CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)上拱變形原因分析

劉振宇鄧逆濤李泰灃陳鋒王李陽(yáng)

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.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

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)是指設(shè)置在路橋過(guò)渡段上由摩擦板、端刺、過(guò)渡板等部件組成的結(jié)構(gòu)，一般分為倒T形和π形。臺(tái)后錨固體系主要功能是承擔(dān)橋梁上傳來(lái)的縱向力，保證路基段軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及通過(guò)降低不同結(jié)構(gòu)間剛度差，確保結(jié)構(gòu)間協(xié)調(diào)變形及縱向剛度平順過(guò)渡［1］。

已有眾多學(xué)者針對(duì)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)在縱向力作用下引起的變形及應(yīng)力變化作了研究。董亮等［1］采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，分析了端刺結(jié)構(gòu)在溫度力和制動(dòng)力條件下應(yīng)力分布及縱向位移變化規(guī)律。劉瑋瑋［2］采用數(shù)值模擬方法計(jì)算分析了倒T形和π形斷刺結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征，表明主端刺處豎向加速度較大、豎向位移較小。曹智騰［3］建立了端刺區(qū)路基不均勻沉降條件下無(wú)砟軌道-錨固結(jié)構(gòu)-路基有限元模型，計(jì)算分析了不同沉降參數(shù)影響下端刺結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性，路基沉降波長(zhǎng)一定時(shí)，無(wú)砟軌道受力和變形隨幅值的增大而增大；幅值一定時(shí)，受力和變形隨波長(zhǎng)先增大后減小。袁玲妍［4］建立了端刺區(qū)路基不均勻沉降條件下列車(chē)-軌道-路基有限元模型，計(jì)算分析了不同沉降參數(shù)影響下端刺結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，根據(jù)動(dòng)力學(xué)特性提出了路基沉降幅值應(yīng)小于20 mm/20 m。魏強(qiáng)等［5-6］采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式得到了端刺結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載條件下縱向位移和縱向力分布特點(diǎn)；同時(shí)提出了無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的解析計(jì)算方法，并采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。劉浩等［7-8］建立三維有限元分析模型，計(jì)算分析了溫度場(chǎng)對(duì)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)豎向變形的影響；同時(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)期高速鐵路臺(tái)后錨固體系展開(kāi)年際變形監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，縱連式臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)明顯，端刺錨固結(jié)構(gòu)變形會(huì)影響過(guò)渡板與支承層連接部位附近的寬窄接縫狀態(tài)。

1 高速鐵路上拱段線(xiàn)形垂向偏差特點(diǎn)

滬昆高速鐵路自2014年竣工以來(lái)，部分區(qū)段出現(xiàn)上拱變形，軌道線(xiàn)形受到明顯影響。其中，K385+084地段位于平塘特大橋大里程端橋墩臺(tái)與路基結(jié)合處附近；K385+340地段位于上山溪特大橋小里程端橋墩臺(tái)與路基結(jié)合處附近，兩地段之間為路基結(jié)構(gòu)。

2014年與2020年區(qū)段上行線(xiàn)左軌線(xiàn)形垂向偏差對(duì)比見(jiàn)圖1?？芍?，在K385+091處累計(jì)最大抬升量達(dá)29.3 mm；K385+088與K385+352處線(xiàn)形變化趨勢(shì)相同，均是在路橋結(jié)合處垂向變形較大，K385+088處平均垂向偏差24.1 mm，K385+352處27.1 mm；在過(guò)渡段處垂向偏差有較大程度回落，K385+088處平均垂向偏差12.0 mm，K385+352處5.5 mm。這是由于臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)作為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，有效抑制了路基上拱對(duì)軌道垂向偏差的影響所致。由此可知，路基上拱對(duì)路橋結(jié)合處影響較大，但對(duì)由臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)組成的過(guò)渡段影響較小。

圖1 2014年與2020年上行線(xiàn)左軌垂向偏差對(duì)比

2 過(guò)渡段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

K385+361斷面路基高度約2.7 m，在路橋過(guò)渡段橋臺(tái)附近埋設(shè)4個(gè)單點(diǎn)位移計(jì)，深度為1.0、2.0、3.5、5.6 m。某時(shí)間段路基分層變形見(jiàn)圖2。可知，最大上拱變形為4.63 mm，平均變形速率為0.35 mm/月，近一個(gè)月變形速率為0.30 mm/月。路基0~1.0 m深度內(nèi)累積上拱變形在0左右，0~2.0、0~3.5、0~5.6 m深度內(nèi)累積上拱變形均在4 mm以上，可知路基上拱變形主要發(fā)生于1~2 m深土層內(nèi)，橋臺(tái)附近路基上拱變形隨溫度的周期性變化影響不顯著。

