極端溫度作用下橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道受力特性

閆斌，程瑞琦，謝浩然，曾志平

極端溫度作用下橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道受力特性

閆斌，程瑞琦，謝浩然，曾志平

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為研究極端溫度作用下高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋與 CRTS Ⅱ型縱連板式無(wú)砟軌道相互作用，以5～32 m簡(jiǎn)支梁為例，建立考慮鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、滑動(dòng)層、摩擦板、端刺，以及梁體、墩臺(tái)等構(gòu)件的橋上 CRTS Ⅱ型無(wú)砟軌道系統(tǒng)精細(xì)化仿真模型，研究高溫和嚴(yán)寒等極端溫度條件下系統(tǒng)的受力與變形特征，探討不同軌道伸縮剛度、滑動(dòng)層摩擦因數(shù)和砂漿黏結(jié)力對(duì)系統(tǒng)受力與變形的影響。研究結(jié)果表明：在高溫條件下，軌道板代替鋼軌承受了更多伸縮力，軌道板軸向力最大值出現(xiàn)在主端刺處，易導(dǎo)致上拱破壞；正溫度梯度作用下，軌道板上、下表面最大縱向應(yīng)力差達(dá)10.1MPa，將引起翹曲變形導(dǎo)致端部砂漿層脫黏；在極寒條件下，軌道板最大縱向拉力出現(xiàn)在右端刺處，最大值達(dá)3.9 MPa，軌道板易發(fā)生斷裂；底座板初始裂縫對(duì)軌道板及底座板的受力分布與變形產(chǎn)生不利影響；滑動(dòng)層可有效減小梁軌之間的相互作用，適當(dāng)增大砂漿黏結(jié)力有利于減小軌道板-底座板離縫和砂漿脫黏等病害的發(fā)生幾率。

軌道工程；無(wú)縫線路；CRTS Ⅱ型；無(wú)砟軌道；極端溫度；梁軌相互作用

橋上CRTS Ⅱ型無(wú)砟軌道是一種特殊的軌道結(jié)構(gòu)形式，其采用縱向連續(xù)的軌道板和底座板作為承受縱向力的主要構(gòu)件，在底座板和梁面之間鋪設(shè)“兩布一膜”滑動(dòng)層減弱梁軌相互作用，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)大跨度橋上的連續(xù)鋪設(shè)[1]。由于其軌道板和底座板縱向連續(xù)，當(dāng)環(huán)境溫度偏離鎖定溫度后，內(nèi)部存在著極大的軸力。此外，由于混凝土導(dǎo)熱性能較差，在太陽(yáng)輻射的作用下，混凝土軌道結(jié)構(gòu)中存在豎向溫度梯度，引起軌道板翹曲變形。而軌道板一旦發(fā)生上拱破壞，修復(fù)難度極高，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行品質(zhì)。因此，極端溫度作用下橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的受力與變形規(guī)律成為無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修的關(guān)鍵課題之一。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溫度作用下橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路受力與變形進(jìn)行了廣泛探討，如YAN等[2-3]建立了適用于高速鐵路中標(biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁和斜拉橋的梁軌相互作用力學(xué)模型，分析了溫度、活載和地震作用下梁軌系統(tǒng)的受力特性；陳嶸等[4]分析了溫度荷載下橋上縱連板式無(wú)砟軌道的梁軌耦合規(guī)律；張鵬飛[5]研究了復(fù)雜溫度荷載條件下多跨簡(jiǎn)支梁和大跨連續(xù)梁橋上無(wú)砟軌道的受力與變形特性。而極端溫度條件下的橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路受力與變形特性尚不明確。本文針對(duì)橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道，以5～32 m簡(jiǎn)支梁為例，利用ANSYS軟件建立了橋上CRTS Ⅱ型軌道系統(tǒng)精細(xì)化仿真模型，分析了極端溫度條件下系統(tǒng)的受力變形特征，探討了軌道伸縮剛度、滑動(dòng)層摩擦因數(shù)和砂漿黏結(jié)力等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)受力變形的影響。研究結(jié)果可為極端溫度條件下橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)和維修提供重要參考。

