銷釘錨固后CRTSⅡ型板寬窄接縫損傷及錨固方案優(yōu)化研究

劉笑凱, 劉學(xué)毅, 楊榮山

（1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院, 山西 太原 030051；2.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；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031）

1 概述

CRTSⅡ型板式無砟軌道（簡(jiǎn)稱CRTSⅡ型板）是一種縱連式無砟軌道, 其典型病害有軌道板上拱和窄接縫破損（近乎完全破損）等, 通常軌道板上拱伴隨窄接縫破損出現(xiàn)。針對(duì)此類病害, 現(xiàn)場(chǎng)主要采用銷釘錨固、板底注膠、接縫解鎖重新澆筑等進(jìn)行整治[1］, 取得較好效果。目前關(guān)于CRTSⅡ型板損傷和軌道板上拱的整治措施已有一定研究。Li等[2］利用三維有限元模型研究CRTSⅡ板接縫在溫度和列車荷載作用下的損傷規(guī)律, 表明溫度是接縫損傷的主要原因, 增加黏結(jié)強(qiáng)度可有效減少損傷；張向民等[3］利用能量變分原理和瑞利-里茲法確定縱連式軌道上拱的平衡路徑及失穩(wěn)臨界條件, 可為縱連式軌道病害整治提供理論參考；蔡嘉升[4］利用有限元模型研究解鎖再鎖定時(shí)無砟軌道受力變形規(guī)律, 建議橋梁地段解鎖與再鎖定的板溫差應(yīng)小于±5℃, 路基地段在-5~10℃；鐘陽龍等[5］研究銷釘錨固對(duì)砂漿層抗剪性能的影響, 認(rèn)為植筋可提高砂漿層的抗剪性能, 但不能避免砂漿層開裂, 溫升超過30℃時(shí)進(jìn)行寬窄接縫解鎖應(yīng)輔助其他限位措施。目前的理論研究主要針對(duì)整治措施對(duì)軌道板的受力和變形進(jìn)行研究, 銷釘錨固后寬窄接縫發(fā)生再次損傷的可能尚不明確, 同時(shí)缺乏對(duì)銷釘?shù)氖芰Ψ治? 寬窄接縫損傷直接影響軌道板穩(wěn)定性, 進(jìn)而影響銷釘受力及軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)和使用壽命, 因此應(yīng)當(dāng)對(duì)銷釘錨固后寬窄接縫的損傷行為及銷釘受力進(jìn)行研究, 并結(jié)合軌道板的穩(wěn)定性, 提出更加合理的錨固方案。

2 銷釘布置方案分析模型

2.1 有限元計(jì)算模型

分別建立寬窄接縫損傷模型和穩(wěn)定性計(jì)算模型, 針對(duì)以下兩方面內(nèi)容開展研究：（1）銷釘錨固后在溫升荷載作用下寬窄接縫的損傷；（2）窄接縫損傷后軌道板的穩(wěn)定性和銷釘受力。

2.1.1 寬窄接縫損傷模型

利用混凝土塑性損傷理論[6-7］和內(nèi)聚力理論[8-10］建立可考慮混凝土界面的寬窄接縫損傷模型。依據(jù)CRTSⅡ型板式軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 建立長(zhǎng)度為2塊軌道板（13 m）的模型（見圖1）, 鋼軌采用歐拉梁?jiǎn)卧M；扣件采用垂向彈簧單元模擬。軌道板、寬窄接縫、CA砂漿層和支承層均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬, 其中寬窄接縫采用一階線性縮減積分單元以避免剪力鎖閉。寬窄接縫-軌道板、砂漿層-軌道板界面由內(nèi)聚力單元模擬。為提高計(jì)算效率, 僅在寬窄接縫處定義塑性損傷模型, 其他部位簡(jiǎn)化為線彈性材料。支承層底部和端部及軌道板端部采用固定約束。錨固點(diǎn)處軌道板與支承層垂向位移耦合、縱向彈簧連接, 以此模擬銷釘, 銷釘在第①、④根軌枕處設(shè)置。寬窄接縫簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 寬窄接縫損傷模型

圖2 寬窄接縫簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

2.1.2 穩(wěn)定性計(jì)算模型

軌道板穩(wěn)定性計(jì)算模型見圖3。根據(jù)CRTSⅡ型板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和上拱后形態(tài), 對(duì)模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化：

