CRTSⅡ型板銷(xiāo)釘錨固限位與受力特性分析

袁博，劉學(xué)毅，陳醉，肖杰靈，劉浩，楊榮山

CRTSⅡ型板銷(xiāo)釘錨固限位與受力特性分析

袁博1, 2，劉學(xué)毅1, 2，陳醉1, 2，肖杰靈1, 2，劉浩3，楊榮山1, 2

(1. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

通過(guò)建立CRTSⅡ型板高溫上拱穩(wěn)定性及銷(xiāo)釘錨固性能綜合分析模型，研究銷(xiāo)釘尺寸和數(shù)量等對(duì)下軌道板上拱位移和受力的影響，提出合理的銷(xiāo)釘錨固布設(shè)方案。研究結(jié)果表明：植入銷(xiāo)釘可有效控制軌道板上拱變形，并使銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力集中作用，錨固區(qū)軌道板局部橫向受拉、縱向受壓；銷(xiāo)釘直徑越大，對(duì)軌道板的位移限制能力越強(qiáng)，但同時(shí)增大軌道板受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)；銷(xiāo)釘?shù)牟贾梅绞綄?duì)軌道板局部應(yīng)力無(wú)明顯影響，但抑制板上拱位移效果有所差別。為保證高溫下CRTSⅡ型板的服役狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度選用4組以上的銷(xiāo)釘較為有利。

高速鐵路；CRTSⅡ型板式軌道；銷(xiāo)釘錨固；上拱變形；受力特性

CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“Ⅱ型板”)是我國(guó)高速鐵路主型軌道之一，主要由預(yù)制軌道板、水泥瀝青砂漿調(diào)整層(CA砂漿層)和連續(xù)支承層等部分組成[1]。軌道板通過(guò)縱向連接器及彈性混凝土砂漿組成的寬窄接縫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向連接，形成縱連式軌道結(jié)構(gòu)[2]。板下砂漿調(diào)整層對(duì)軌道板垂向約束能力有限，因受施工作業(yè)質(zhì)量控制不佳、下部基礎(chǔ)復(fù)雜多變、寬窄接縫結(jié)構(gòu)狀態(tài)不良和輪軌動(dòng)力作用等因素影響，軌道板在夏季極端高溫環(huán)境影響下易發(fā)生上拱變形和寬窄接縫擠碎、破損等病害，影響軌道系統(tǒng)的服役狀態(tài)、行車(chē)的安全性和舒適性[3]。目前采用錨固銷(xiāo)釘限位技術(shù)，通過(guò)在上拱、破碎部位附近一定范圍內(nèi)的軌道上植入銷(xiāo)釘，可以限制軌道板的上拱變形，以利寬窄接縫的修復(fù)和軌道結(jié)構(gòu)縱向力的調(diào)整與釋放，該技術(shù)已在Ⅱ型板的維修中得到較廣泛的應(yīng)用[4]。但整治后的軌道板在列車(chē)荷載與溫度應(yīng)力等因素的長(zhǎng)期作用下，錨固銷(xiāo)釘與混凝土間的黏結(jié)作用會(huì)逐漸削弱，對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生隱患。因此，深入探討銷(xiāo)釘錨固對(duì)軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性與局部受力特性的影響，對(duì)線路運(yùn)營(yíng)與維護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)Ⅱ型板的高溫上拱變形問(wèn)題，學(xué)者們做了大量工作，如衛(wèi)軍等[5]通過(guò)建立路基上Ⅱ型板的有限元分析模型，分析了溫度作用下軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)與局部損傷特性；韓志剛等[6]通過(guò)分析非均勻溫度場(chǎng)對(duì)軌道板翹曲變形的影響，為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。趙林等[7]基于彈性薄板的功互等定理建立了適用于兩對(duì)邊自由的軌道板上拱計(jì)算模型，分析了Ⅱ型板上拱變形特性及不同因素的影響，并得到不同上拱線性；劉付山等[8]通過(guò)分析Ⅱ型板的上拱規(guī)律，得到砂漿層黏結(jié)強(qiáng)度及溫度梯度對(duì)軌道板臨界溫升幅值的影響。上述研究表明溫度作用對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形均有顯著影響，為Ⅱ型板上拱成因研究提供了理論基礎(chǔ)。針對(duì)軌道板上拱的整治措施，譚社會(huì)[9]總結(jié)了既有Ⅱ型板離縫、上拱病害的植筋和注膠整治方案；肖春明[10]針對(duì)“注膠?植筋”方案，通過(guò)Ⅱ型板的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，確認(rèn)了“注膠?植筋”的整治效果；高睿[11]建立了橋上Ⅱ型板分析模型，研究了不同植筋錨固工況下結(jié)構(gòu)縱向力的變化規(guī)律。上述研究主要基于數(shù)值仿真與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法，重點(diǎn)關(guān)注銷(xiāo)釘錨固后軌道板的整體變形問(wèn)題，但對(duì)錨固銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)的細(xì)部受力狀態(tài)，及Ⅱ型板整體受力的關(guān)系研究等尚需深入。本文根據(jù)Ⅱ型板的結(jié)構(gòu)及材料特性，仿真分析銷(xiāo)釘錨固后軌道板的高溫上拱行為及銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)局部受力規(guī)律，探討錨固整治效果。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