圖2 不同深度路基變形時(shí)程曲線(xiàn)

沿摩擦板縱向布置的7個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，間隔6～7 m，表面溫度時(shí)程曲線(xiàn)及上拱變形時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖3?？芍嚎拷鼧蚺_(tái)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2上拱變形對(duì)溫度的周期性變化影響不顯著，最大上拱變形為4.71 mm，與分層變形時(shí)程曲線(xiàn)數(shù)據(jù)基本吻合，2020年10月末上拱變形與最大上拱變形之差僅為0.93 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3—6上拱變形與溫度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，最大上拱變形均在2021年7月中旬地表溫度最高時(shí)達(dá)到，為2.04~2.83 mm，2021年10月末上拱變形基本為0。監(jiān)測(cè)點(diǎn)7與溫度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，在-1~1 mm振蕩。

圖3 摩擦板表面溫度和上拱變形時(shí)程曲線(xiàn)

綜上，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)在靠近橋臺(tái)處上拱變形由路基上拱引起，這與軌道垂向偏差數(shù)據(jù)體現(xiàn)的規(guī)律相吻合；在其中部的上拱變形主要由橋上溫度縱向力引起，在年度溫度的周期性變化條件下隨之呈現(xiàn)周期性變化；在靠近大端刺處的變形總體上與溫度的相關(guān)性不強(qiáng)。

3 過(guò)渡段現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

K385+361過(guò)渡段混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多種裂縫，如圖4所示。其中，橫向擋塊本是約束軌道結(jié)構(gòu)橫向位移和豎向位移的裝置，可以將溫度縱向力向大端刺方向傳遞，但在本次調(diào)研中發(fā)現(xiàn)多處橫向擋塊未有縱向滑動(dòng)痕跡，且橫向擋塊表面產(chǎn)生明顯的拉裂縫（圖5），可知橫向擋塊本身在年度溫度的周期性變化條件下產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，推知橫向擋塊約束了溫度縱向力的傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)和臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上拱變形。

圖4 路橋過(guò)渡段處軌道結(jié)構(gòu)破損

圖5 橫向擋塊拉裂縫

4 過(guò)渡段數(shù)值分析

采用有限元軟件建立K385+361過(guò)渡段臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型，總長(zhǎng)度為62.73 m，高度為4.4 m，如圖6所示。其中橋臺(tái)長(zhǎng)度為6.73 m，路橋過(guò)渡段長(zhǎng)度為56 m，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)關(guān)于路基中心對(duì)稱(chēng)，所以取模型寬度為4.5 m，摩擦板厚度為0.4 m，其下設(shè)置11個(gè)高度為1 m的小端刺。倒T形主端刺上部豎墻厚度為1 m，高度為2.75 m，下部底板沿線(xiàn)路縱向?yàn)? m。錨固結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)土體由級(jí)配碎石摻水泥填筑。

圖6 倒T形臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)有限元模型

模型各組成部分均采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分六面體單元模擬。軌道結(jié)構(gòu)、底座板、摩擦板等混凝土結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性模型，級(jí)配碎石層采用Mohr-Coulomb非線(xiàn)性模型。底座板與摩擦板之間滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5；摩擦板與級(jí)配碎石層采用庫(kù)倫摩擦理論，摩擦因數(shù)為0.5。模型主要結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型主要結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

在摩擦板上每隔5.7 m設(shè)置1對(duì)橫向擋塊，第1對(duì)橫向擋塊距離路橋結(jié)合處1.6 m，共設(shè)置8對(duì)。實(shí)際計(jì)算中每次綁定1對(duì)擋塊的縱向位移，用以模擬擋塊限制溫度縱向力向大端刺傳遞的工況。軌道結(jié)構(gòu)承擔(dān)的溫度力荷載以分布力的形式進(jìn)行模擬，加載位置位于橋臺(tái)頂面軌道板和底座板橫截面上，作用于軌道板和底座板橫截面上的溫度力為5.5 MN［9］。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種典型的圖形化概率模型，可以結(jié)合故障當(dāng)中所出現(xiàn)的各類(lèi)型定量信息以及定性信息，同時(shí)還是可以實(shí)現(xiàn)故障出現(xiàn)之前的信息與故障發(fā)生時(shí)的信息的有效整合，進(jìn)行統(tǒng)一化的利用，所以利用這一方法去診斷車(chē)門(mén)故障的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)信息不夠完善是不會(huì)對(duì)診斷結(jié)果產(chǎn)生很大的影響的。與此同時(shí)，利用這一方法，可以有效預(yù)測(cè)車(chē)門(mén)故障的出現(xiàn)概率，這也是該方法的最大優(yōu)勢(shì)。