圖3 穩(wěn)定性計(jì)算模型

（1）忽略鋼軌、扣件影響；

（2）通常軌道板上拱均伴隨砂漿層的脫連, 故不單獨(dú)考慮砂漿層影響, 軌道板與支承層之間建立接觸關(guān)系；

（3）只考慮軌道板縱向、垂向受力, 忽略橫向效應(yīng), 故軌道板、支承層與寬窄接縫均采用4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)力實(shí)體單元模擬；

（4）銷釘采用垂向約束和縱向彈簧的方式進(jìn)行模擬, 考慮錨固方式及銷釘與混凝土間的關(guān)系, 錨固點(diǎn)處的垂向剛度較大, 將軌道板下表面錨固點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)垂向自由度進(jìn)行約束, 縱向利用非線性彈簧進(jìn)行模擬；

（5）只考慮窄接縫存在一處損傷, 并考慮最不利工況即窄接縫完全破損（見圖3）, 即將窄接縫處建立為“空洞”形式。

支承層底部和端部以及軌道板端部采用固定約束。

2.2 銷釘布置方案

目前的銷釘錨固方案中銷釘在軌道板的橫向位置見圖4, 銷釘采用HRB500級(jí)φ28鋼筋植入支承層160 mm, 位于2根軌枕和縱向鋼筋之間, 中心距離軌道板橫向中心線205 mm。

圖4 銷釘在軌道板的橫向位置

銷釘?shù)目v向位置通常沿寬窄接縫對(duì)稱布置, 從寬窄接縫到板中銷釘?shù)奈恢弥饕幸韵聨追N布置方案（見圖1）：

方案1：第①、④根軌枕處。

方案2：第②、④根軌枕處。

方案3：第①、②、④根軌枕處。

方案4：第①、③、④、⑤根軌枕處。

方案5：第①、②、④、⑤根軌枕處。

作為對(duì)比分析, 提出以下幾種對(duì)比方案：

方案6：第①根軌枕處。

方案7：第①、②根軌枕處。

方案8：第①、②、③根軌枕處。

方案9：第①、②、③、④根軌枕處。

方案10：第②根軌枕處。

方案11：第③根軌枕處。

方案12：第②根軌枕處, 橫向1根銷釘。

方案13：第②根軌枕處, 橫向3根銷釘。

以上方案銷釘均設(shè)置在2根軌枕和縱向鋼筋之間, 方案1—方案11按照?qǐng)D4設(shè)置, 方案12設(shè)置于軌枕橫軸與軌道板縱軸交叉點(diǎn)處, 方案13在縱向鋼筋間等間距（196.7 mm）設(shè)置。

2.3 計(jì)算參數(shù)

寬窄接縫處混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11］?；炷了苄該p傷模型利用損傷因子d來描述混凝土損傷程度,d取1時(shí)表明結(jié)構(gòu)完全失效, 取0時(shí)表示結(jié)構(gòu)無損傷。不同應(yīng)變下的拉壓損傷因子如下[12］：

式中：t和c分別表示拉伸和壓縮；α為無量綱材料參數(shù)；β為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù), 受壓時(shí)取0.4, 受拉時(shí)取0.7；εin為混凝土拉壓時(shí)的非彈性階段應(yīng)變；E0為彈性模量。

軌道板與砂漿層以及軌道板與寬窄接縫這2種內(nèi)聚力單元的參數(shù)見表1[13］。

表1 界面參數(shù)

根據(jù)銷釘剛度試驗(yàn)結(jié)果[14］, 銷釘剪力-位移關(guān)系曲線見圖5, 剪切強(qiáng)度為97.44 MPa。

圖5 銷釘剪力-位移關(guān)系曲線

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明現(xiàn)場(chǎng)軌道板最高溫度可達(dá)60℃[15］, 保守考慮, 計(jì)算中的溫升最大值取60℃, 軌道板上拱位移限值取2 mm[16］, HRB500鋼筋屈服強(qiáng)度為435 MPa[11］。其他主要計(jì)算參數(shù)見表2[17-18］。

表2 主要計(jì)算參數(shù)