為分析銷(xiāo)釘?縱連體系的整體傳力行為，并深入研究銷(xiāo)釘錨固結(jié)構(gòu)的受力，需要考慮多尺度建模問(wèn)題；分別通過(guò)建立銷(xiāo)釘?縱連體系整體模型和銷(xiāo)釘錨固結(jié)構(gòu)局部模型求解。

1.1 計(jì)算模型

1.1.1 銷(xiāo)釘?縱連體系模型

根據(jù)Ⅱ型板的結(jié)構(gòu)特性[12]，建立包括軌道板、CA砂漿層、支承層及錨固銷(xiāo)釘力學(xué)分析模型(如圖1所示)，并作如下假定：

1) 將軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為截面均勻的疊合梁模型，采用Euler梁?jiǎn)卧M軌道板，忽略軌道板不同截面的差異性；但考慮寬窄接縫的影響，設(shè)置板間鉸接模擬寬窄接縫。

2) 受溫度、水及列車(chē)荷載等多場(chǎng)長(zhǎng)耦合荷載共同影響，砂漿層與軌道板間的黏結(jié)狀態(tài)在線路運(yùn)營(yíng)后將逐漸減弱甚至消失[13]，砂漿層僅起垂向支承的作用。因此不考慮砂漿層的黏結(jié)作用，將砂漿層對(duì)軌道板的支承作用簡(jiǎn)化為如圖2所示的單向受壓彈簧支承。

3) 為消除邊界效應(yīng)，計(jì)算模型取5塊軌道板長(zhǎng)，模型兩端根據(jù)溫度力的平衡機(jī)制，采用基本溫度力作為約束邊界。

通過(guò)施加溫升荷載模擬軌道板升溫作用。受預(yù)制板長(zhǎng)影響，以其為弦長(zhǎng)的上拱變形是最常見(jiàn)形態(tài)，故假定上拱弦長(zhǎng)為6.5 m[14]；軌道板與支承層之間的豎向約束采用單向受壓非線性彈簧單元模擬，其支撐剛度通過(guò)CA砂漿層彈性模量定義的力-位移曲線實(shí)現(xiàn)(圖3)；銷(xiāo)釘采用線性彈簧模擬，彈簧剛度同時(shí)考慮銷(xiāo)釘?shù)膹椥阅Ａ考芭c界面的黏結(jié)力。

圖1 銷(xiāo)釘-縱連體系力學(xué)模型

圖2 板下砂漿層垂向力-位移曲線

通過(guò)上述建模分析可以得到銷(xiāo)釘?shù)恼w受力情況。

1.1.2 錨固銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)分析模型

為進(jìn)一步厘清銷(xiāo)釘及周?chē)壍腊宓木植渴芰μ匦?，再建立如圖3所示的錨固銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)分析模型?；谲壍腊迕摽盏募俣ǎ皾{層的約束作用滿足單向受壓彈簧的力學(xué)特性。銷(xiāo)釘與軌道板之間簡(jiǎn)化為黏結(jié)作用。由于軌道板在上拱過(guò)程中同時(shí)受軸向溫度力與附加彎矩作用，故銷(xiāo)釘周?chē)植炕炷恋倪吔鐟?yīng)力滿足式(1)。