1 橋梁CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道計(jì)算模型

以5～32 m簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Beam4單元模擬鋼軌，采用Beam188單元模擬軌道板、底座板和梁體，箱梁設(shè)置上、下翼緣剛臂，梁?jiǎn)卧孛鎱?shù)及材料特性按實(shí)際取值。采用非線性彈簧單元Combin39模擬線路縱向阻力、砂漿縱向阻力、滑動(dòng)層縱向阻力、隔離層縱向阻力，采用線性彈簧單元Combin14模擬墩臺(tái)、端刺、剪力齒槽及剪切鋼筋的縱向阻力。橋跨兩側(cè)均設(shè)置100 m長(zhǎng)的路基段以消除邊界影響，本文假定路基上支承層與路基之間不產(chǎn)生相對(duì)位移。豎向考慮層間拉壓剛度，橫向考慮雙線布置，所建立的橋上CRTS Ⅱ型軌道系統(tǒng)精細(xì)化仿真模型如圖1所示。

圖1 橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道力學(xué)模型

單位：m

鋼軌采用CHN60軌，軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，標(biāo)準(zhǔn)軌道板尺寸為6.45 m×2.55 m×0.2 m，通過(guò)張拉鎖件使預(yù)制軌道板相互連接形成縱連軌道板。底座板為現(xiàn)場(chǎng)澆筑的縱連式結(jié)構(gòu)物，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，寬2.95 m，厚0.2 m。簡(jiǎn)支梁采用我國(guó)32 m高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁，梁體混凝土等級(jí)為C50。橋臺(tái)處縱向剛度取3 000 kN/m，橋墩處縱向剛度取400 kN/m[6]，橋跨、支座布置及編號(hào)如圖2所示。

扣件類型為WJ-8，扣件間距為0.65 m，每組扣件的縱向阻力在無(wú)載時(shí)取15 kN/組/軌，有載時(shí)取30 kN/組/軌，臨界位移為2 mm?？奂瓜騽偠热?5 kN/mm[6]。砂漿層的縱向阻力根據(jù)博格公司的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值為63.88 kN/m，屈服位移為0.5 mm?；瑒?dòng)層縱向阻力用摩擦因數(shù)乘以單位長(zhǎng)度的軌道結(jié)構(gòu)自重來(lái)表示，滑動(dòng)層的縱向摩擦因數(shù)取0.35，屈服位移為0.5 mm。

摩擦板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，尺寸為50 m×9 m×0.4 m。摩擦板與上層底座板之間隔離層縱向摩擦因數(shù)取0.7，其屈服位移為5 mm。端刺縱向剛度取5×103kN/mm，剪力齒槽處的縱向連接視為剛性。

2 極端溫度荷載模式的確定

我國(guó)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10015—2012)[6]規(guī)定無(wú)砟軌道混凝土梁年溫差取30 ℃；UIC規(guī)范[7]規(guī)定混凝土梁及結(jié)合梁橋年溫差取±35 ℃。上述橋梁溫度荷載按整體溫升、溫降考慮，這與橋梁的實(shí)際溫度荷載存在一定差異。由于混凝土材料導(dǎo)熱性較差，梁體中存在不均勻溫度梯度。國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)混凝土橋梁的溫度梯度分布均有明確規(guī)定：我國(guó)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[8]規(guī)定混凝土箱梁的溫度梯度可沿梁高和梁寬按指數(shù)函數(shù)取值；新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中橋梁溫度荷載采用5次冪函數(shù)模式；美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中橋梁溫度荷載采用雙折線模式[9]。

由于混凝土材料熱傳導(dǎo)性能較差，無(wú)砟軌道內(nèi)部也存在豎向溫度梯度。相關(guān)研究表明[10-11]：無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度變化以日為周期，在無(wú)砟軌道厚度方向存在溫度梯度，且離軌道板上表面距離越遠(yuǎn)，溫度和溫度梯度的變化幅度越小。我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[12]中規(guī)定：無(wú)砟軌道正、負(fù)溫度梯度宜取90 ℃/m和?45 ℃/m。德國(guó)博格板式無(wú)砟軌道最大正、負(fù)溫度梯度分別取50 ℃/m，?25 ℃/m[5]。

本文在綜合分析研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，確定了極端溫度荷載模式的取值。在高溫條件下，軌道板板面溫度取60 ℃[10]，無(wú)砟軌道和橋梁的溫度荷載均按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[12]取值：無(wú)砟軌道溫度梯度取為90 ℃/m，橋梁的豎向溫度梯度按《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[8]規(guī)定的計(jì)算公式(1)取值。

