雙塊式無砟軌道軌枕與道床交界面損傷特性分析

馬永磊，霍春陽，陳進杰，王建西，3

（1. 石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043）

1 概述

近年來，高速鐵路在我國得到突飛猛進的發(fā)展，為適應高速度、高密度、高平順性和高穩(wěn)定性的運營要求，高速鐵路采用混凝土代替散體道砟的軌道結(jié)構(gòu)，即為無砟軌道。CRTSⅠ型雙塊式作為無砟軌道主要結(jié)構(gòu)形式之一，在我國得到廣泛應用。在高速鐵路個別地段雙塊式無砟軌道暴露出一些問題：在道床板與軌枕交界處新舊混凝土粘結(jié)性差、易開裂等[1-3]。從材料本質(zhì)上講，雙塊式無砟軌道軌枕與道床板交界面的研究屬于新舊混凝土粘結(jié)問題。許金泉[4]建立了基于力學理論的界面模型，確定了界面力學行為參數(shù)及其分析方法，介紹了復合材料粘結(jié)面的力學特征，新舊混凝土的粘結(jié)本質(zhì)上屬于復合材料的粘結(jié)問題；李澤雷[5]通過界面剪切試驗對比界面鑿毛與界面去皮、界面鋼筋采用焊接U形箍筋和植筋2種情況下界面的抗剪性能；韓菊紅[6]考慮新老混凝土交界面存在初始裂縫，用混凝土斷裂力學理論和試驗方法研究新老混凝土交界面的力學特性，并提出新老混凝土粘結(jié)的工程應用建議；姜浩[7]開展復合試件拉伸及剪切力學性能試驗，探討復合試件破壞模式，并得到軌枕與道床交界面的力學參數(shù)，通過有限元軟件ABAQUS建立內(nèi)聚力模型，對試件進行劈拉和剪切試驗的數(shù)值模擬，通過對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，確定試驗準確性，并證明斷裂能取值的可靠性；邢強[8]設計新老混凝土連接試件，并以混凝土抗拉強度、界面面積、鋼筋面積和屈服強度為參量，根據(jù)所得試驗數(shù)據(jù)提出新老混凝土界面抗剪承載力公式。

以上新老混凝土界面粘結(jié)研究大都是在試驗數(shù)據(jù)基礎上，擬定影響抗剪強度的因素，對于新舊混凝土之間一些基本的剪切強度、抗拉強度力學參數(shù)做出一定試驗研究，對結(jié)果進行統(tǒng)計分析并得出結(jié)論。但對于雙塊式無砟軌道運營階段軌枕與道床板交界面的受力研究相對較少。以大西高鐵為工程背景，針對軌枕與道床交界面在運營階段的受力情況及損傷趨勢進行研究，基于有限元軟件ABAQUS建立內(nèi)聚力模型，用cohesive單元模擬運營期軌枕與道床交界面的受力，分析在運營階段的列車荷載和溫度荷載對軌枕與道床交界面受力狀態(tài)的影響，為高速鐵路維修養(yǎng)護提供理論參考。

2 建立雙塊式無砟軌道有限元模型

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道由上而下依次由鋼軌、彈性扣件、帶桁架鋼筋的雙塊式軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床板、支撐層、路基層組成。建立路基直線段雙塊式無砟軌道模型，總長19.5 m，支撐層沿線路縱向每隔4.55 m設置1條深度為支撐層厚度1/3的橫向預裂縫（見圖1）。

圖1 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道有限元模型

2.1 參數(shù)選取

2.1.1 邊界條件

在雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，假設道床板與支撐層粘結(jié)完好，且在軌道縱向方向設置支撐層和道床板的縱向位移約束，將基礎簡化為地基彈簧。

2.1.2 軌枕與道床交界面層間關(guān)系模擬

假設道床與軌枕交界面光滑，分析結(jié)構(gòu)三維空間面受力時cohesive單元所需關(guān)鍵參數(shù)：界面垂直剛度KⅠ、抗拉強度σmax、斷裂能GⅠ和界面剪切剛度KⅡ及KⅢ、剪切強度τmax、斷裂能GⅡ。具體參數(shù)見表1。

表1 cohesive單元關(guān)鍵參數(shù)及取值

2.1.3 判斷損傷相關(guān)準則

選用二次名義應力準則（Quads Damage）為起始損傷判據(jù)，采用power準則為損傷演化。二次名義應力準則：類似于二次名義應變準則，當3個方向各自的名義應力與破壞應力比的平方和等于1時，損傷開始。當計算結(jié)果CSQUADSCRT數(shù)值達到1時界面單元開始出現(xiàn)剛度退化，當代表剛度退化的數(shù)值（CSDMG）達到0.8～1.0時認為界面單元已經(jīng)完全損傷。

