溫度荷載作用下縱連板式無砟軌道臺后錨固結(jié)構(gòu)受力變形特性

劉 浩，江 成，姜子清，鄭新國，張志遠，趙 磊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵路上海局集團有限公司工務部，上海 200071）

縱連板式無砟軌道修建過程中，會在路橋過渡段設置由摩擦板、端刺及過渡板組成的臺后錨固結(jié)構(gòu)。臺后錨固結(jié)構(gòu)承受橋梁軌道結(jié)構(gòu)傳遞的縱向荷載，實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的連續(xù)鋪設和路橋剛度的過渡，該結(jié)構(gòu)相繼在京津城際、京滬、滬杭等高鐵線路中應用［1-3］。然而，運營期錨固結(jié)構(gòu)承受由于氣候變化產(chǎn)生的極端溫度荷載，導致端刺、摩擦板與路基填料間脫空、離縫［4］，甚至出現(xiàn)軌道板上拱變形，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和線路的平順性，給高速列車安全運行帶來巨大威脅。

臺后錨固結(jié)構(gòu)依據(jù)端刺結(jié)構(gòu)可分為倒T 型和Ⅱ型2 種，國內(nèi)外學者采用模型試驗、理論分析和數(shù)值仿真等方法對臺后錨固結(jié)構(gòu)的力學行為進行了大量研究。姜子清等［5］研究表明帶肋摩擦板可有效增加錨固結(jié)構(gòu)的縱向剛度，減小荷載作用下倒T型端刺的縱向位移；董亮等［6］對比分析了倒T型和Ⅱ型端刺結(jié)構(gòu)在溫度荷載和制動力作用下的受力變形特征，提出工程使用建議；魏強等［7］采用非線性彈簧描述土體與端刺結(jié)構(gòu)之間的相互作用關系，從結(jié)構(gòu)變形、周圍土壓力等方面提出了端刺結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法；賀欣等［8］基于等效線性的原理，構(gòu)建了倒T 型端刺的動力學分析模型，并進行端刺結(jié)構(gòu)低動力優(yōu)化設計；梅大鵬等［9］基于“m”法，以非線性彈簧表征土體與端刺結(jié)構(gòu)之間的相互作用，分析了端刺結(jié)構(gòu)對無縫線路力學行為的影響，提出了短路基端刺結(jié)構(gòu)的加強方案；趙磊等［10］對溫度荷載作用下的無砟軌道整體縱向力傳遞規(guī)律及錨固結(jié)構(gòu)的力學行為進行分析，發(fā)現(xiàn)主端刺位置應力較大，并且其上軌道板與底座板會產(chǎn)生差異變形。已有研究成果主要關注錨固結(jié)構(gòu)在縱向力作用下的力學行為，對考慮溫度荷載、填筑土體性能劣化等因素作用下的錨固結(jié)構(gòu)力學特性研究尚不充分。

基于縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)體系傳力特征，建立橋梁-軌道結(jié)構(gòu)-錨固結(jié)構(gòu)-路基的三維有限元模型，模擬分析溫度荷載作用下和填筑材料劣化條件下的臺后錨固結(jié)構(gòu)受力變形特性。

1 錨固結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)

對某高鐵無砟軌道臺后錨固結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進行跟蹤調(diào)研，結(jié)果表明：在溫度荷載作用下，臺后錨固結(jié)構(gòu)過渡板與路基支承層連接處會產(chǎn)生離縫，且呈現(xiàn)出季節(jié)性變化的特征，冬季低溫時離縫增大，隨著溫度的升高，離縫減小并逐漸閉合，并造成支承層混凝土發(fā)生擠壓破裂，如圖1所示。

