無砟軌道層間離縫植筋修復(fù)后的傳力特性

阮舒敏 趙坪銳 寧秋嫻 李秋義

1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063

由于施工時(shí)間不同和材料性能差異，CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的乳化瀝青水泥砂漿層與軌道板、底座板間容易出現(xiàn)不同程度的離縫［1-2］。水分滲入離縫部位導(dǎo)致砂漿層強(qiáng)度降低，列車荷載和溫度荷載的耦合作用加劇砂漿層的損傷，降低其耐久性［3］。植筋+注漿修復(fù)可以提高層間的黏結(jié)性能，是處理離縫傷損常用措施。注漿僅起到將離縫部位填充、避免水分進(jìn)入的作用，植筋則可提高層間的抗拉與抗剪能力［4］。因此，主要影響結(jié)構(gòu)傳力特性的為植筋錨固修復(fù)。

相關(guān)學(xué)者對植筋錨固做了大量研究［5-6］，但對板式無砟軌道植筋錨固修復(fù)后的力學(xué)性能及破壞機(jī)理研究尚有不足。板式無砟軌道結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，承受荷載集中，運(yùn)營環(huán)境惡劣，服役性能要求高，有必要結(jié)合其結(jié)構(gòu)特征、受力特點(diǎn)和使用環(huán)境對層間離縫植筋錨固后的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。本文利用有限元軟件ABAQUS 建立模型，計(jì)算分析復(fù)合結(jié)構(gòu)層間離縫植筋修復(fù)的抗拉、抗剪力學(xué)性能以及層間破壞過程，研究植筋修復(fù)后復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征和發(fā)展規(guī)律。

1 受力分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中，軌道板和支承層通過乳化瀝青水泥砂漿黏結(jié)成一體，離縫產(chǎn)生后砂漿層與混凝土層間接觸界面發(fā)生開裂。溫度荷載作用下，軌道板與砂漿層間存在一定上拔力和剪切力，從而產(chǎn)生離縫。在離縫部位植筋后可延緩層間的進(jìn)一步脫離，提高抗拔和抗剪作用。通常在出現(xiàn)以下兩種情況時(shí)需進(jìn)行植筋修復(fù)：①軌道結(jié)構(gòu)在高溫季節(jié)出現(xiàn)上拱時(shí)，通過植筋將軌道板與底座板連接成一體，限制軌道板的上拱；②溫度梯度引起軌道板翹曲時(shí)，在板端或板邊進(jìn)行植筋，限制軌道板的翹曲變形。為模擬軌道結(jié)構(gòu)在溫度作用下的受力情況，對植筋修復(fù)的軌道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行劈拉和剪切試驗(yàn)。

化學(xué)黏結(jié)植筋錨固的初期破壞面一般發(fā)生在植筋膠的表面［7］，所以植筋錨固修復(fù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)抗拔能力在初期主要由錨栓與混凝土之間的植筋膠黏結(jié)力提供，如圖1（a）所示。植筋錨固的抗剪能力主要由混凝土和CA 砂漿界面的機(jī)械咬合力與鋼筋錨栓的抗剪力提供，如圖1（b）所示。

圖1 植筋修復(fù)試件抗拔力及抗剪力示意

2 有限元模型

基于多尺度建模技術(shù)的理念，為研究無砟軌道層間離縫植筋錨固修復(fù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)中各部件在受拉與受剪條件下的力學(xué)性能及演化機(jī)理，建立細(xì)觀尺度的植筋錨固連接精細(xì)化有限元模型。建模時(shí)重點(diǎn)考慮兩方面問題：混凝土、乳化瀝青水泥砂漿、錨栓、植筋膠等幾種介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的非線性特征；模型中鋼筋與其他軌道結(jié)構(gòu)連接所采用的植筋膠的黏結(jié)性能。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

植筋修復(fù)所用的鋼筋采用雙線性理想彈塑性力學(xué)模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按式（1）確定。

式中：σ為鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋彈性模量；εs為鋼筋應(yīng)變；εy、fy分別為鋼筋屈服應(yīng)力對應(yīng)的屈服應(yīng)變和屈服強(qiáng)度，且εy=fy/Es。

乳化瀝青水泥砂漿采用完全彈性力學(xué)模型進(jìn)行模擬。軌道板與底座板的混凝土采用塑性損傷模型，受拉、受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按式（2）、式（3）確定。

