CRTSⅢ型無砟軌道寬接縫裂縫及修補(bǔ)材料性能分析

黃慧超，徐 坤，任娟娟

(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)

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國研究開發(fā)的一種新型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，吸收了CRTSⅠ，CRTSⅡ型板式無砟軌道以及雙塊式無砟軌道的優(yōu)點，具有良好的受力性能、經(jīng)濟(jì)性、施工性、可維修性及耐久性。CRTSⅢ型無砟軌道包括單元板式和縱連板式無砟軌道兩種主要類型。路基地段通常采用施工較為方便、整體性較高的縱連板式無砟軌道。

CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道從上往下由鋼軌、扣件、軌道板(帶承軌槽)、自密實混凝土層、支承層及板間連接系統(tǒng)等組成［1-3］。兩塊無砟軌道板間的空隙為寬接縫。為放散縱連軌道板的溫度應(yīng)力并保護(hù)無砟軌道板間預(yù)應(yīng)力鋼筋，寬接縫處澆筑彈性材料——樹脂砂漿。在外界荷載作用下(主要是溫度荷載)，板間樹脂砂漿應(yīng)力超過抗拉極限后會產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)寬接縫處出現(xiàn)開裂后，如果不進(jìn)行及時修補(bǔ)，樹脂砂漿表面裂縫將不斷擴(kuò)大，雨水進(jìn)入后可使板間預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕，從而降低無砟軌道的耐久性［4-5］，因此必須對寬接縫處樹脂砂漿表面裂紋采取修補(bǔ)措施。目前使用的砂漿裂縫修補(bǔ)材料為環(huán)氧樹脂，其特點為材料強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、收縮小，可在常規(guī)室溫下固化;其缺點是黏度高，當(dāng)配方不當(dāng)時脆性大［6-9］。

本文通過建立含樹脂砂漿表面裂縫及修補(bǔ)材料的ABAQUS有限元分析模型，分析了裂縫深度一定的條件下，開裂樹脂砂漿、縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋以及修補(bǔ)材料在溫度荷載作用下所受的縱向應(yīng)力，可為裂紋的修補(bǔ)提供參考。

1 模型建立及參數(shù)選取

依據(jù)彈性地基梁體有限元理論，通過ABAQUS有限元軟件建立含預(yù)應(yīng)力鋼筋的CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道實體模型。鋼軌、預(yù)應(yīng)力鋼筋采用梁單元模擬，軌道板、水硬性支承層、自密實混凝土層、板間樹脂砂漿以及修復(fù)材料均采用實體單元模擬;鋼軌與軌枕之間的扣件連接采用線性彈簧單元來模擬。計算時取3個單元板長度，其中一個板間樹脂砂漿上表面中央產(chǎn)生橫向裂縫，裂縫中填充修補(bǔ)材料。水硬性支承層底面施加垂向彈性地基約束，并施加縱、橫向位移約束;支撐層兩端施加縱、橫向的位移及轉(zhuǎn)角約束;鋼軌兩端施加三向位移及轉(zhuǎn)角約束;預(yù)應(yīng)力鋼筋兩端施加固定約束，其與整個軌道結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置區(qū)域連接，并通過降溫處理模擬施加預(yù)應(yīng)力。模型中軌道板與自密實混凝土層間，自密實混凝土與水硬性支撐層間，軌道板、自密實混凝土、水硬性支撐層與板間樹脂砂漿間，板間樹脂砂漿與修復(fù)材料間接觸全采用粘結(jié)命令進(jìn)行粘結(jié)。

