雙線橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)涂刷反射隔熱涂層影響分析

劉學(xué)毅，楊吉龍，姜恒昌，康維新，楊榮山，李振庭

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都,610031;2.上海鐵路局，上海，200000)

CRTS Ⅱ型板式無砟軌道是一種縱連式軌道結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于京津、京滬、滬昆等高速鐵路線路[1–2]。但近年來，我國部分地區(qū)夏季極端高溫天氣頻發(fā)，特別是華東地區(qū)。軌道板在這種極端持續(xù)高溫作用下，聚集了過大溫度應(yīng)力無法釋放，當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到一定程度時，會造成寬接縫處混凝土擠碎，從而使CRTS Ⅱ型板式無砟軌道產(chǎn)生上拱現(xiàn)象。鐵路路基的溫度穩(wěn)定性好，路基及其上的軌道結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；而大跨橋上縱連板式軌道結(jié)構(gòu)的梁軌相互作用復(fù)雜[3–5]，且橋梁受溫度荷載的影響較大，溫度應(yīng)力為主要控制荷載。因此，CRTS Ⅱ型縱連板式無砟軌道的離縫、上拱病害更容易發(fā)生在橋梁地段[6–7]。目前植筋錨固是解決軌道板上拱的常用方法，但植筋錨固技術(shù)復(fù)雜、費(fèi)用高，并且會在一定程度上破壞軌道原有結(jié)構(gòu)。反射隔熱涂層是一種通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)物表面對太陽光反射能力和降低太陽輻射吸收系數(shù)進(jìn)而達(dá)到改變無砟軌道溫度場和溫度應(yīng)力的新型復(fù)合材料[8–10]。美國、日本、澳大利亞等國家對反射隔熱涂料的研究已取得了令人矚目的成果，但主要集中于軍事、航空及民用建筑節(jié)能[11–14]。反射隔熱涂層在無砟軌道結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用尚無先例；且反射隔熱涂層引起的局部降溫，是否會對橋梁–軌道系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，目前缺乏相關(guān)研究。因此，本文作者基于有限元法，建立橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道模型，對比分析反射隔熱涂層涂刷前后及不同涂刷次序下橋梁–軌道系統(tǒng)的縱向受力特性，對反射隔熱涂層在鐵路雙線橋CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)上的適用性及施工過程提供參考。

1 計算模型及參數(shù)選取

1.1 計算模型

橋上 CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)由上到下分別為鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、連續(xù)底座板、“兩布一膜”滑動層、梁體等，縱向傳力部件有剪力齒槽、臺后路基上的摩擦板及端刺等，這些部件在建模時都考慮在內(nèi)[15–17]。力學(xué)模型如圖1所示，該模型以12跨32 m雙線簡支梁為研究對象，摩擦板長度取50 m，兩側(cè)考慮250 m路基段。建模時將鋼軌、軌道板、連續(xù)底座板、簡支梁體采用桿單元模擬，不考慮垂向荷載?？奂?、CA砂漿、“兩布一膜”滑動層按照實際阻力用非線性彈簧進(jìn)行模擬；剪力齒槽、端刺、墩臺也根據(jù)實際受力特性，采用非線性彈簧進(jìn)行模擬。雙線鐵路橋建模時，不考慮2條軌道結(jié)構(gòu)之間的橫向作用。

1.2 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

參考文獻(xiàn)[1]和[6]，扣件縱向阻力無列車荷載時力和位移曲線如圖2所示，且扣件極限阻力所對應(yīng)的位移為2～3 mm；根據(jù)6.45 m長軌道板的推板試驗，CA砂漿層破壞時，剪力為412 kN，彈塑性臨界點在位移為0.5 mm處；“兩布一膜”滑動層和摩擦板的摩擦因數(shù)分別取0.2和0.7，且摩擦力隨位移的變化規(guī)律與扣件、砂漿等相似，均在位移為 0.5 mm時達(dá)到最大值；剪力齒槽的剛度取 1 000 MN/mm；端刺的剛度取100 MN/mm；路基地段軌道板與下部基礎(chǔ)縱向阻力計算時取每股軌道質(zhì)量乘以摩擦因數(shù) 1作為最大縱向阻力。

1.3 溫度荷載選取

2017年7月份開始，在上海動車段CRTS II型板式無砟軌道路基試驗段對反射隔熱涂層的實際性能進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場測試。圖3所示為軌道板涂刷反射隔熱涂層后的CRTS II型板式無砟軌道路基試驗段，圖4所示為2017–07–20的軌道板和底座板中心位置測試數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明：溫度最高時，軌道板溫度比底座板溫度高約 10℃；涂刷反射隔熱涂層后，軌道板降溫明顯，降低8～10℃；支承層內(nèi)降溫效果不明顯，僅降低3～4℃。