3 銷釘錨固對(duì)寬窄接縫損傷的影響

各方案下寬窄接縫的損傷程度和損傷范圍相似, 選取方案5進(jìn)行分析。溫升為40℃時(shí)銷釘錨固前后寬窄接縫的損傷因子云圖見圖6, 可見, 銷釘錨固前后寬窄接縫的受壓和受拉損傷分布均基本一致, 其中受壓損傷主要分布在窄接縫處, 受拉損傷主要集中在寬、窄接縫界面及寬窄接縫內(nèi)部尺寸突變處。寬窄接縫受拉和受壓損傷因子大小均接近于1, 接近于完全損傷, 其中錨固后寬窄接縫最大受壓損傷略大于錨固前, 而受拉損傷略小, 但影響程度均很小。因此, 銷釘錨固對(duì)寬窄接縫的損傷無影響, 錨固后寬窄接縫仍存在繼續(xù)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。可見以窄接縫完全破損為最不利工況研究銷釘?shù)暮侠聿贾梅桨甘呛侠淼摹?/p>

圖6 寬窄接縫的損傷因子云圖

4 銷釘錨固對(duì)軌道板穩(wěn)定性的影響

銷釘錨固方案的優(yōu)化應(yīng)從銷釘數(shù)量、位置等方面入手, 分析這些因素對(duì)軌道板穩(wěn)定性及銷釘受力的影響, 進(jìn)而提出最優(yōu)方案。

4.1 錨固點(diǎn)數(shù)量影響

根據(jù)前述分析, 目前錨固方案每塊板的錨固點(diǎn)數(shù)量有多種, 因此應(yīng)分析銷釘數(shù)量的影響, 以方案6—方案9分析錨固點(diǎn)數(shù)量的影響。

（1）軌道板上拱位移。各方案下軌道板的最大上拱位移均出現(xiàn)在寬窄接縫處, 其值隨溫升的變化見圖7, 可以看出, 各方案下軌道板的最大上拱位移變化趨勢(shì)基本呈線性變化, 且各曲線均非常接近, 溫升60℃時(shí)各方案下軌道板最大上拱位移分別為0.61、0.60、0.60、0.59 mm, 表明增加銷釘數(shù)量可提高軌道板的穩(wěn)定性, 但影響很小。

圖7 各方案下的軌道板上拱位移變化

（2）銷釘受力。各方案下均為寬窄接縫附近第1根銷釘受力最大, 該銷釘受力情況見圖8, 可以看出, 各方案下銷釘受力均呈線性變化, 且相同溫升下的受力大小基本相同, 溫升為60℃時(shí), 銷釘?shù)纳习瘟Α⒓魬?yīng)力和Von Mises應(yīng)力分別在225、33、225 MPa左右, 均未超過銷釘?shù)那?qiáng)度（435 MPa）。

圖8 各方案下受力最大銷釘受力情況

綜上所述, 錨固點(diǎn)數(shù)量對(duì)軌道板穩(wěn)定性和銷釘受力影響均較小, 增加錨固點(diǎn)后, 遠(yuǎn)離寬窄接縫的銷釘并不能充分發(fā)揮作用, 建議采用1個(gè)錨固點(diǎn)即可。

4.2 第1組銷釘位置分析

根據(jù)前述研究, 單塊板上的銷釘數(shù)量對(duì)軌道板穩(wěn)定性和銷釘受力均影響較小, 因此只對(duì)寬窄接縫附近單點(diǎn)錨固方案進(jìn)行研究, 選取方案6、方案10、方案11進(jìn)行分析。

（1）軌道板上拱位移。各方案下的軌道板最大上拱位移見圖9, 可以看出, 各方案下軌道板最大上拱位移隨溫升的增加而增加, 各方案在溫升為60℃時(shí)的上拱位移分別為0.61、1.97、3.49 mm, 溫升為35℃左右時(shí)方案11的最大上拱位移便已超過上拱限值。由以上分析可知, 第1個(gè)錨固點(diǎn)離損傷的寬窄接縫越遠(yuǎn), 軌道板穩(wěn)定性越差, 當(dāng)?shù)?個(gè)錨固點(diǎn)在距離寬窄接縫第3個(gè)軌枕或更遠(yuǎn)時(shí), 軌道板便可能發(fā)生上拱超限。