式中：為整體計(jì)算模型中所得軌道板上拱的附加彎矩；為軌道板截面面積；為軌道板溫度壓力，滿足Δ的關(guān)系；為軌道板的線膨脹系數(shù)與整體；Δ表示軌道結(jié)構(gòu)整體升溫；為軌道板的彈性模量。

基于上述思路，通過(guò)分析銷(xiāo)釘及周?chē)炷恋膽?yīng)力分布特性，討論銷(xiāo)釘半徑、數(shù)量、分布等因素對(duì)防止軌道板上拱及銷(xiāo)釘部位受力變化規(guī)律。

1.2 計(jì)算參數(shù)

模型中采用的主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖3 局部力學(xué)特性

表1 CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)

2 溫度作用下的銷(xiāo)釘?縱連體受力 分析

為研究溫度作用對(duì)銷(xiāo)釘錨固效果的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)普遍的銷(xiāo)釘布置方式[15]，現(xiàn)假定銷(xiāo)釘滿足尺寸為f28的2組均勻分布，軌道板上拱弦長(zhǎng)為6.5 m。由于近年來(lái)南方高溫天氣頻發(fā)，部分地區(qū)可達(dá)到40 ℃以上，參考鋼軌溫度計(jì)算方法[16]，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在30，40，50，60和70 ℃的整體升溫條件下的銷(xiāo)釘修復(fù)效果。其中，軌道板最大上拱位移及銷(xiāo)釘最大應(yīng)力如圖4所示，軌道板的各向應(yīng)力分布如圖5所示，底座板的各向應(yīng)力分布如圖6所示。

計(jì)算表明：在銷(xiāo)釘錨固作用下，軌道板的最大上拱位移與整體升溫幅值呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，植入銷(xiāo)釘后的軌道板最大上拱位移下降比值隨溫度不斷提高，故溫度越高更能體現(xiàn)銷(xiāo)釘錨固的作用。在整體升溫70 ℃的條件下，軌道板最大上拱位移由8.012 mm減小為0.177 mm，故植入銷(xiāo)釘能有效限制軌道板的上拱；銷(xiāo)釘?shù)淖畲髴?yīng)力隨整體升溫的不斷增加呈線性增加，表明銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)隨著溫度的增加破損風(fēng)險(xiǎn)增加；此時(shí)銷(xiāo)釘?shù)淖畲髴?yīng)力為201 MPa，小于銷(xiāo)釘強(qiáng)度，銷(xiāo)釘?shù)膹?qiáng)度失效可能性不大；銷(xiāo)釘錨固后的軌道板在溫度壓力的作用下，應(yīng)力集中在銷(xiāo)釘周?chē)?，且橫向上承受拉應(yīng)力，縱向上承受壓應(yīng)力，如圖7所示。銷(xiāo)釘與混凝土膠接界面處有應(yīng)力峰，該處混凝土應(yīng)力大小成為衡量銷(xiāo)釘錨固方案合理性的一個(gè)關(guān)鍵。圖5表明，銷(xiāo)釘周?chē)能壍腊宓母飨驊?yīng)力分量均隨著整體升溫幅值呈線性增大；整體升溫70 ℃時(shí)軌道板的橫向最大拉應(yīng)力為3.1 MPa，已高于軌道板所用C55混凝土的抗拉強(qiáng)度。圖7表明，銷(xiāo)釘周?chē)牡鬃宓母飨驊?yīng)力分量均隨著整體升溫幅值呈線性增大；底座板的橫向和縱向最大拉應(yīng)力均高于底座板所用C20混凝土的抗拉強(qiáng)度。因此，受高溫環(huán)境影響，軌道板和底座板的銷(xiāo)釘錨固區(qū)存在局部受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)，日常應(yīng)加強(qiáng)銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)的維護(hù)工作，特別關(guān)注高溫季節(jié)的狀態(tài)。由于軌道板是軌道結(jié)構(gòu)的直接承力結(jié)構(gòu)，軌道板的破壞對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全尤為重要，故本文將對(duì)軌道板進(jìn)行著重分析。