圖1 梁軌相互作用模型Fig.1 Interaction model of beam and rail

圖2 常阻力WJ-7和WJ-8扣件縱向阻力Fig.2 longitudinal resistance of constant resistance wj-7 and wj-8 fasteners

圖3 涂刷反射隔熱涂層的路基試驗段Fig.3 Roadbed test section coated with reflective insulation coating

圖4 2017–07–20 測試結(jié)果Fig.4 Test results of 2017–07–20

受條件限制未能在橋上進(jìn)行相關(guān)試驗，故本文在計算時溫度荷載參考路基上試驗結(jié)果。按最不利情況取溫度荷載[18–19]，即計算縱向力時忽略反射隔熱涂層對底座板的降溫效果：材料參考溫度取 10℃；橋梁升溫30℃；底座板和HGT層升溫30℃；未涂刷情況下軌道板升溫40℃，涂刷情況下軌道板升溫30℃。

2 涂刷反射隔熱涂層對橋梁–軌道系統(tǒng)的影響

橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道系統(tǒng)中，軌道結(jié)構(gòu)和梁體通過滑動層和剪力齒槽共同傳力。在涂刷反射隔熱涂層后，軌道板的局部降溫會改變軌道結(jié)構(gòu)的縱向受力，同時也會對梁體縱向受力產(chǎn)生影響。因此，為研究反射隔熱涂層在橋上CRTS II型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)上的適用性，還需要分析施工過程中軌道板局部降溫對橋梁系統(tǒng)的影響。

為研究反射隔熱涂層對橋梁–軌道系統(tǒng)受力的影響，分析未涂刷、僅在橋上軌道板涂刷和橋上及其兩側(cè)路基軌道板都涂刷3種工況下橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的受力。分析兩側(cè)路基各150 m范圍內(nèi)橋梁–軌道系統(tǒng)的受力情況，計算結(jié)果如圖5所示。計算結(jié)果符號規(guī)定如下：坐標(biāo)原點取在左側(cè)橋臺，即橫坐標(biāo)0～384 m對應(yīng)12跨梁的位置；縱坐標(biāo)代表各結(jié)構(gòu)在溫度荷載下的伸縮力或附加伸縮力，拉為正，壓為負(fù)。

由圖5(a)可知：未涂刷和橋上及其兩側(cè)路基軌道板涂刷反射隔熱涂層時，鋼軌附加伸縮力基本接近于0 kN；僅橋上軌道板涂刷反射隔熱涂層時，鋼軌附加伸縮力有70.6 kN的變化；說明反射隔熱涂層的涂刷對鋼軌受力影響不大。由圖5(b)可知：橋上及其兩側(cè)路基軌道板涂刷反射隔熱涂層時，軌道板的伸縮壓力減小幅度最大，此時，軌道板的最大伸縮壓力由未涂刷時的7 254.9 kN減小為5 444.4 kN，即軌道板的壓應(yīng)力由14.23 MPa減小為10.7 MPa，減少了3.53 MPa，這說明涂刷反射隔熱涂層后，可以有效減小持續(xù)高溫情況下軌道板的伸縮壓力。僅橋上軌道板涂刷反射隔熱涂層時，橋上軌道板伸縮壓力的減小幅度依然明顯，但略小于路、橋軌道板都涂刷反射隔熱涂層的情況，而其他沒有涂刷反射隔熱涂層位置軌道板的伸縮壓力變化幅度不大。由圖5(c)可知：未涂刷和橋上及其兩側(cè)路基軌道板涂刷反射隔熱涂層時，底座板的伸縮壓力基本一致，最大伸縮壓力均為5 783.1 kN；僅橋上軌道板涂刷反射隔熱涂層時，橋上底座板伸縮壓力約增加200 kN，即涂刷反射隔熱涂層位置底座板的壓應(yīng)力約增加0.36 MPa；摩擦板范圍內(nèi)底座板伸縮壓力有所減小。圖5(c)中，伸縮力的突變發(fā)生在端刺處，主要是由于底座板和HGT層的彈模差異造成的，HGT層的彈模約是底座板彈模的1/5，所以，HGT層的伸縮壓力約是底座板伸縮壓力的 1/5。由圖5(c)可知：涂刷反射隔熱涂層前后，HGT層的伸縮壓力基本不變?？傮w說明涂刷反射隔熱涂層對 HGT支承層和底座板的受力影響較小。由圖5(d)可知：未涂刷、僅在橋上軌道板涂刷和橋上及其兩側(cè)路基軌道板涂刷3種情況下，梁體伸縮力變化趨勢基本一致，其最大伸縮壓力分別為246.7，250.2和246.7 kN，說明涂刷反射隔熱涂層對梁體伸縮力的影響可以忽略。