式中：σt、σc分別為混凝土受拉、受壓應(yīng)力；ε為混凝土應(yīng)變；Ec為混凝土彈性模量；dt、dc分別為混凝土單軸受拉、受壓損傷演化參數(shù)，其值按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

植筋膠的本構(gòu)關(guān)系是本模型有限元分析的關(guān)鍵。采用雙線性內(nèi)聚力模型對植筋膠進(jìn)行模擬，其張力-位移關(guān)系見圖2。圖中：σmax、τmax分別為法向、切向最大應(yīng)力值分別為法向、切向最大應(yīng)力值對應(yīng)的裂紋界面張開位移分別為法向、切向裂紋界面最終張開位移；Kn、Ks，t分別為法向、切向內(nèi)聚力剛度；φn、φs，t分別為法向、切向內(nèi)聚能。到達(dá)極限強(qiáng)度前，雙線性本構(gòu)模型表征的是線彈性階段，到達(dá)極限強(qiáng)度后表征的是線性軟化階段，斜率為內(nèi)聚力剛度。

圖2 雙線性張力-位移關(guān)系

由圖2可知：在外載荷作用下，應(yīng)力先隨位移增加而增加，達(dá)到最大峰值后開始減小，意味著該處材料開始出現(xiàn)損傷，材料剛度開始變?。辉诓牧宪浕A段，應(yīng)力隨位移增加而減小，材料損傷逐漸積累；應(yīng)力減至0時(shí)裂縫開裂完成，同時(shí)界面失去承載能力。張力-位移曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積代表內(nèi)聚能，也就是材料斷裂時(shí)的能量釋放率。

2.2 模型的建立

考慮到模型破壞區(qū)域集中在植筋附近，以植筋為中心取邊長150 mm 的正方體進(jìn)行局部建模。采用二次名義應(yīng)力損傷模型，模型尺寸與試驗(yàn)試件實(shí)際尺寸相同。厚度方向上由三層復(fù)合材料組成，各層厚度由軌道結(jié)構(gòu)實(shí)際厚度近似比換算得到：上層為70 mm 厚C55 混凝土軌道板，中層為10 mm 厚CA 砂漿層，下層為70 mm 厚C15 混凝土底座板。軌道板與CA 砂漿層間界面預(yù)設(shè)離縫。模型中間由上到下植入φ12 鋼筋，錨固長度為130 mm；鋼筋周圍插入一層1 mm 厚內(nèi)聚力單元模擬植筋膠。為提高計(jì)算效率，采用二維模型進(jìn)行有限元模擬（圖3）。建模時(shí)，混凝土、CA 砂漿、鋼筋單元類型為CPE4R，植筋膠單元類型為COH2D4。

圖3 植筋錨固復(fù)合連接有限元模型

鋼筋采用HRB500，其力學(xué)性能符合GB 1499.2—2007《鋼筋混凝土用鋼第二部分：熱軋帶肋鋼筋》的要求?；炷?、CA 砂漿材料參數(shù)見表1。采用FISV360S植筋膠，層間界面內(nèi)聚力模型參數(shù)見表2［8］。

表1 有限元模型中混凝土、CA砂漿材料參數(shù)

表2 層間界面內(nèi)聚力模型參數(shù)

3 抗拉性能

為保證有限元模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用劈拉形式模擬復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉性能，力學(xué)模型如圖4 所示。夾具采用解析剛體模擬，夾具與混凝土間的接觸設(shè)為硬接觸，摩擦因數(shù)取0.6，并設(shè)置參考點(diǎn)與夾具耦合。

圖4 植筋修復(fù)拉伸力學(xué)模型

約束下部夾具，在上部夾具加載點(diǎn)上逐步施加3.5 mm 豎向位移荷載，得到植筋錨固連接的劈拉荷載-位移關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 植筋錨固連接劈拉荷載-位移關(guān)系曲線

由圖5可知：

1）位移在0 ～ 0.52 mm 時(shí)，荷載與位移為線性關(guān)系，為彈性階段，主要是軌道板與CA 砂漿界面的黏結(jié)層、植筋膠、預(yù)設(shè)離縫界面處的鋼筋及附近混凝土發(fā)生彈性形變。C55 混凝土與CA 砂漿層間界面率先從與植筋膠接觸位置出現(xiàn)離縫并向兩端延伸，之后植筋膠從離縫界面開始發(fā)生黏結(jié)破壞并向鋼筋兩端延伸至完全破壞。