本文以路基上CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析。板間樹脂砂漿裂縫如圖1所示。

圖1 板間樹脂砂漿裂縫示意

計算模型的主要參數(shù)包括:鋼軌斷面采用CHN60軌;扣件垂向剛度取為70 kN/mm，扣件縱向間距取為0.65 m;軌道板彈性模量取為3.65×104MPa，長度×厚度×寬度=5.40 m×0.19 m×2.50 m;自密實混凝土彈性模量取為3.4×104MPa，長度×厚度×寬度=5.4 m×0.1 m×3.0 m;板間樹脂砂漿彈性模量取為300 MPa，厚度×寬度=0.29 m×2.50 m;水硬性支承層彈性模量取為1.8×104MPa，厚度×寬度=0.24 m×3.00 m;路基基床面剛度120 MPa/m;縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉應(yīng)力為122 kN。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 計算工況

荷載采用將軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃。維修材料彈性模量分別選取為 200，700，1 000，3 000，5 000，7 000，10 000 MPa，裂縫深度取為0.1 m，恰使裂縫超過上層預(yù)應(yīng)力鋼筋。裂縫寬度分別取為0.2，0.3，1.0，2.0和3.0 mm。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 板間樹脂砂漿受力分析

為排除預(yù)應(yīng)力鋼筋作用所造成的應(yīng)力集中影響，選取樹脂砂漿、修補(bǔ)材料上表面中心位置分析其受力情況。

通過計算分析得到，遠(yuǎn)端未開裂板間樹脂砂漿上表面中心在裂縫未填充修補(bǔ)材料時，砂漿所受縱向拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.29 MPa左右，裂縫填充修補(bǔ)材料后，未開裂樹脂砂漿所受縱向拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.31 MPa左右，修補(bǔ)材料彈性模量、裂縫寬度和裂縫是否修補(bǔ)均對未開裂板間樹脂砂漿影響較小。

下面詳細(xì)分析開裂的板件樹脂砂漿受到的影響。圖2表示軌道整體降溫50℃時，板間裂縫寬度、修補(bǔ)材料的彈性模量對開裂樹脂砂漿受力的影響。

由圖2(a)可知，在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時，各個裂縫寬度條件下，隨著修補(bǔ)材料的彈性模量增大，開裂的板間樹脂砂漿上表面中心的縱向拉應(yīng)力逐漸增大，并且裂紋寬度較小時樹脂砂漿所受的縱向拉應(yīng)力增大速率小于裂紋寬度較大時。

由圖2(b)可知，在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時，修補(bǔ)材料彈性模量不同的條件下，開裂的板間樹脂砂漿上表面中心均受到縱向拉應(yīng)力，并且拉應(yīng)力隨著裂縫寬度的逐漸增大先增大后減小。從圖中可以清晰地看出當(dāng)樹脂砂漿出現(xiàn)裂縫，未填充修補(bǔ)材料時，板間樹脂砂漿上表面中心受到的縱向拉應(yīng)力約為1.44 MPa，遠(yuǎn)大于裂縫修補(bǔ)后樹脂砂漿的受力，此時，裂縫更容易擴(kuò)展，因此當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度時，需要盡快修復(fù)，否則將使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，降低整個軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時開裂樹脂砂漿縱向應(yīng)力變化情況

2.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋受力分析

CRTS Ⅲ型縱連板式無砟軌道縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋分為2層，共16根。本文通過降溫處理模擬施加鋼筋預(yù)應(yīng)力。為了方便分析，選取受力變化最劇烈的鋼筋，即位于開裂區(qū)、靠板結(jié)構(gòu)中心的預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行分析。

通過計算分析得到:位于未開裂樹脂砂漿處預(yù)應(yīng)力鋼筋的受力不受裂縫寬度以及是否修補(bǔ)的影響，其應(yīng)力值穩(wěn)定在509 MPa左右。而開裂處預(yù)應(yīng)力鋼筋受到的縱向力隨裂縫寬度以及是否修補(bǔ)有一定的變化。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時預(yù)應(yīng)力鋼筋縱向應(yīng)力隨裂紋寬度的變化情況