圖1 過渡板與路基支承層間離縫變化情況

根據(jù)路橋過渡段范圍內(nèi)錨固結(jié)構(gòu)變形觀測結(jié)果，過渡板與路基支承層間離縫變化值與溫度荷載關系明顯，低溫條件下的離縫量較大，錨固結(jié)構(gòu)水平位移朝向橋臺，當溫度降低9 ℃時（氣溫從8 ℃下降至-1 ℃），離縫量從3.8 mm 增大至7.2 mm；溫度升高至35 ℃以上時，產(chǎn)生接觸擠壓現(xiàn)象。由于支承層存在橫向切縫，且考慮到路基和砂漿層的約束，故溫度荷載下的變形量很小［11］。由此可見，過渡板與支承層之間的離縫主要是由于錨固結(jié)構(gòu)縱向位移引起的。文獻［6］和［12］研究表明，縱連板式無砟軌道需嚴格控制臺后錨固結(jié)構(gòu)變形，錨固結(jié)構(gòu)最大縱向位移設計限值要求為3 mm?？芍瑴囟群奢d作用下錨固結(jié)構(gòu)變形已超出規(guī)范要求。此外，錨固結(jié)構(gòu)變形可能會導致端刺與土體界面處產(chǎn)生脫空，由于脫空屬于內(nèi)部隱蔽性傷損，目前難以通過檢測手段獲得脫空位置及范圍，有必要對其進行深入研究，控制錨固結(jié)構(gòu)變形。

2 錨固結(jié)構(gòu)仿真

2.1 有限元模型

參照某工程縱連板式無砟軌道臺后錨固結(jié)構(gòu)設計圖［13］，本文仿真中錨固結(jié)構(gòu)具體尺寸如圖2所示。

圖2 臺后錨固結(jié)構(gòu)（單位：m）

臺后錨固結(jié)構(gòu)布置在整個路橋過渡段范圍，每個端刺垂直線路方向的寬度為12.0 m，主端刺與次端刺中心間距為9.0 m，次端刺與相鄰小端刺中心間距為8.5 m；小端刺按照其高度分為2 類，其中1.0 m 高小端刺縱向中心間距為3.5 m，1.5 m高小端刺縱向中心間距為4.5 m。錨固結(jié)構(gòu)靠近橋臺范圍采用摻水泥的級配碎石進行填筑，而遠離橋臺部分則同普通路基一致，采用AB 組填料進行填筑，其中摻水泥的級配碎石與AB 組填料分界面坡度為1∶2，分界面頂部距離橋臺20.85 m。

采用有限元軟件ANSYS 建立臺后錨固結(jié)構(gòu)仿真分析模型，如圖3所示。模型分為路基段、路橋過渡段和橋梁段3 部分。模型總長143.5 m，其中路基段長20.0 m，路橋過渡段長59.5 m，橋梁段長64.0 m。實際結(jié)構(gòu)關于路基中心對稱，模型寬度取為6.0 m。

圖3 臺后錨固結(jié)構(gòu)仿真分析模型

為了更好地模擬橋梁側(cè)傳遞至錨固結(jié)構(gòu)的縱向位移與荷載，按照縱連板上無砟軌道無縫線路計算，考慮橋臺側(cè)2 跨32 m 簡支梁作為邊界條件。模型中摩擦板、端刺、過渡板及錨固結(jié)構(gòu)范圍土體均采用實體單元模擬；錨固結(jié)構(gòu)表面與填筑材料之間采用非線性接觸的方式模擬荷載的傳遞；簡支梁與鋼軌采用空間梁單元；橋墩剛度、扣件阻力及砂漿層的約束均采用彈簧單元；橋上軌道板、底座板采用殼單元。因橋臺剛度遠大于土體，會約束土體變形，模型中將橋臺作為土體邊界條件考慮。

錨固結(jié)構(gòu)混凝土采用線彈性材料本構(gòu)模型；填料土體采用彈塑性本構(gòu)模型，并滿足Drucker-Prager 屈服準則（簡稱“DP 屈服準則”）［5-6］。既有數(shù)值模擬研究中均將AB 組填料體簡化為連續(xù)介質(zhì)，雖然滿足DP 屈服準則，但是仍會造成土體承受拉應力，從而高估AB 組填料的約束作用。模型中采用迭代的方法確定AB 組填料拉應力較大的界面，并以面面接觸的方式重新定義此界面的傳力方式，避免AB 組填料間過大拉應力的存在。但該方法僅適用于AB 組填料內(nèi)部，并不適用于AB 組填料與錨固結(jié)構(gòu)接觸面。

軌道結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)材料的計算參數(shù)參考文獻［11］取值。錨固結(jié)構(gòu)、AB 組填料及級配碎石的計算參數(shù)匯總見表1。