2.2 參考點選取

為分析不同工況下軌枕與道床交界面不同位置的受力情況及破壞趨勢，在交界面上選取A、B、C三個系列點作為關(guān)鍵參考點，反映交界面整體的受力情況。將軌枕與道床短邊交界面作為A系列點，軌枕角交界面點作為B系列點，軌枕與道床交界面長邊作為C系列點（見圖2）。

3 整體降溫對交界面受力情況及損傷趨勢影響分析

雙塊式無砟軌道在1整年的氣溫變化中，會出現(xiàn)整體升溫及降溫情況，針對整體降溫下的作用面受力情況進行分析。軌道降溫前期交界面的CSQUADSCRT云圖、交界面CSDMG云圖見圖3。

圖2 交界面關(guān)鍵分析點

由圖3可知，在整體降溫3.0 ℃作用下，交界面長邊首先為受力不利面，交界面中部位置開始出現(xiàn)交界面剛度退化；軌枕底部交界面在與長邊界面相交的局部CSQUADSCRT值達到0.4左右，因此還未開始產(chǎn)生交界面剛度退化，但長邊為受力不利面。長邊方向受拉應力，最大值為1.96 MPa；2個短邊及底面受壓應力，最大值為0.37 MPa。在降溫7.5 ℃時，長邊界面CSDMG值達到1，說明長邊界面已經(jīng)完全損傷，并有逐漸向軌枕角方向發(fā)展趨勢。軌枕角同時受交界面法向拉應力及面內(nèi)剪切應力共同作用。

降溫30.0 ℃應力云圖及交界點應力曲線見圖4。可見，在整體降溫30.0 ℃作用下，交界面整個長邊CSQUADSCRT值為1，CSDMG值也為1，說明交界面長邊剛度完全退化，損傷已發(fā)展到軌枕角，并向交界面短邊延伸，短邊損傷沿道床深度方向逐漸變小，交界面底部無損傷。交界面長邊C1點應力值隨著降溫荷載的增加，垂向剪切應力幾乎為0，而法向拉應力和橫向剪切應力呈線性增長，在降溫3.0 ℃時達到峰值，最大拉應力為1.96 MPa，最大橫向剪切應力為0.48 MPa。交界面長邊C1點主要在法向拉應力作用下首先出現(xiàn)損傷，隨著溫度的繼續(xù)降低，在降溫為4.5 ℃左右時，法向拉應力和橫向剪切應力值發(fā)生突變，應力突然降到0，主要是因為交界面長邊剛度逐漸退化，長邊損傷導致主要受力區(qū)域轉(zhuǎn)移到軌枕角交界面。降溫8.0 ℃左右時，在法向拉應力和軌道剪切應力共同作用下，傷損逐步擴展到軌枕角界面B處，軌枕角發(fā)生破壞，傷損向交界面短邊A處延伸。當降溫9.0 ℃時，交界面短邊在法向壓應力與剪切應力作用下，界面發(fā)生破壞，降溫持續(xù)到14.0 ℃左右時，A點處剛度完全退化，界面退出工作。

圖4 降溫30.0 ℃應力云圖及交界點應力曲線

4 溫度梯度荷載對交界面受力情況及損傷趨勢影響分析

4.1 正溫度梯度荷載

在露天運營環(huán)境中，軌道板暴露在空氣中，上表面直接接受太陽照射，造成表面溫度高于軌道板底部溫度，致使混凝土軌道板沿厚度方向產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫度應力，使軌道板發(fā)生翹曲[9-10]。

在正溫度梯度荷載作用下，交界面的CSQUADSCRT云圖及應力曲線見圖5。

由圖5可知，軌枕角交界面法向壓應力隨溫度梯度荷載的增加而增加，呈線性上升。剪應力緩慢上升，在正溫度荷載53.0 ℃/m左右達到峰值時，又緩慢減小為0。當溫度荷載達到53.0 ℃/m時，軌枕角上部CSQUADSCRT值達到1，軌枕角交界面上部首先出現(xiàn)損傷，交界面軌枕角受垂直交界面方向的壓應力、軌道橫向及縱向剪切應力，此時橫向剪切應力為3.21 MPa，縱向剪切應力為1.92 MPa，可見交界面軌枕角損傷主要受剪切應力影響。

圖5 正溫度梯度荷載53.0 ℃/m應力云圖及應力曲線

交界面在100.0 ℃/m的正溫度梯度作用下的CSQUADSCRT云圖、交界面CSDMG云圖及應力曲線見圖6。

圖6 正溫度梯度荷載100.0 ℃/m應力云圖及應力曲線

由圖6可知，當正溫度梯度達到100.0 ℃/m時，傷損主要集中在4個軌枕角處及長邊中上部，損傷由軌枕角上部發(fā)展到整個交界面軌枕角，交界面長邊上部區(qū)域雖然有損傷，但還未完全破壞。交界面短邊受整體降溫影響較小，交界面長邊處C系列點和短邊交界面B系列點的法向壓應力隨時間增大而增大，接觸面上的剪切應力沿軌枕厚度方向由上到下依次減小。但交界面長邊沿軌枕厚度方向由上到下壓應力逐漸變小，而短邊交界面B系列點法向壓應力沿軌枕厚度方向由上到下壓應力逐漸變大。交界面長邊C點最大橫向剪切應力為2.93 MPa，最大垂向剪切應力為2.08 MPa。

