溫度作用下層間離縫對(duì)縱連板式無(wú)砟軌道穩(wěn)定性的影響

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063;2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

CRTS II型板式無(wú)砟軌道采用縱向連續(xù)體系，主要用于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的高鐵線路，主要分布在華北、華東地區(qū)[1]，具有高平順性、高舒適性等優(yōu)點(diǎn)。由于沿線路縱向連續(xù)鋪設(shè)，溫度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的縱向變形受到約束，產(chǎn)生較大的溫度內(nèi)力[2-3]。投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，隨著CA砂漿粘結(jié)失效、寬窄接縫破損等病害的發(fā)展積累[3-6]，軌道結(jié)構(gòu)形成分層連續(xù)體系，層間離縫的產(chǎn)生導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)體系偏離原設(shè)計(jì)狀態(tài)，抵抗溫度變形的能力逐漸下降，穩(wěn)定性也隨之降低。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可知，層間離縫高度越大的區(qū)段，往往離縫沿線路分布的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，夏季高溫期間特別是持續(xù)高溫期間軌道板脹板的風(fēng)險(xiǎn)及危害也更大，嚴(yán)重時(shí)對(duì)行車安全造成不利影響[7]。離縫的產(chǎn)生，一方面會(huì)影響軌道的平順性及動(dòng)力響應(yīng)[8]，另一方面，也不可避免地改變了軌道板與砂漿層之間的接觸狀態(tài)及縱向溫度力傳遞特性，影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鑒于層間離縫在線路中普遍存在，且離縫高度大小不一，對(duì)縱連軌道板穩(wěn)定性的影響規(guī)律尚未形成系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，而夏季高溫季節(jié)脹板的隱患日益顯著，因此，在充分掌握該型無(wú)砟軌道溫度分布及上拱變形特征基礎(chǔ)上[9-12]，有必要就這一問(wèn)題進(jìn)行深入研究，為CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 有限元仿真模型

基于Midas Civil大型通用有限元分析軟件，建立軌道結(jié)構(gòu)有限元仿真模型如圖1、圖2所示。其中鋼軌為 60 kg/m軌型，采用Timoshenko梁?jiǎn)卧M；扣件系統(tǒng)采用線性彈簧單元模擬，彈簧單元各方向彈性剛度按照扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入；軌道板為預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)安裝精調(diào)，原設(shè)計(jì)理念中將其作為僅受拉壓的桿件單元，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明其普遍具有較為典型的拉彎構(gòu)件受力特性，因此，對(duì)軌道板采用Timoshenko梁?jiǎn)卧M；砂漿層僅考慮其支承效應(yīng)，不考慮其粘結(jié)效應(yīng)，以僅受壓彈簧單元模擬；支承層原設(shè)計(jì)理念是將其和軌道板進(jìn)行協(xié)同受力考慮，也是僅考慮拉壓受力的桿件模型，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明其普遍具有受彎特性，宜采用梁?jiǎn)卧M，各計(jì)算參數(shù)按照設(shè)計(jì)值輸入，如表1所示。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)有限元分析模型

圖2 軌道結(jié)構(gòu)橫截面組成

表1 軌道結(jié)構(gòu)主要計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，寬窄接縫與預(yù)制軌道板之間普遍存在不同程度的離縫，冬季低溫季節(jié)離縫擴(kuò)大，而夏季高溫季節(jié)離縫縮小甚至歸零，這種反復(fù)的拉壓導(dǎo)致寬窄接縫實(shí)際性能與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在差異，由于寬窄接縫澆筑工藝較為復(fù)雜，成形質(zhì)量參差不齊，受力上也較為薄弱，由此現(xiàn)場(chǎng)多存在接縫位置局部混凝土破損的情況，模型中為考慮這種病害的影響，考慮每道窄接縫存在20%(即高度方向20%的混凝土失效，如圖3所示)的傷損初始缺陷。

華東地區(qū)屬我國(guó)夏季連續(xù)高溫典型區(qū)域，也是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道鋪設(shè)最多，高溫脹板現(xiàn)象最集中的區(qū)域。為實(shí)測(cè)軌道板中溫度場(chǎng)分布特征，對(duì)浙江海寧西站附近軌道結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，溫度荷載工況選取如下：軌道板整體升溫55 ℃+底座升溫30 ℃+鋼軌升溫50 ℃。

圖3 寬窄接縫的模擬

圖4 路基地段軌道結(jié)構(gòu)溫度測(cè)試曲線(浙江海寧)

2 離縫高度對(duì)軌道板穩(wěn)定性的影響

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道沿線路縱向連續(xù)鋪設(shè)，路基、隧道以及橋上結(jié)構(gòu)體系基本一致。軌道板通過(guò)CA砂漿層與路基上的支承層或橋上的底座板粘結(jié)在一起。而CA砂漿性能直接關(guān)系著軌道板與底座板是否能夠?qū)崿F(xiàn)共同受力，影響了軌道板的豎向穩(wěn)定性能。CA砂漿層與軌道板之間的離縫以及與支承層(底座板)之間的離縫弱化了層間粘結(jié)，破壞了軌道板與支承層(底座板)的共同受力，尤其是砂漿層與軌道板之間的離縫，直接影響著軌道板的下部支承狀態(tài)與粘結(jié)狀態(tài)。

圖5 軌道板下離縫示意

2.1 軌道板下與CA砂漿層間離縫的模擬

調(diào)研結(jié)果表明，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，軌道板下與CA砂漿層之間存在不同程度的離縫，如圖5所示。