圖5 不同工況下橋梁–軌道系統(tǒng)伸縮力Fig.5 Contractility of bridge–rail system under different working conditions

綜上可以得出：涂刷反射隔熱涂層可以有效降低持續(xù)高溫情況下軌道板的溫度壓應(yīng)力，減小軌道板上拱風(fēng)險；涂刷反射隔熱涂層對底座板和鋼軌受力的影響較??；全橋涂刷反射隔熱涂層對梁軌相互作用的影響可以忽略。

3 不同施工過程對橋梁-軌道系統(tǒng)的影響

由于反射隔熱涂層涂刷工序相對復(fù)雜，加上人力、物力、場地等資源的限制，反射隔熱涂層在雙線鐵路橋CRTS II型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)上的施工并不能一次性完成，就需要分析施工工況對橋上CRTS II型板式無砟軌道各結(jié)構(gòu)受力的影響。

根據(jù)路基試驗段反射隔熱涂層的施工情況，在配備相應(yīng)器具情況下，1個技術(shù)熟練的10人小隊從軌道板表面粗清理、精細(xì)清潔到鋼軌和扣件防護(hù)，再到涂料攪拌和反射隔熱涂層涂刷完畢，天窗時間內(nèi)預(yù)計能涂刷10塊軌道板，即兩跨32 m梁橋上的軌道板?；诖饲闆r，建模計算時的具體施工工況劃分見表1。

3.1 梁體受力分析

表2所示為不同工況下梁體最大伸縮壓力。由表2可知：不同工況下梁體最大伸縮壓力相差較小，說明涂刷反射隔熱涂層并不會對梁體受力產(chǎn)生太大影響，因此，采取哪種涂刷工況，只需對比分析其他軌道結(jié)構(gòu)的受力情況即可。

表1 反射隔熱涂層施工工況Table 1 Construction conditions of reflective insulation coating

表2 不同工況下梁體最大伸縮壓力Table 2 Maximum contractility of beam body under different construction conditions

3.2 鋼軌受力分析

表3所示為不同工況下鋼軌最大附加伸縮力。由表3可知：不同工況下鋼軌附加伸縮力都比較小，說明涂刷反射隔熱涂層對鋼軌受力的影響不大。

表3 不同工況下鋼軌最大附加伸縮力(取絕對值)Table 3 Absolute value of maximum additional contractility of rail under different construction conditions

3.3 軌道板受力分析

3.3.1 單線上不同涂刷位置及涂刷長度對本線的影響

圖6所示為工況I和II各左線軌道板伸縮力。由圖6(a)可知：涂刷反射隔熱涂層軌道板的伸縮壓力明顯小于不涂刷軌道板的伸縮壓力。由工況I-1和I-3、工況I-2和I-4、工況I-5和I-6這3組對比工況可以得出：單線上反射隔熱涂層涂刷位置不同時，軌道板伸縮力的最大值與最小值一樣，且軌道板伸縮壓力的減小幅度也一樣，說明從橋中間位置還是從橋的一側(cè)開始涂刷反射隔熱涂層，對軌道板伸縮力的影響沒有太大區(qū)別。由工況I-1，I-2和I-3及工況I-4，I-5和I-6這2組對比工況可以得出：反射隔熱涂層涂刷范圍越長，軌道板伸縮壓力越小。由圖6可知：同一條線上未涂刷涂層的軌道板也會受到涂刷涂層軌道板的影響，且距離涂刷反射隔熱涂層近的軌道板伸縮壓力降低明顯，降低約400 kN；距離約120 m時，軌道板伸縮壓力基本不變，降低效果減弱。

圖6 工況I和II各左線軌道板伸縮力Fig.6 Contractility of left track plates in construction condition I and II

3.3.2 單線上不同涂刷位置及涂刷長度對鄰線的影響

圖7所示為工況I各右線軌道板伸縮力。由圖7可知：工況I各右線軌道板并沒有涂刷反射隔熱涂層，但右線軌道板伸縮力的變化趨勢卻不一樣，說明單線上軌道板的不同涂刷位置及涂刷長度會影響鄰線軌道板的受力。工況I各右線軌道板伸縮力的變化趨勢與左線相反，即涂刷反射隔熱涂層位置所對應(yīng)鄰線軌道板的伸縮力會變大；由工況I-1，I-2和I-3及工況I-4，I-5和I-6這2組對比工況可以得出：單線涂刷長度越長，鄰線軌道板的最大伸縮壓力增加越多；未涂刷時，軌道板的最大伸縮壓力為 7 254.9 kN，工況 I下各右線軌道板的最大伸縮壓力分別為7 352.6，7 411.3，7 420.7，7 348.9，7 408.8和7 418.5 kN，軌道板伸縮壓力最大增加了165.8 kN，說明單線涂刷情況下，鄰線軌道板的最大伸縮壓力會增大，但增加有限，相比涂刷反射隔熱涂層處軌道板伸縮壓力的減小幅度，可以忽略這種影響。