圖4 不同整體升溫軌道板最大上拱位移及銷(xiāo)釘最大應(yīng)力

圖5 不同整體升溫軌道板各向最大應(yīng)力

圖6 軌道板應(yīng)力分布圖

圖7 不同整體升溫底座板各向最大應(yīng)力

3 銷(xiāo)釘尺寸對(duì)整治效果的影響

為研究銷(xiāo)釘尺寸對(duì)軌道板上拱整治效果的影響，根據(jù)現(xiàn)有鋼筋的公稱(chēng)直徑[17]，選取f20，f25，f28，f32和f36 5種規(guī)格的銷(xiāo)釘，并假定上拱弦長(zhǎng)為6.5 m，銷(xiāo)釘均勻布置為2組。分析錨固前后軌道板在30~70 ℃整體升溫條件下的最大上拱位移，如圖8所示；軌道板的最大拉、壓應(yīng)力如圖9~10所示。

圖8 不同銷(xiāo)釘直徑時(shí)軌道板最大上拱位移

圖9 不同銷(xiāo)釘直徑軌道板最大拉應(yīng)力

圖10 不同銷(xiāo)釘半徑軌道板最大壓應(yīng)力

計(jì)算表明：銷(xiāo)釘直徑越大，對(duì)軌道板的位移限制作用越強(qiáng)；且溫升幅值越大，限制效果越明顯；在整體升溫70 ℃時(shí)，銷(xiāo)釘直徑增加30%，軌道板最大上拱位移由0.259 mm減小到0.122 mm，上拱位移限制能力提高了約53%，銷(xiāo)釘周?chē)壍腊宓母飨驊?yīng)力值均隨著銷(xiāo)釘直徑的增大呈正增長(zhǎng)關(guān)系，整體升溫分別為50，60和70 ℃時(shí)，分別植入f36，f32和f25及以上直徑的銷(xiāo)釘時(shí)，軌道板最大拉應(yīng)力超過(guò)軌道板混凝土的抗拉強(qiáng)度限值。因此，增大銷(xiāo)釘?shù)闹睆诫m能一定程度上限制軌道板的上拱位移，但也增大軌道板受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)。故現(xiàn)場(chǎng)選擇錨固銷(xiāo)釘尺寸時(shí)，應(yīng)在保證軌道結(jié)構(gòu)在上拱位移與局部應(yīng)力滿足要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)際情況，選取適當(dāng)尺寸的銷(xiāo)釘。

4 銷(xiāo)釘布置方式對(duì)整治效果的影響

4.1 不同銷(xiāo)釘數(shù)量的影響

參考現(xiàn)場(chǎng)銷(xiāo)釘?shù)牟贾梅绞?，分別選取2，4，6和8組f28的銷(xiāo)釘布置方式(如圖11所示)。分析上拱弦長(zhǎng)為6.5 m的軌道板在30~70 ℃整體升溫條件下的最大上拱位移如圖12所示。軌道板的最大拉壓應(yīng)力如圖13~14所示。

(a) 2組銷(xiāo)釘布置；(b) 4組銷(xiāo)釘布置；(c) 6組銷(xiāo)釘布置；(d) 8組銷(xiāo)釘布置

結(jié)果表明；在不同溫度作用下，銷(xiāo)釘?shù)臄?shù)量布置方式對(duì)軌道板局部應(yīng)力無(wú)明顯影響，但會(huì)使上拱位移發(fā)生變化。圖12表明，溫度為30 ℃時(shí)，植入6組后，軌道板最大上拱位移限制能力由植入2組時(shí)的50%到增至60%，植入4組銷(xiāo)釘以后，軌道板的上拱位移變化趨于穩(wěn)定。因此，綜合分析表明，為盡可能限制軌道板的上拱變形，同時(shí)為保證軌道板受力的對(duì)稱(chēng)性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況，現(xiàn)場(chǎng)軌道板植筋宜選用4組以上的銷(xiāo)釘。

圖12 不同銷(xiāo)釘數(shù)量時(shí)軌道板最大上拱位移

圖13 不同銷(xiāo)釘數(shù)量軌道板最大拉應(yīng)力

4.2 不同銷(xiāo)釘位置對(duì)上拱整治效果的影響分析

參考現(xiàn)場(chǎng)銷(xiāo)釘?shù)牟贾梅绞?，分別選取4種銷(xiāo)釘位置布置方式(如圖15所示)，并假定上拱弦長(zhǎng)為6.5 m，均勻布置2組f28的銷(xiāo)釘，分析軌道板在30~70 ℃整體升溫條件下的最大上拱位移如圖16所示。軌道板的最大拉壓應(yīng)力如圖17~18所示。