4.2 負溫度梯度荷載

強冷空氣的侵襲作用及突然降雨降冰雹現(xiàn)象會使環(huán)境溫度迅速下降，在降溫荷載作用下，軌道板表面溫度低于板底溫度，導致軌道板沿厚度方向產(chǎn)生負溫度梯度，從而使軌道板產(chǎn)生溫度應力。在負溫度梯度荷載作用下，交界面的二次應力云圖（CSQUADSCRT）及應力曲線見圖7。

圖7 負溫度梯度荷載應力云圖及應力曲線

由圖7可知，當負溫度梯度荷載達到-16.5 ℃/m時，CSQUADSCRT云圖顯示交界面長邊有首先出現(xiàn)損傷的趨勢。負溫度梯度荷載加載到-17.0 ℃/m時，垂向剪切應力變化幅度較小，幾乎為0。交界面法向拉應力和橫向剪切應力隨荷載增加呈線性增長，法向拉應力增長幅度較大，在荷載-17.0 ℃/m時拉應力達到1.92 MPa，橫向剪切應力達到1.30 MPa，因此可以看出損傷破壞發(fā)生在整個長邊交界面，主要是由于交界面法向拉應力造成的。隨著繼續(xù)加載，當負溫度梯度荷載超過-17.0 ℃/m時，應力值發(fā)生突變，主要是因為長邊損傷導致主要受力區(qū)域轉(zhuǎn)移到軌枕角交界面。負溫度梯度荷載達到-25.0 ℃/m時，軌枕角交界面在交界面法向拉應力及2個方向剪切應力共同作用下出現(xiàn)損傷，主要發(fā)生在軌枕交界面上部，最大拉應力為1.50 MPa，縱向最大剪切應力為1.30 MPa，垂向最大剪切應力為1.60 MPa。隨著荷載的繼續(xù)增加，損傷主要受力區(qū)域轉(zhuǎn)移到短邊，當荷載為-39.5 ℃/m時，短邊交界面主要在軌道縱向剪切應力作用下產(chǎn)生損傷，發(fā)生損傷部位在短邊縱向兩端的上方部位，最大縱向剪切應力為3.20 MPa。

5 列車荷載對交界面受力情況及損傷趨勢影響分析

在列車荷載作用下，交界面CSQUADSCRT云圖及應力曲線見圖8。

由圖8可知，在列車荷載作用下交界面的CSQUADSCRT數(shù)值最大為0.29，遠遠沒有達到界面破壞的條件，因此交界面在列車荷載作用下是安全的。交界面長邊中上部應力圖顯示，其法向壓應力與垂向剪切應力在加載初始階段變化很小，幾乎為0，當荷載達到17 kN左右時，隨著荷載的進一步增大，法向壓應力與垂向剪切應力呈線性增大趨勢，最大壓應力為3.0 MPa，最大垂向剪切應力為1.8 MPa。橫向剪切應力在整個過程中基本為0。從分析結(jié)果來看，靜輪載對交界面影響不大。

6 結(jié)論

利用有限元仿真軟件ABAQUS建立有限元模型，研究運營過程中，整體降溫荷載、正負溫度梯度荷載和列車荷載對道床板與軌枕交界面的力學影響。得到以下結(jié)論：

（1）在整體降溫30.0 ℃作用下，道床板與軌枕交界面長邊首先出現(xiàn)損傷，然后擴展到交界面軌枕角，最后擴展到交界面短邊端部位置。整個交界面長邊和軌枕角完全破壞，交界面短邊端部沿道床深度方向損傷逐漸減小，交界面底部無傷損。

（2）在正溫度梯度作用下，軌枕與道床交界面主要不利受力區(qū)域為4個軌枕角及長邊上部區(qū)域。軌枕角主要在剪切應力和法向壓應力共同作用下發(fā)生損傷破壞；交界面長邊上部主要受法向壓應力及剪切應力共同作用時產(chǎn)生傷損，但沒完全破壞。在負溫度梯度作用下，最先出現(xiàn)受力不利區(qū)域為交界面長邊，整個長邊交界面主要在法向拉應力作用下發(fā)生破壞，并向軌枕角擴展。軌枕角交界面在交界面法向拉應力及2個方向的剪切應力共同作用下出現(xiàn)損傷破壞，主要發(fā)生在軌枕交界面上部。短邊交界面兩端上部產(chǎn)生損傷，但基本沒發(fā)生破壞。

（3）在列車荷載作用下，軌枕與道床板交界面遠沒有達到破壞條件，列車荷載對交界面影響較小。