式中：T為計(jì)算點(diǎn)處的溫差，℃；01為梁高方向溫差，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)取值為20 ℃，鋪設(shè)無(wú)砟軌道后，01可按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的50%取值；為計(jì)算點(diǎn)至箱梁外表面的距離，m；為計(jì)算參數(shù)，規(guī)范中取值為5 m?1。

在極寒條件下，軌道板板面溫度取?39 ℃[11]，無(wú)砟軌道和橋梁的溫度荷載均按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[12]取值：無(wú)砟軌道溫度梯度取為?45 ℃/m，橋梁的豎向溫度梯度按《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[8]規(guī)定的計(jì)算公式(2)取值。

3 極端溫度作用下橋上無(wú)砟軌道受力特征

3.1 高溫條件下

采用第2節(jié)確定的高溫條件下溫度荷載，軌道結(jié)構(gòu)縱向力計(jì)算結(jié)果見圖3。

(a) 鋼軌伸縮應(yīng)力；(b) 軌道板縱向應(yīng)力；(c) 底座板縱向應(yīng)力

圖3 高溫條件下各軌道部件受力圖

Fig. 3 Force diagram of track components under high temperature

由圖3可知，最大鋼軌伸縮壓應(yīng)力出現(xiàn)在端刺處，最大值為1.5 MPa。橋梁范圍內(nèi)鋼軌伸縮拉力隨橋跨布置有明顯波動(dòng)，最大伸縮拉應(yīng)力為0.7 MPa，出現(xiàn)在橋梁中點(diǎn)處。軌道板最大縱向應(yīng)力為?19.8 MPa，出現(xiàn)在端刺處，其上、下表面最大縱向應(yīng)力差為?10.1 MPa。底座板最大縱向應(yīng)力為?10.8 MPa，上、下表面最大縱向應(yīng)力差為?9.0 MPa。底座板縱向力在剪力齒槽處發(fā)生突變，且變化值等于剪力齒槽縱向剪力，剪力齒槽最大縱向剪力為302.2 kN。橋梁縱向力從活動(dòng)端至固定端呈增加趨勢(shì)，橋梁最大縱向力為?602.9 kN。

可見，高溫條件下軌道板和底座板內(nèi)部縱向壓力較大，極有可能發(fā)生上拱破壞，且由于正溫度梯度的存在，無(wú)砟軌道上、下表面縱向應(yīng)力差較大，會(huì)引起翹曲變形，應(yīng)該對(duì)極端高溫地區(qū)的軌道板及底座板做特殊配筋設(shè)計(jì)，防止其出現(xiàn)較大的變形。

高溫條件下軌道結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算結(jié)果見圖4。

(a) 各軌道部件縱向位移；(b) 各軌道部件豎向位移

由圖4可知，鋼軌、軌道板及底座板均在每跨橋梁范圍內(nèi)發(fā)生上拱變形，鋼軌最大豎向位移在跨中處達(dá)到1.8 mm。鋼軌、軌道板及底座板的縱向位移分布規(guī)律相似，最大位移量和位移變化幅度從下至上逐層減小，其最大位移量均在主端刺附近出現(xiàn)，最大值分別為0.5，0.6和1.1 mm。底座板兩端縱向位移與兩側(cè)端刺縱向位移相等，可見端刺決定了底座板縱向位移，進(jìn)而影響其他軌道部件的變形。鋼軌?軌道板及軌道板?底座板縱向相對(duì)位移最大值出現(xiàn)在端刺處，分別為0.1 mm和0.7 mm，橋梁范圍內(nèi)的縱向相對(duì)位移極小。

每跨橋梁縱向位移分布相似，從固定端至活動(dòng)端線性增加，最大位移量為5.3 mm。由于滑動(dòng)層削弱了底座板與梁體間的相互作用，底座板沒(méi)有隨橋梁發(fā)生較大變形，底座板和橋梁的最大相對(duì)位移為4.9 mm。

3.2 極寒條件下

采用第2節(jié)確定的極寒條件下溫度荷載，考慮軌道板和底座板伸縮剛度的折減，折減系數(shù)為0.3，軌道結(jié)構(gòu)縱向力計(jì)算結(jié)果見圖5。