如圖3所示，在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時，開裂處預(yù)應(yīng)力鋼筋在樹脂砂漿裂縫未修補(bǔ)時，其縱向拉應(yīng)力值緩慢減小;當(dāng)預(yù)應(yīng)力砂漿修補(bǔ)后，鋼筋所受縱向拉應(yīng)力小于未修補(bǔ)時應(yīng)力，除在裂縫寬度為2 mm處明顯增大，其余位置基本保持不變。由此可以看出預(yù)應(yīng)力鋼筋受到裂紋是否修補(bǔ)影響較大，而修補(bǔ)材料彈性模量的變化對預(yù)應(yīng)力鋼筋影響相對較小。

2.2.3 修補(bǔ)材料受力分析

圖4表示軌道整體降溫50℃時板間裂縫寬度和修補(bǔ)材料的彈性模量對修復(fù)材料受力的影響。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時修補(bǔ)材料縱向應(yīng)力變化情況

由圖4(a)可知，在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時各個裂縫寬度條件下，隨著修補(bǔ)材料的彈性模量增大，修補(bǔ)材料上表面中心的縱向拉應(yīng)力逐漸減小直至出現(xiàn)縱向壓應(yīng)力，且縱向壓應(yīng)力逐漸增加。裂縫寬度較大時修補(bǔ)材料的縱向壓應(yīng)力增速明顯小于裂縫寬度較小時。

由圖4(b)可知，在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃、修復(fù)材料的彈性模量≤1 000 MPa時，修復(fù)材料上表面中心受到縱向拉應(yīng)力，并且縱向拉應(yīng)力隨著裂縫寬度增大而減小，并且彈性模量越大，材料所受縱向拉應(yīng)力減小速度越快。當(dāng)修復(fù)材料彈性模量＞1 000 MPa時，修復(fù)材料上表面中心受到縱向壓應(yīng)力，其縱向壓應(yīng)力先隨著裂縫寬度增大而增大，之后又隨著裂縫寬度的增大而減小。

3 結(jié)論

本文建立了路基上CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道有限元計算模型，對寬接縫處樹脂砂漿表面裂紋存在時在溫度荷載作用下樹脂砂漿、預(yù)應(yīng)力鋼筋以及修補(bǔ)材料的受力予以分析。主要結(jié)論如下:

1)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時，修補(bǔ)材料彈性模量、裂縫寬度和裂縫是否修補(bǔ)均對未開裂板間樹脂砂漿影響較小;開裂板間樹脂砂漿縱向拉應(yīng)力隨修補(bǔ)材料的彈性模量增大而增大，隨著裂縫寬度的增大先增大后減小。

2)當(dāng)樹脂砂漿出現(xiàn)裂縫未進(jìn)行修補(bǔ)時，板間樹脂砂漿受到的縱向拉應(yīng)力大于裂縫修補(bǔ)后樹脂砂漿所受的力，裂縫更容易擴(kuò)展，因此當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度時，需要盡快修復(fù)，否則將使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，降低軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

3)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時，修補(bǔ)材料的縱向拉應(yīng)力先隨著其彈性模量的增大逐漸減小直至出現(xiàn)縱向壓應(yīng)力，之后縱向壓應(yīng)力逐漸增加;當(dāng)修復(fù)材料的彈性模量≤1 000 MPa時，修補(bǔ)材料受到的縱向拉應(yīng)力隨著裂縫寬度增大而減小。當(dāng)修補(bǔ)材料彈性模量＞1 000 MPa時，修復(fù)材料受到的縱向壓應(yīng)力先隨著裂縫寬度增大而增大，之后又隨著裂縫寬度的增大而減小。

4)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時，未開裂樹脂砂漿處預(yù)應(yīng)力鋼筋的受力不受裂縫寬度以及裂縫是否修補(bǔ)影響;開裂樹脂砂漿處預(yù)應(yīng)力鋼筋受到裂縫是否修補(bǔ)影響較大，而受修補(bǔ)材料彈性模量變化的影響相對較小。

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