2）位移在0.52 ～ 1.76 mm 時(shí)，荷載-位移曲線斜率變小，為滑移階段，主要由鋼筋與混凝土進(jìn)行彈塑性變形。植筋膠完全破壞后，鋼筋伸長，與混凝土發(fā)生相對位移，鋼筋應(yīng)力集中在中部離縫處，此處鋼筋最先由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形。荷載繼續(xù)增大，塑性變形區(qū)向鋼筋兩端延伸，直至底部鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力?；炷翍?yīng)力集中在夾具與模型接觸點(diǎn)和預(yù)設(shè)離縫與植筋膠交界處，后者的混凝土先達(dá)到破壞點(diǎn)。

3）位移超過1.76 mm 后，荷載-位移曲線趨于平緩，進(jìn)入破壞階段，鋼筋完全屈服且被拔出混凝土，承載力主要由混凝土彈塑性變形以及鋼筋與混凝土之間機(jī)械咬合作用提供，混凝土破壞區(qū)由預(yù)設(shè)離縫與鋼筋交界處開始逐步擴(kuò)大，直至結(jié)構(gòu)完全破壞。

4 抗剪性能

對軌道板施加2 mm 水平位移荷載，將底座板底部、右側(cè)進(jìn)行全約束處理，力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 植筋修復(fù)剪切力學(xué)模型

提取橫向荷載和加載點(diǎn)水平位移，可得植筋錨固連接的剪切荷載-位移關(guān)系曲線，見圖7。

圖7 植筋錨固連接剪切荷載-位移曲線

由圖7可知：

1）位移在0 ～ 0.06 mm 時(shí)，荷載與位移為線性關(guān)系，為彈性階段，承載力由軌道板和CA 砂漿之間的機(jī)械咬合力、植筋膠與鋼筋彈性受剪提供，卸載后能復(fù)原。該階段C55 混凝土與CA 砂漿層間接觸界面處鋼筋出現(xiàn)最大剪應(yīng)力峰值且不斷增大。鋼筋受剪范圍逐漸向錨固兩端擴(kuò)大，最大剪應(yīng)力增至鋼筋的屈服強(qiáng)度時(shí)C55 混凝土與CA 砂漿層間界面的離縫深度從結(jié)構(gòu)端部延伸至與植筋膠接觸位置。

2）位移在0.06 ～ 0.63 mm 時(shí)，荷載-位移曲線變緩，為屈服階段。鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生微小變形，最大剪應(yīng)力峰值仍在增加但增幅變小，增至一定值后植筋膠產(chǎn)生脫黏現(xiàn)象，并向鋼筋兩端擴(kuò)展。

3）位移超過0.63 mm 后，荷載基本保持不變，進(jìn)入破壞階段。該階段植筋膠界面不會(huì)進(jìn)一步脫黏，鋼筋最大剪應(yīng)力峰值接近其抗剪強(qiáng)度，處于層間界面的鋼筋最大剪應(yīng)力峰值不再增加，鋼筋受剪范圍也不再擴(kuò)大，鋼筋產(chǎn)生明顯變形。若加載于上部軌道板的位移超過一定限值，鋼筋將被剪斷。

5 結(jié)論及建議

1）復(fù)合結(jié)構(gòu)層間離縫植筋錨固修復(fù)后，結(jié)構(gòu)無論受拉還是受剪，軌道板與CA 砂漿界面均優(yōu)先開裂破壞，并且在結(jié)構(gòu)受拉時(shí)裂縫由內(nèi)向外擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)受剪時(shí)裂縫由外向植筋中部擴(kuò)展，鋼筋均從注漿界面處開始發(fā)生形變。在層間離縫出現(xiàn)的過程中，植筋膠從層間黏結(jié)界面處向錨固兩端開裂。

2）植筋錨固修復(fù)后，無砟軌道結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)劈拉荷載-位移曲線以位移0.52、1.76 mm為節(jié)點(diǎn)分為彈性、滑移和破壞三個(gè)階段；剪切荷載-位移曲線以位移0.06、0.63 mm 為節(jié)點(diǎn)分為彈性、屈服、破壞三個(gè)階段。

3）對CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫植筋修復(fù)時(shí)，應(yīng)針對軌道結(jié)構(gòu)拉伸和剪切兩種受力情況下的彈性階段確定植筋的承載能力。結(jié)構(gòu)所受荷載超過彈性階段最大值后軌道結(jié)構(gòu)變形程度和速度均將增大。