線路當(dāng)中離縫的狀態(tài)多種多樣，為了簡(jiǎn)化分析，假定存在離縫的區(qū)段在橫截面方向是貫通的。以此為前提，線路當(dāng)中存在的離縫大致可以分為2類：一類是在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)離縫的高度大致相同，即高度均勻離縫區(qū)域；一類是在個(gè)別的一處或幾處軌道板下存在顯著高于別處的離縫，其它軌道板離縫均很小或水平相當(dāng)，即高度不均勻離縫。對(duì)于均勻離縫的模擬如圖6所示，不均勻離縫模擬如圖7所示。

圖6 均勻離縫模擬

圖7 不均勻離縫模擬

如圖5、圖6所示，擬對(duì)由12塊板組成的軌道區(qū)段進(jìn)行不同離縫高度模擬。均勻離縫的模擬采取中間10塊板輸入相同離縫數(shù)值的方式進(jìn)行，不均勻離縫的模擬采取中間兩塊板輸入離縫數(shù)值而其它軌道板不輸入離縫的方式進(jìn)行。

2.2 高度均勻離縫的影響

在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所確定的溫度荷載條件下，分別輸入均勻離縫值1 mm 、2 mm 、3 mm、4 mm，在有限元模型中以改變軌道板節(jié)點(diǎn)豎向坐標(biāo)的方式進(jìn)行模擬，軌道板的豎向溫度變形結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 均勻離縫下軌道板豎向變形特征

圖9 均勻離縫中部區(qū)段軌道板豎向變形特征

圖10 均勻離縫對(duì)軌道板豎向變形的影響

計(jì)算結(jié)果表明，均勻離縫條件下，隨著離縫量值的增加，在離縫變化位置附近的軌道板豎向變形變化明顯。計(jì)算模型中由于1#、2#軌道板，11#、12#軌道板之間存在離縫變化，而它們之間寬窄接縫位置附近的豎向變形也最大。另一方面，在均勻離縫的中間區(qū)段部分，也就是3#～10#軌道板的豎向變形則變化相對(duì)緩慢。從單塊軌道板的變形特征分析，在溫度荷載條件下，軌道板的端部上翹較為顯著，板中部的豎向位移及變形相對(duì)較小，這與現(xiàn)場(chǎng)脹板破壞所表現(xiàn)出的基本特征是一致的。由此可見(jiàn)，大多數(shù)情況下，寬窄接縫的受力是縱連軌道體系的薄弱環(huán)節(jié)，是軌道上拱變形的易發(fā)位置，同時(shí)也是后期采取相應(yīng)限位加強(qiáng)措施的重點(diǎn)位置。

綜合以上分析可知：隨著均勻離縫值的增加，均勻離縫區(qū)段兩端離縫變化位置附近的軌道板豎向變形越來(lái)越大，軌道板上拱的范圍也越來(lái)越大；而均勻離縫中間區(qū)段的軌道板豎向變形則變化相對(duì)緩慢。

2.3 高度不均勻離縫的影響

為模擬高度不均勻離縫，在6#、7#軌道板下分別輸入離縫值1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，在有限元模型中以改變軌道板節(jié)點(diǎn)豎向坐標(biāo)的方式進(jìn)行模擬，軌道板的豎向溫度變形結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 不均勻離縫下軌道板豎向變形特征

圖12 不均勻離縫對(duì)軌道板豎向變形的影響

計(jì)算結(jié)果表明，不均勻離縫條件下，隨著離縫量值的增加，不均勻離縫位置對(duì)應(yīng)的軌道板豎向變形明顯增大，且呈現(xiàn)出非線性增大的變化特征。計(jì)算模型中由于6#、7#軌道板下存在大于其它位置的不均勻離縫，而它們之間寬窄接縫位置對(duì)應(yīng)的豎向變形也最大。另一方面，除不均勻離縫位置的軌道板外，其它軌道板的變化則相對(duì)緩慢。綜合以上分析可知：隨著不均勻離縫值的增加，對(duì)應(yīng)軌道板的豎向變形越來(lái)越大，在寬窄接縫處存在上拱變形；而其它軌道板豎向變形則變化相對(duì)緩慢。

從豎向位移、變形量值分析，無(wú)論是均勻離縫還是不均勻離縫條件下，在離縫發(fā)生變化的位置軌道板的豎向變形將發(fā)生對(duì)應(yīng)性的顯著變化，而且變形的峰值都在寬窄接縫位置。由此可見(jiàn)，無(wú)論是存在均勻離縫，還是不均勻離縫，寬窄接縫始終是Ⅱ型板式縱連無(wú)砟軌道豎向變形的薄弱環(huán)節(jié)，而寬窄接縫出現(xiàn)較大的豎向位移及變形后，意味著其混凝土內(nèi)部也發(fā)生了劇烈的應(yīng)力重分布過(guò)程，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到材料承載能力時(shí)，寬窄接縫不可避免地將發(fā)生局部破壞，而寬窄接縫的破損與離縫的影響存在耦合效應(yīng)，將導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)在下一個(gè)升溫周期中的變形進(jìn)一步增大從而引起寬窄接縫完全擠碎，嚴(yán)重時(shí)或可導(dǎo)致軌道板板端局部劈裂。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)溫度荷載條件下軌道板在高度均勻和不均勻離縫狀態(tài)下的豎向位移及變形仿真計(jì)算分析，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)軌道板下離縫狀態(tài)影響軌道板的溫度變形特征及變化趨勢(shì)，進(jìn)而影響軌道板穩(wěn)定性。

(2)仿真計(jì)算結(jié)果表明，隨著均勻離縫值的增加，離縫區(qū)段中部軌道板的豎向變形相對(duì)緩慢，但離縫區(qū)域兩端豎向變形顯著。

(3)隨著不均勻離縫值的增加，不均勻離縫上方對(duì)應(yīng)位置軌道板的豎向變形顯著增大，可以預(yù)見(jiàn)將對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響。