表1 模型主要計算參數(shù)

2.2 溫度荷載

橋梁溫度改變會使得橋梁范圍軌道板、底座板等承受附加荷載，并傳遞至錨固結(jié)構(gòu)。橋梁溫度變化幅度參考文獻［11］取值，為±30 ℃。

參考已有關于無砟軌道溫度場分布特征的研究成果［14］，按照文獻［11］中提出將混凝土收縮徐變應變簡化為降溫考慮，底座板溫度變化幅度為-60～30 ℃，軌道板變化幅度-30～40 ℃。

錨固結(jié)構(gòu)是隱蔽于路基填料中，與暴露在外界環(huán)境中的軌道結(jié)構(gòu)相比，錨固結(jié)構(gòu)溫度變化幅度在高溫季節(jié)較低，低溫條件下則較高，其溫度場分布研究較少。參考路基溫度監(jiān)測結(jié)果［15］，錨固結(jié)構(gòu)溫度變化幅度取-40～10 ℃，其中降溫幅度中也包含了混凝土收縮徐變的影響。

后續(xù)分析中均以縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的鎖定板溫作為整個模型的初始溫度，并設置為0 ℃，從而簡化溫度荷載的施加，模型中所有混凝土結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)均相同，取為1.0×10-5℃-1。由于無縫線路鋼軌處于固定區(qū)，其溫度變化不會引起錨固結(jié)構(gòu)的附加荷載，因此計算中不考慮鋼軌溫度變化。

3 臺后錨固結(jié)構(gòu)受力變形

采用前文所建立的有限元模型，分別考慮溫度荷載作用于錨固結(jié)構(gòu)，溫度荷載作用于模型整體，溫度循環(huán)荷載和填筑材料劣化4 種工況，模擬分析路橋過渡段錨固結(jié)構(gòu)受力特性。其中，溫度循環(huán)荷載工況及材料劣化工況中溫度荷載均作用于模型整體。

3.1 溫度荷載作用于錨固結(jié)構(gòu)

由于錨固結(jié)構(gòu)混凝土體積較大，溫度變化會對其變形產(chǎn)生較大影響?？紤]錨固結(jié)構(gòu)中端刺、摩擦板和過渡板整體溫度變化，分析不同升、降溫荷載對錨固結(jié)構(gòu)受力變形的影響。

1）升溫

錨固結(jié)構(gòu)升溫值分別取10，20，30 和40 ℃，錨固結(jié)構(gòu)頂面中心位置的縱向位移分布如圖4所示。圖中，橫坐標為距錨固結(jié)構(gòu)左端點的距離（左端點為錨固結(jié)構(gòu)過渡板與路基支承層結(jié)合處），縱坐標為錨固結(jié)構(gòu)頂面縱向位移，向右為正。由圖4可知：升溫工況下的錨固結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出朝向路基側(cè)的變形規(guī)律，最大位移位于過渡板和路基支承層處，因橋臺縱向剛度大，靠近橋臺處的摩擦板縱向位移相對要??；升溫20 ℃時，最大縱向位移已經(jīng)達到3.7 mm，已經(jīng)超過限值3.0 mm，并且隨升溫幅度的增加而增加。

圖4 升溫工況下錨固結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果

土體對端刺變形的約束作用使得土體承受較大的壓應力，升溫20 ℃時土體應力分布如圖5所示，以拉應力為正。由圖5 可知：錨固結(jié)構(gòu)升溫20 ℃時，土體承受的最大壓應力為89.9 kPa，位于主端刺位置處；而摩擦板范圍內(nèi)小端刺處土體受力較為均勻。此外，土體所承受的壓應力最大值與端刺結(jié)構(gòu)溫度之間近似呈線性關系，升溫值從10 ℃增加至40 ℃，應力增大約17.8%。

圖5 升溫20 ℃時路基土體主應力云圖（單位：Pa）

錨固結(jié)構(gòu)變形過程中，在靠近主端刺位置處與土體界面處產(chǎn)生豎向脫空，其長度范圍約為3 m，如圖6所示。由圖6 可知：隨著錨固結(jié)構(gòu)升溫幅度的增加，脫空值隨之增大，當錨固結(jié)構(gòu)升溫幅度為40 ℃時，最大豎向脫空值達1.72 mm。