由圖5可知，鋼軌附加伸縮力較小，兩側(cè)摩擦板范圍內(nèi)出現(xiàn)伸縮拉應(yīng)力，鋼軌最大伸縮拉應(yīng)力為0.7 MPa。橋梁范圍內(nèi)出現(xiàn)伸縮壓應(yīng)力，在第一跨橋梁中點(diǎn)處出現(xiàn)最大伸縮壓應(yīng)力，最大值為0.5 MPa。

軌道板最大縱向拉應(yīng)力為3.9 MPa，出現(xiàn)在右側(cè)端刺處，軌道板易發(fā)生斷裂，底座板最大縱向拉應(yīng)力為2.7 MPa。剪力齒槽最大縱向剪力為?286.4 kN。橋梁縱向力從活動(dòng)端至固定端呈增加趨勢(shì)，橋梁縱向力最大值為597.4 kN。

極寒條件下軌道結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算結(jié)果見圖6。

(a) 鋼軌伸縮應(yīng)力；(b) 軌道板縱向應(yīng)力；(c) 底座板縱向應(yīng)力

(a) 各軌道部件縱向位移；(b)各軌道部件豎向位移

由圖6可知，鋼軌、軌道板及底座板均在每跨橋梁范圍內(nèi)發(fā)生下凹變形，鋼軌最大豎向位移為0.3 mm，出現(xiàn)在第一跨簡(jiǎn)支梁跨中處。鋼軌、軌道板及底座板的縱向位移量和橋跨內(nèi)位移變化幅度從下至上逐層減小，在剪力齒槽處有較大波動(dòng)。鋼軌、軌道板、底座板最大縱向位移出現(xiàn)在右側(cè)橋臺(tái)，最大值分別為0.4，0.4和0.5 mm。鋼軌?軌道板及軌道板?底座板縱向相對(duì)位移最大值分別為0.1 mm和0.2 mm，左右兩邊跨的層間相對(duì)位移大于中間各跨。每跨橋梁位移分布幾乎相同，從固定端至活動(dòng)端線性增加，最大位移為5.1 mm，底座板?橋梁最大縱向相對(duì)位移為4.7 mm。

4 極端溫度作用下橋上無(wú)砟軌道受力與變形影響因素分析

4.1. 軌道板/底座板伸縮剛度

以高溫條件為例，不同伸縮剛度條件下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)受力及位移最大值見表1。

表1 不同伸縮剛度條件下計(jì)算結(jié)果最大值

由表1可知，隨著伸縮剛度的折減，路基段和主端刺附近的鋼軌伸縮壓應(yīng)力減小，橋梁范圍內(nèi)的鋼軌伸縮拉應(yīng)力增加，軌道板和底座板縱向力明顯減小。橋梁范圍內(nèi)的鋼軌、軌道板、底座板縱向位移及層間相對(duì)位移均明顯增大。

4.2 橋上滑動(dòng)層摩擦因數(shù)

以高溫條件為例，不同滑動(dòng)層摩擦因數(shù)條件下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)受力及位移最大值見表2。

由表2可知，隨著滑動(dòng)層摩擦因數(shù)增大，鋼軌、軌道板、底座板及橋梁、墩臺(tái)、剪力齒槽的縱向力隨之增大，各軌道部件的縱向位移及層間相對(duì)位移均增大?？梢?，滑動(dòng)層可有效減小梁軌間的相互作用，橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的受力與位移隨摩擦因數(shù)增大而增大。

表2 不同滑動(dòng)層摩擦因數(shù)條件下計(jì)算結(jié)果最大值

4.3 砂漿黏結(jié)力

以高溫條件為例，不同砂漿黏結(jié)力條件下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)受力及位移最大值見表3。

表3 不同砂漿黏結(jié)力條件下計(jì)算結(jié)果最大值

由表3可知，隨著砂漿黏結(jié)力增大，主端刺附近的鋼軌伸縮力和軌道板縱向力明顯增大，底座板縱向力也隨著增大。軌道板與底座板間的縱向相對(duì)位移明顯減小，出現(xiàn)軌道板?底座板離縫和砂漿脫黏的概率會(huì)降低。增大砂漿黏結(jié)力對(duì)系統(tǒng)的受力變形是有利的。