圖9 各方案下的軌道板最大上拱位移

（2）銷釘受力。各方案下的銷釘受力見圖10, 可以看出, 各方案下銷釘?shù)募魬?yīng)力大小基本相等, 但上拔力和Von Mises應(yīng)力變化較大, 為方案6＞方案10＞方案11；溫升為60℃時(shí), 方案6、方案10、方案11對(duì)應(yīng)的銷釘上拔力分別為229.52、131.57、88.38 MPa, Von Mises應(yīng) 力 分 別 為232.10、136.17、94.79 MPa, 與方案6相比, 方案10、方案11的銷釘上拔力分別降低了42.68%和61.49%, Von Mises應(yīng)力分別降低了41.33%和59.16%。

圖10 各方案下的銷釘受力

綜上所述, 第1個(gè)錨固點(diǎn)離損傷的寬窄接縫越遠(yuǎn), 軌道板上拱位移越大, 穩(wěn)定性越差, 但銷釘受力更小, 結(jié)合以上分析, 建議第1個(gè)錨固點(diǎn)設(shè)置在寬窄接縫旁第2根軌枕處。

4.3 同一錨固點(diǎn)銷釘數(shù)量的影響

軌道板中心線附近的2根縱向鋼筋間距為590 mm, 考慮到鉆孔和受力影響, 分析時(shí)橫向銷釘數(shù)量最大取3, 并結(jié)合前述研究, 選取方案10、方案12和方案13進(jìn)行研究。

（1）軌道板上拱位移。各方案下軌道板的上拱位移見圖11, 可以看出, 各方案下軌道板的上拱位移幾乎相同, 溫升為60℃時(shí), 軌道板上拱位移分別為1.99、1.98、1.96 mm, 可見, 增加同一錨固點(diǎn)的銷釘數(shù)量可降低軌道板的上拱位移并增加其穩(wěn)定性, 但影響很小。

圖11 各方案下的軌道板上拱位移

（2）銷釘受力。各方案下銷釘受力見圖12, 可以看出, 各方案下銷釘?shù)募魬?yīng)力大小基本相等, 但上拔力和Von Mises應(yīng)力變化較大, 為方案10＞方案12＞方案13；溫升為60℃時(shí), 方案10、方案12、方案13對(duì)應(yīng)的銷釘上拔力分別為272.21、131.57、84.86 MPa, Von Mises應(yīng)力分別為274.60、136.17、91.45 MPa, 與方案10相比, 方案12、方案13的銷釘上拔力分別降低了51.67%和68.83%, Von Mises應(yīng)力分別降低了45.00%和66.70%。

圖12 各方案下的銷釘受力

綜上所述, 同一錨固點(diǎn)的銷釘數(shù)量對(duì)軌道板穩(wěn)定性影響較小, 但隨著銷釘數(shù)量增加, 其受力明顯減小, 因此, 建議同一錨固點(diǎn)最中間的2根縱向鋼筋間（鋼筋位置見圖4）植入3根銷釘。

5 結(jié)論

針對(duì)不同銷釘錨固方案下軌道板的穩(wěn)定性和銷釘受力進(jìn)行分析, 得出以下結(jié)論：

（1）銷釘錨固后窄接縫仍存在完全破損可能, 損傷形式和程度與錨固前類似, 應(yīng)以窄接縫完全破損為最不利工況。

（2）同一塊板上錨固點(diǎn)數(shù)量對(duì)軌道板穩(wěn)定性和銷釘受力影響均較小, 寬窄接縫附近僅設(shè)置1處錨固點(diǎn)即可。

（3）第1個(gè)錨固點(diǎn)離損傷的寬窄接縫越遠(yuǎn), 軌道板穩(wěn)定性越差, 但銷釘受力更小, 超過第3根軌枕時(shí), 軌道板上拱位移超限, 但銷釘上拔力可降低40%, 建議第1個(gè)錨固點(diǎn)設(shè)置在寬窄接縫旁第2根軌枕處。

（4）同一錨固點(diǎn)的銷釘數(shù)量對(duì)軌道板穩(wěn)定性影響較小, 但增加銷釘數(shù)量可明顯改善其受力, 銷定數(shù)量由1增至3時(shí)上拔力降低45%, 因此, 建議同一錨固點(diǎn)最中間的2個(gè)縱向鋼筋間植入3根銷釘。

（5）綜合軌道板穩(wěn)定性和銷釘受力和耐久性, 建議按照方案13進(jìn)行錨固。