圖6 豎向脫空

2）降溫

錨固結(jié)構(gòu)降溫值分別取10，20，30 和40 ℃，錨固結(jié)構(gòu)頂面中心位置的縱向位移分布如圖7所示。由圖7 可知：降溫條件下錨固結(jié)構(gòu)朝向橋臺側(cè)移動，最大位移同樣位于過渡板和路基支承層連接處，降溫20 ℃時的最大位移為3.6 mm（升溫20 ℃時為3.7 mm）。

圖7 降溫工況下錨固結(jié)構(gòu)頂面縱向位移

此外，錨固結(jié)構(gòu)溫降荷載工況下，主端刺與土體界面間出現(xiàn)縱向和豎向脫空，縱向和豎向脫空值與降溫值關系曲線如圖8所示。由圖8 可知：降溫工況下，無論是豎向還是縱向脫空，均隨著降溫幅度的增加而近似呈線性增大；當降溫幅度為40 ℃時，主端刺靠近路基側(cè)最大縱向脫空值達1.38 mm，最大豎向脫空值可達3.9 mm。

圖8 脫空值與降溫值關系

綜上，錨固結(jié)構(gòu)的受力變形特征受自身溫度變化的影響較為明顯，且低溫條件對結(jié)構(gòu)的錨固性能更為不利。無論是升溫或降溫工況，當溫度變化幅度超過20 ℃，錨固結(jié)構(gòu)最大的位移量均超過3.0 mm，并造成端刺與土體接觸界面存在脫空，使得錨固結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定的錨固狀態(tài)。

3.2 溫度荷載作用于模型整體

對于縱連板式無砟軌道臺后錨固結(jié)構(gòu)，其變形過程是受自身溫度應力、橋梁及軌道結(jié)構(gòu)溫度應力共同作用的結(jié)果?；?.2 節(jié)的溫度取值參數(shù)，開展溫度荷載作用于模型整體（橋梁、軌道、錨固結(jié)構(gòu)及路基填料）時錨固結(jié)構(gòu)受力變形特性分析，各結(jié)構(gòu)部位的溫度荷載均取2.2 節(jié)中的最大值。升溫工況中，橋梁、底座板、軌道板、錨固結(jié)構(gòu)的升溫值分別為30，30，40 及10 ℃；降溫工況中，其對應的降溫值分別為30，60，30及40 ℃。

圖9 為升、降溫工況中錨固結(jié)構(gòu)頂面沿縱向的位移分布圖。由圖9可知：溫度荷載作用于模型整體時，端刺縱向位移規(guī)律與溫度荷載僅作用于錨固結(jié)構(gòu)時的變化規(guī)律一致，但是數(shù)值上有一定的差異；升、降溫工況下最大位移分別為2.99 mm 與8.27 mm，相對單獨考慮錨固結(jié)構(gòu)溫度變化時結(jié)果最高增幅為64.3%?？梢?，橋梁、軌道結(jié)構(gòu)溫度荷載與錨固結(jié)構(gòu)溫度荷載疊加造成的影響更大。因此，在錨固結(jié)構(gòu)受力變形分析中需同時考慮整體結(jié)構(gòu)的溫度變化。

圖9 錨固結(jié)構(gòu)縱向位移

因模型整體溫度變化引起的錨固結(jié)構(gòu)縱向位移更大，因此端刺與土體接觸面之間的脫空范圍和脫空值也就會更大，圖10 為升溫、降溫工況下接觸界面的位移云圖。由圖10 可知：升溫工況中主端刺左側(cè)存在豎向脫空，對應的脫空值為0.81 mm，相對錨固結(jié)構(gòu)單獨升溫時的脫空值（0.15 mm）有了顯著增加；降溫工況中主要表現(xiàn)為縱向脫空，位于主端刺側(cè)邊與土體接觸面處，脫空值達到4.09 mm，相對錨固結(jié)構(gòu)單獨降溫（1.38 mm）時的增幅高達196.7%。

