整體溫升的變化

軌道板上、下表面的最大應(yīng)力隨溫升變化如圖9所示。圖9(a)表明，隨著e的減小，軌道板上表面的應(yīng)力狀態(tài)由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾⒆罱K超過混凝土的受拉強度。由圖9(b)可知，隨著e的減小，軌道板下表面的壓應(yīng)力值則有所增大，最終超過混凝土的抗壓強度。

圖9 軌道板應(yīng)力

根據(jù)混凝土的強度要求，可以得到e取不同值時，軌道板的允許溫升如表2所示。隨著e的減小，軌道板允許溫升逐漸減小；當(dāng)e≥0.5時，軌道板整體溫升50 ℃均不會出現(xiàn)混凝土強度失效；當(dāng)e由0.1降至0.01時，允許溫升由35.89 ℃降至6.73 ℃，降幅達到81.25%；當(dāng)e=0時(窄接縫完全損傷)，軌道板溫升4.20 ℃即會發(fā)生上拱。

表2 不同e值時的允許溫升值

由以上分析可以得出，窄接縫自身彈性模量降低比寬窄接縫整體彈性模量降低更加不利，因此施工過程中，滿足寬窄接縫強度要求后，應(yīng)保證寬接縫與窄接縫的彈性模量接近一致，以減小因偏心帶來的軌道板受力不合理。

2.2 窄接縫破損高度對穩(wěn)定性的影響

現(xiàn)場表明，混凝土破損是一種常見的寬窄接縫傷損形式。當(dāng)窄接縫出現(xiàn)破碎和裂紋后，危及結(jié)構(gòu)的垂向穩(wěn)定性和列車運行安全。

窄接縫破碎的高度是衡量其碎裂程度的一種近似方法，定義h為窄接縫由下至上的損傷高度，探究h取不同值時軌道板的上拱波形，如圖10所示。窄接縫傷損后，軌道板會出現(xiàn)折角上拱；h越大折角越明顯，上拱值越大；當(dāng)h由7 cm增至10 cm時，軌道板上拱波長由4 m增大到6.6 m，增幅達65%。

圖10 軌道板上拱波形

h不同時，軌道板在不同溫升荷載下的最大垂向位移如圖11所示。隨著h的增大，軌道板的最大垂向位移逐漸增大，h≤7 cm時，溫升50 ℃軌道板最大垂向位移均小于1.5 mm。當(dāng)h=10 cm時，窄接縫完全破壞，軌道板的垂向位移迅速增大，溫升50 ℃時為5.5 mm，這與窄接縫彈性模量降至最低水平時的計算結(jié)果一致。

圖11 軌道板最大上拱值隨整體溫升的變化

軌道板上下表面的最大應(yīng)力分別如圖12(a)和圖12(b)所示。軌道板的上下表面應(yīng)力隨溫升呈線性變化。隨著h的增大，軌道板上表面應(yīng)力由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，并最終超過混凝土允許抗拉強度，導(dǎo)致板頂面開裂；軌道板下表面一直處在受壓狀態(tài)，并隨著h逐漸增大，最終超過混凝土允許抗壓強度，導(dǎo)致板底受壓破碎。

圖12 軌道板應(yīng)力

若寬窄接縫混凝土強度等級取C40，可以得到不同h值時軌道板的允許溫升，如表3所示。隨著h的增大，軌道板允許溫升逐漸減小，當(dāng)h≤1 cm時，軌道板在最大溫升50 ℃時不會出現(xiàn)混凝土強度失效；當(dāng)h分別為5、7 cm和10 cm時，軌道板允許溫升分別為28.02、20.75 ℃和4.20 ℃，寬窄接縫極易發(fā)生強度失效。

表3 不同h值時的允許溫升值

2.3 寬窄接縫界面損傷的影響

寬窄接縫界面也是常見軌道傷損位置之一(見圖1(a))。寬窄接縫界面?zhèn)麚p后，軌道板最大垂向位移隨整體溫升的變化如圖13所示。從圖13可以看出，寬窄接縫界面完好與傷損時的計算結(jié)果接近，這表明界面?zhèn)麚p對軌道板穩(wěn)定性影響較小。

圖13 軌道板最大上拱值隨整體溫升的變化

3 結(jié)論

(1)寬窄接縫整體彈性模量不足時，溫度應(yīng)力釋放均勻、軌道板縱向受力不存在明顯的偏心效果，在寬窄接縫強度滿足的前提下，有利于軌道結(jié)構(gòu)垂向穩(wěn)定。

(2)在溫升荷載作用下，窄接縫彈性模量降低將導(dǎo)致溫度應(yīng)力出現(xiàn)偏心作用，軌道結(jié)構(gòu)上拱，存在失穩(wěn)風(fēng)險，特別是當(dāng)其與軌道板彈性模量比由0.1降至0.01時，允許溫升由35.89 ℃降至6.73 ℃，降幅達81.25%。

(3)溫升荷載下，隨著窄接縫損傷高度的增長，軌道板寬窄接縫處出現(xiàn)帶折角的上拱波形；傷損高度越高，上拱位移越大，軌道板也越容易發(fā)生破壞；特別是損傷高度大于5 cm時，允許升溫指僅為28.02 ℃。

(4)溫升荷載下，寬、窄接縫交界面損傷對軌道板的垂向穩(wěn)定性影響較小。