圖7 工況I各右線軌道板伸縮力Fig.7 Contractility of right track plates in construction condition I

3.3.3 單線涂刷與雙線涂刷對軌道板受力的影響

表4所示為不同工況橋上軌道最大伸縮壓力。由表4可以得出：雙線涂刷時軌道板的最大伸縮壓力要比單線涂刷時的小。

綜上可以得出：反射隔熱涂層施工時，既可以從橋中間位置開始施工，也可以從橋一側(cè)開始施工；軌道板涂刷范圍越長，軌道板受力越有利；雙線同時涂刷，軌道板受力越有利。

3.4 底座板受力分析

3.4.1 單線上不同涂刷位置及涂刷長度對本線的影響

圖8所示為不同工況下底座板的伸縮力。由圖8(a)和8(b)可以看出：涂刷反射隔熱涂層位置底座板的伸縮壓力明顯大于其他位置底座板的伸縮壓力；未涂刷時，底座板的最大伸縮壓力為5 783.1 kN，工況I中6種子工況下底座板的最大伸縮壓力為6 116.8 kN，增加約333.7 kN，但依然小于涂刷反射隔熱涂層后軌道板伸縮壓力的減小幅度。由工況I中6種子工況與III-1工況對比可知：全線涂刷時，底座板受力更均勻。由圖8(c)和8(d)可得出相同結(jié)論。

表4 不同工況橋上軌道板最大伸縮壓力Table 4 Maximum contractility of track plates under different construction conditions

3.4.2 單線上不同涂刷位置及涂刷長度對鄰線的影響

圖9所示為不同工況下右線底座板伸縮力。將圖9(a)和9(b)與圖8(a)和8(b)對比可以發(fā)現(xiàn)：工況I各子工況左、右線底座板伸縮力的變化趨勢相近。說明涂刷反射隔熱涂層對應(yīng)位置的鄰線底座板伸縮壓力大于未涂刷反射隔熱涂層對應(yīng)位置鄰線底座板的伸縮壓力；由工況I中6種子工況與III-1工況對比可知：全線涂刷時，鄰線底座板所受的伸縮壓力更均勻。

3.4.3 單線涂刷與雙線涂刷對底座板受力的影響

表5所示為不同工況下橋上底座板最大伸縮壓力。由表5可以得出：雙線涂刷時，涂刷反射隔熱涂層處底座板伸縮壓力比單線涂刷時的大，比單線涂刷時增加約為200 kN。

綜上可以得出：涂刷反射隔熱涂層處底座板伸縮壓力會增大，涂刷位置所對應(yīng)鄰線底座板的伸縮壓力也會增大，且雙線涂刷時底座板伸縮壓力增加最多；但底座板伸縮壓力增加200～400 kN，遠(yuǎn)小于軌道板伸縮壓力的減小幅度。全線涂刷時，底座板受力更均勻。

圖8 不同工況下左線底座板的伸縮力Fig.8 Contractility of left track plates in different construction conditions

圖9 不同工況下右線底座板伸縮力Fig.9 Contractility of right track plates in different construction conditions

表5 不同工況下橋上底座板最大伸縮壓力Table 5 Maximum contractility of bridge base plates under different construction conditions

4 結(jié)論

1)涂刷反射隔熱涂層可以有效降低持續(xù)高溫情況下軌道板的溫度壓應(yīng)力，減小軌道板上拱風(fēng)險；涂刷反射隔熱涂層對底座板和鋼軌受力的影響較小；涂刷反射隔熱涂層對梁軌相互作用的影響可以忽略。

2)雙線橋上不同涂刷工況對梁體和鋼軌的影響不大；在不同涂刷工況下，底座板伸縮壓力均會增大，增加200～400 kN，但遠(yuǎn)小于軌道板伸縮壓力的減小幅度。因此，涂刷反射隔熱涂層時，應(yīng)優(yōu)先考慮軌道板受力情況。

3)反射隔熱涂層施工時，既可以選擇從橋中間位置開始涂刷，也可以選擇從橋一側(cè)位置開始涂刷。軌道板涂刷范圍越長，軌道板受力越有利；雙線同時涂刷，軌道板受力更有利。