各橫向擋塊阻擋溫度縱向力傳遞工況下最大縱向變形分布規(guī)律見(jiàn)圖7?？芍鹤畲罂v向變形出現(xiàn)于被綁定擋塊處，表明在該處其溫度應(yīng)力達(dá)到最大。隨著被綁定橫向擋塊向大端刺方向移動(dòng)，最大縱向變形量線(xiàn)性減小，綁定1#、8#橫向擋塊時(shí)其最大縱向變形分別為1.80、0.31 mm，表明底座板與摩擦板之間的滑動(dòng)摩擦在該過(guò)程中發(fā)揮了顯著作用。不論綁定哪一對(duì)橫向擋塊，摩擦板的縱向變形均沒(méi)有超過(guò)3 mm，表明在該工況下摩擦板的縱向變形滿(mǎn)足要求。

圖7 最大縱向變形規(guī)律

各橫向擋塊阻擋溫度縱向力傳遞工況下摩擦板上拱變形曲線(xiàn)見(jiàn)圖8?？芍?，最大上拱變形出現(xiàn)于被綁定擋塊位置處。在最大上拱變形過(guò)后摩擦板會(huì)出現(xiàn)一段下沉變形，之后是一段波長(zhǎng)較長(zhǎng)且幅值較小的上拱變形，這是由于摩擦板的變形協(xié)調(diào)條件所致，此規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)7規(guī)律基本吻合。同時(shí)，在大端刺頂面處出現(xiàn)一個(gè)幅值較小的上拱變形值，這是由于大端刺處剛度過(guò)大所致。

圖8 摩擦板上拱變形規(guī)律

各橫向擋塊阻擋溫度縱向力傳遞條件下最大上拱變形分布規(guī)律見(jiàn)圖9。可知，最大上拱變形呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在綁定3#橫向擋塊時(shí)最大上拱變形達(dá)到極大值5.23 mm，已超過(guò)5 mm。在綁定4#—6#橫向擋塊時(shí)最大上拱變形分別為4.52、3.33、2.61 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)3—6數(shù)據(jù)基本吻合。

圖9 最大上拱變形規(guī)律

各橫向擋塊阻擋溫度縱向力傳遞條件下上拱變形波長(zhǎng)分布規(guī)律見(jiàn)圖10?？芍?，在綁定1#—4#橫向擋塊時(shí)，上拱變形波長(zhǎng)線(xiàn)性增大，最大可至25 m左右；在綁定4#—8#橫向擋塊時(shí)，摩擦板上拱變形波長(zhǎng)穩(wěn)定在25 m左右。

圖10 上拱變形波長(zhǎng)規(guī)律

5 結(jié)論

本文采用軌道線(xiàn)形測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及數(shù)值分析等手段，分析了滬昆高速鐵路K385+361過(guò)渡段上拱變形的原因，得到以下結(jié)論：

1）自竣工以來(lái)該區(qū)段路基存在上拱現(xiàn)象，路基上拱變形主要發(fā)生于路基1~2 m深度土層內(nèi)，且在路橋結(jié)合處上拱現(xiàn)象較為顯著，但在過(guò)渡段靠近大端刺方向由路基引起的上拱現(xiàn)象得到有效抑制。

2）靠近路橋結(jié)合處摩擦板上拱變形與溫度變化相關(guān)性不強(qiáng)，在過(guò)渡段中部的摩擦板上拱變形與溫度變化相關(guān)性較為顯著，靠近大端刺處摩擦板上拱變形與溫度變化有一定相關(guān)性。

3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)過(guò)渡段處混凝土結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)橫向裂縫，橫向擋塊處未發(fā)現(xiàn)縱向滑動(dòng)的痕跡，且橫向擋塊多處出現(xiàn)斜向拉裂縫，表明橫向擋塊在溫度縱向力作用下應(yīng)力較大。

4）橫向擋塊阻擋溫度縱向力傳遞工況下摩擦板最大縱向位移不超過(guò)3 mm，且隨著綁定擋塊由橋頭向大端刺方向移動(dòng)線(xiàn)性減小；在綁定4#—6#橫向擋塊時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)3—6數(shù)據(jù)基本吻合，可推測(cè)過(guò)渡段中部隨溫度變化引起的上拱量主要是由上述3對(duì)橫向擋塊傳遞溫度縱向力不暢導(dǎo)致。