圖 14 不同銷(xiāo)釘數(shù)量軌道板最大壓應(yīng)力

(a) 銷(xiāo)釘布置位置1；(b) 銷(xiāo)釘布置位置2；(c) 銷(xiāo)釘布置位置3；(d) 銷(xiāo)釘布置位置4

結(jié)果表明；在不同溫度作用下，銷(xiāo)釘?shù)奈恢脤?duì)軌道板局部應(yīng)力和上拱位移均無(wú)明顯影響。圖16表明，溫度為70℃時(shí)，采用位置2錨固時(shí)，軌道板最大上拱位移減小量由位置1錨固時(shí)的96%增至98%，沒(méi)有明顯的變化。因此，銷(xiāo)釘位置的布置對(duì)軌道板的上拱位移抑制效果基本相同，并無(wú)明顯 差異。

圖 16 不同銷(xiāo)釘位置時(shí)軌道板最大上拱位移

圖17 不同銷(xiāo)釘位置軌道板最大拉應(yīng)力

圖18 不同銷(xiāo)釘位置軌道板最大壓應(yīng)力

5 結(jié)論

1) 植入銷(xiāo)釘可有效限制軌道板高溫上拱變形，軌道板的應(yīng)力集中在銷(xiāo)釘周?chē)?，并呈橫向受拉、縱向受壓分布；當(dāng)整體升溫為70 ℃時(shí)，軌道板的橫向最大拉應(yīng)力為3.1 MPa，超出了軌道板的抗拉強(qiáng)度限值，軌道板的錨固銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)有局部受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 銷(xiāo)釘直徑越大，對(duì)軌道板的位移限制作用越強(qiáng)，且溫升幅值越大，限制作用越明顯，但同時(shí)增大軌道板受拉破壞風(fēng)險(xiǎn)；在70 ℃整體升溫條件下，隨著銷(xiāo)釘直徑由f20增至f36，位移減小量由95%增至98%；故現(xiàn)場(chǎng)錨固銷(xiāo)釘尺寸應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度進(jìn)行選取。

3) 銷(xiāo)釘?shù)牟贾梅绞綄?duì)軌道板局部應(yīng)力無(wú)明顯影響，但會(huì)使上拱位移發(fā)生變化。軌道板植入4組銷(xiāo)釘及以上時(shí)，軌道板最大上拱位移變化趨于平穩(wěn)；銷(xiāo)釘位置的布設(shè)對(duì)軌道板上拱位移抑制效果無(wú)明顯差異。

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Investigating pin anchorage limit and force characteristics of CRTSⅡSlab

YUAN Bo1, 2, LIU Xueyi1, 2, CHEN Zui1, 2, XIAO Jieling1, 2, LIU Hao3, YANG Rongshan1, 2

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. Railway Construction Research Institute of China Academy of Railway Sciences Group, Beijing 100081, China)

Through the establishment of a comprehensive analysis model of the stability of the high-temperature upper arch and the pin anchoring performance of the CRTS II slab, the influence of the number and size of pins on the displacement and stress of the upper arch of the lower track slab was studied, and a reasonable pin anchoring layout scheme was proposed. The results show that the embedded dowels can effectively control the deformation of the wrapping-up of the track slab, and make the pin structure subject to stress concentration, and the track slab in the anchorage area is partially under transverse tension and longitudinal compression. The larger the pin diameter is, the stronger the displacement-restraining ability is, but the higher the risk of the track slab being damaged by tension. The pin arrangement has no significant effect on the local stress of the track slab, but the effect of hindering the displacement of arch on the slab is different. In order to ensure the serviceability of CRTSⅡtrack slab at high temperature, choosing more than 4 groups of pins in combination with the actual temperature is more favorable.

high-speed railway; CRTS Ⅱ slab track; track slab; pin anchorage; stress characteristic

U216.4

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0791 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190676

2019?07?29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678506)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51778543，51978584)；四川省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016GZ0333)；博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(BX20190388)；京滬課題(京滬科研?2018?06)

肖杰靈(1978?)，男，湖南汨羅人，副教授，博士，從事高速、重載及城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)及軌道動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：xjling@ home.swjtu.edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)