圖10 結(jié)構(gòu)位移云圖（單位：m）

3.3 溫度循環(huán)荷載

以上研究是針對特定溫度荷載下的錨固結(jié)構(gòu)受力變形分析，而軌道及錨固結(jié)構(gòu)溫度會隨著外界溫度的周期變化而變化；同時，荷載歷程下的土體可能會發(fā)生塑性累積變形，從而影響錨固結(jié)構(gòu)的受力變形特性。因此，考慮整體結(jié)構(gòu)溫度“升-降-升”周期循環(huán)變化，取2.2 節(jié)中各結(jié)構(gòu)最大升、降溫幅度，分析溫度循環(huán)荷載作用下的錨固結(jié)構(gòu)變形特征。計算中以“升-降”為1個循環(huán)周期。

圖11 為不同溫度循環(huán)周期數(shù)對應的錨固結(jié)構(gòu)縱向位移最大值計算結(jié)果。由圖11可知：1次溫度循環(huán)荷載作用下的錨固結(jié)構(gòu)縱向位移最大值和界面脫空最大值均較大，隨著循環(huán)周期數(shù)的增加，二者均趨于穩(wěn)定；錨固結(jié)構(gòu)正向（橋梁方向）位移最大值在8.5 mm 以內(nèi)，負向（路基方向）位移最大值在3.0 mm 以內(nèi)；循環(huán)過程中的豎向和縱向脫空最大值分別控制在0.9和4.0 mm范圍內(nèi)。

圖11 溫度循環(huán)荷載下錨固結(jié)構(gòu)縱向位移及脫空值

可見，當路基填料的力學性能在線路運營過程中能夠較好地保持時，錨固結(jié)構(gòu)的縱向位移及結(jié)構(gòu)與填料之間的脫空值均隨溫度變化發(fā)生周期性變化，但最大值基本穩(wěn)定。這也與現(xiàn)場跟蹤觀測的結(jié)果一致。盡管臺后錨固結(jié)構(gòu)處于一種較穩(wěn)定的變化狀態(tài)中，但是應該重點關注結(jié)構(gòu)變形引起的軌道結(jié)構(gòu)次生病害。

3.4 填筑材料劣化

通過將路基填料參數(shù)折減為原設計值的0.7倍，來模擬其隨服役時間延長而發(fā)生的力學性能退化。以單次整體溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形為例，計算填筑材料劣化的影響。計算結(jié)果匯總見表2，溫度荷載同3.2節(jié)取值。

由表2 可知：路基填料性能的劣化會造成結(jié)構(gòu)縱向位移及脫空值的增加；升溫工況下，填料劣化引起的錨固結(jié)構(gòu)縱向位移增加了0.57 mm，增加幅度為19.3%，豎向脫空值增加了0.25 mm，增加幅度達30.86%；降溫工況下，填料劣化引起的縱向位移增加幅度為4.2%，縱向脫空值增加幅度為2%，豎向脫空值增加0.6 mm，增加幅度達31.9%?？梢钥闯觯钪牧狭踊瘜ωQ向脫空影響明顯，端刺錨固性能保持的關鍵是保證填料的力學性能。

4 結(jié)論

（1）縱連板式無砟軌道臺后錨固結(jié)構(gòu)縱向位移及結(jié)構(gòu)與填料界面之間的脫空均與溫度荷載顯著相關，并隨著溫度變化幅度的增加而增大；當考慮軌道、橋梁及錨固結(jié)構(gòu)整體溫度變化時，對應的縱向位移與脫空值相對溫度荷載作用于錨固結(jié)構(gòu)時的增幅分別高達64.3%和196.7%。

（2）臺后錨固結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷多個溫度循環(huán)荷載作用后，其縱向位移和脫空值會逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，正、負向位移最大值分別穩(wěn)定在8.5 和3.0 mm，豎向和縱向脫空最大值分別穩(wěn)定在0.9和4.0 mm。

（3）路基填料力學性能的劣化會造成臺后錨固結(jié)構(gòu)縱向位移及結(jié)構(gòu)與填料界面之間的脫空值有較大幅度的增加，當路基填料力學性能折減為原設計值的0.7 倍時，錨固結(jié)構(gòu)位移及脫空值的增幅分別高達19.3%和31.9%。