5 結(jié)論

1) 橋上縱連板式無(wú)砟軌道的鋼軌伸縮力較小，其伸縮力分布隨梁跨布置波動(dòng)，在端刺處出現(xiàn)最大伸縮力?？v向連續(xù)的軌道板和底座板承受了較大的溫度力，溫度力最大值出現(xiàn)在端刺位置，底座板縱向力在剪力齒槽處突變，且變化值等于剪力齒槽的縱向剪力。

2) 在高溫條件下，軌道板內(nèi)部最大縱向壓應(yīng)力達(dá)19.8 MPa，出現(xiàn)在端刺處，易發(fā)生上拱破壞。正溫度梯度導(dǎo)致軌道板上、下表面最大縱向應(yīng)力差達(dá)10.1 MPa，會(huì)引起翹曲變形導(dǎo)致端部砂漿層脫黏。鋼軌、軌道板及底座板均在每跨橋梁內(nèi)發(fā)生上拱變形，鋼軌最大豎向位移在跨中處達(dá)到1.8 mm。由于滑動(dòng)層的存在，底座板和橋梁的最大縱向相對(duì)位移為4.9 mm。

3) 在極寒條件下，軌道板最大縱向拉應(yīng)力在右端刺處達(dá)3.9 MPa，軌道板易發(fā)生斷裂。底座板最大縱向拉應(yīng)力為2.7 MPa。各軌道部件最大縱向位移和位移變化幅度從下至上逐層減小，在剪力齒槽處有較大波動(dòng)。底座板和橋梁最大縱向相對(duì)位移為4.7 mm。

4)底座板存在初始裂縫時(shí)，傳遞縱向力和抵抗縱向變形的能力減弱，對(duì)軌道板及底座板的受力與變形產(chǎn)生不利影響?；瑒?dòng)層可有效減小梁軌之間的相互作用，應(yīng)嚴(yán)格控制滑動(dòng)層施工質(zhì)量，確保橋上滑動(dòng)層的摩擦因數(shù)在合理范圍內(nèi)。增大砂漿黏結(jié)力有利于橋上CRTS Ⅱ板式無(wú)砟軌道的受力與變形，減小軌道板?底座板離縫和砂漿脫黏等病害的發(fā)生幾率。

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Mechanical characteristics of CRTSⅡ ballastless track on bridge due to extreme temperature load

YAN Bin, CHENG Ruiqi, XIE Haoran, ZENG Zhiping

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Taking 5～32 m simply supported beam bridge as an example, a refined simulation model of CRTS Ⅱ track system on bridge was established to study the interaction between simply supported beam bridge of high- speed railway and CRTS Ⅱ ballastless track under extreme temperature. The rail, fastener, track plate, mortar layer, base plate, sliding layer, friction plate, end thorn, beam body, pier, abutment and other components were considered. The stress and deformation characteristics of the integrated system under extreme high and low temperature levels were studied. The influences of different expansion rigidity of track, friction coefficient of sliding layer and adhesion of mortar on stress and deformation were discussed. As revealed, the track plate bears more expansion force instead of rail, and the maximum axial force of track plate appears at terminal spine, which is easy to cause the upper arch failure. Under the positive temperature gradient, the maximum longitudinal stress difference between the upper and lower surfaces of track plate is up to 10.1 MPa, which will cause warping deformation and lead to the debonding of mortar layer. Under the severe cold condition, the maximum longitudinal tensile force of track plate appears at the right terminal spine, and the maximum value reaches 3.9 MPa, which is easy to cause track plate breakage. The initial crack in base plate will have an adverse effect on the stress and deformation of track plate. The sliding layer effectively weakens the beam-rail interaction, and the increase of mortar adhesion is beneficial to reduce the probability of the disease such as track plate gap and mortar debonding.

track engineering; continuously welded rail; CRTSⅡ; ballastless track; extreme temperature; beam-rail interaction

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200473

U213.912

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0830 ? 07

2020?05?29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB1201204)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2020zzts643)

曾志平(1975?)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士，從事鐵路軌道結(jié)構(gòu)研究；E?mail：hzzp7475@126.com

(編輯 陽(yáng)麗霞)