溫度荷載作用下寬窄接縫狀態(tài)變化規(guī)律研究

婁小強(qiáng),林文,龐聰

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海工務(wù)段,上海 200071)

CRTSⅡ型板式無砟軌道具有平順性高、穩(wěn)定性好、養(yǎng)護(hù)維修少等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)廣泛鋪設(shè)[1]。無砟軌道長(zhǎng)期服役于自然環(huán)境中,受到外界環(huán)境影響較大。由于無砟軌道層間結(jié)構(gòu)材料熱行為差異的溫度敏感性,在溫度荷載作用下寬窄接縫容易出現(xiàn)離縫、傷損等病害,從而影響無砟軌道穩(wěn)定性[2]。因此,考慮溫度荷載對(duì)寬窄接縫狀態(tài)的影響,分析寬窄接縫狀態(tài)變化規(guī)律具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

寬窄接縫狀態(tài)作為軌道結(jié)構(gòu)服役的關(guān)鍵性指標(biāo),相關(guān)學(xué)者做了一定的研究,如劉鈺等[3]通過建立有限元模型,施加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度荷載對(duì)無砟軌道溫度應(yīng)力進(jìn)行研究,并對(duì)無砟軌道層間離縫治理提出建議。王明昃[4]等通過制作道床板-支承層混凝土復(fù)合試件,研究界面破壞的特點(diǎn)從而得出界面疲勞S-N曲線。目前對(duì)溫度荷載循環(huán)作用下的寬窄接縫狀態(tài)研究較少,有必要進(jìn)行下一步的研究。因此,本文以無砟軌道寬窄接縫為研究對(duì)象,分析溫度荷載規(guī)律和寬窄接縫破壞機(jī)理,澆筑標(biāo)準(zhǔn)小比例復(fù)合試件進(jìn)行試驗(yàn),并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立有限元模型進(jìn)行仿真分析。

1 無砟軌道溫度荷載作用特點(diǎn)

1.1 溫度荷載規(guī)律與作用下力學(xué)特征

無砟軌道服役期間與外界環(huán)境熱傳遞方式較為復(fù)雜,主要通過輻射、傳導(dǎo)與對(duì)流等多種方式進(jìn)行傳遞,導(dǎo)致無砟軌道內(nèi)部溫度隨外界條件變化?，F(xiàn)有研究表明,對(duì)無砟軌道內(nèi)部溫度影響較為明顯的溫度荷載為內(nèi)部的溫度梯度荷載[5]。溫度梯度指的是外界條件引起的沿?zé)o砟軌道結(jié)構(gòu)厚度方向不均勻的溫度分布。由于混凝土傳熱性能較差,在太陽照射下無砟軌道上、下表面溫度不同,造成一定的溫度差,從而形成溫度梯度[6]。不均勻的溫度作用會(huì)導(dǎo)致軌道板的翹曲變形,進(jìn)一步產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。當(dāng)遭遇暴雨、強(qiáng)冷空氣等極端天氣,無砟軌道表面溫度驟降,形成負(fù)溫度梯度,同樣會(huì)使軌道板產(chǎn)生翹曲變形與翹曲應(yīng)力。

1.2 溫度荷載作用下寬窄接縫破壞機(jī)理

寬窄接縫在復(fù)雜的環(huán)境持續(xù)作用下逐漸出現(xiàn)各種傷損,界面性能的劣化也是不可避免的。傷損病害的出現(xiàn)可能導(dǎo)致無砟軌道結(jié)構(gòu)的傳力特性發(fā)生改變,嚴(yán)重時(shí)甚至影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。無砟軌道運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)的傷損問題大多數(shù)集中在層間界面,傷損特征主要表現(xiàn)為層間界面破損、離縫等。由于溫度荷載作用導(dǎo)致軌道板翹曲變形引起寬窄接縫破損、離縫等現(xiàn)象,如圖1所示。

圖1 某無砟軌道線路寬窄接縫損傷情況

寬窄接縫薄弱性是由無砟軌道結(jié)構(gòu)、材料及施工工藝所決定的。不同結(jié)構(gòu)層間界面屬于新老混凝土結(jié)合面,受力性能較為薄弱。運(yùn)營(yíng)期間溫度荷載循環(huán)作用導(dǎo)致界面性能劣化并使得損傷逐漸累積,最終導(dǎo)致寬窄接縫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

2 小比例試件制作與試驗(yàn)方案

2.1 小比例試件制作

寬窄接縫是位于兩塊軌道板之間的T型結(jié)構(gòu),是用于連接兩塊軌道板的后澆帶,具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。小比例試件為復(fù)合試件根據(jù)《CRTS Ⅱ型縱連板式無砟軌道混凝土軌道板》(TB/T 3399—2015)規(guī)范要求制作[7],其中底座板為C25混凝土,軌道板、CA砂漿層和寬窄接縫皆為C55混凝土。

圖2 寬窄接縫與軌道板連接結(jié)構(gòu)示意圖

試件按照先澆筑底座板、CA砂漿、軌道結(jié)構(gòu)最后寬窄接縫的順序進(jìn)行制作。在550 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)模具中澆筑底座板,進(jìn)行振搗養(yǎng)護(hù),再澆筑CA砂漿層進(jìn)行養(yǎng)護(hù),放置寬窄接縫模型;同時(shí)澆筑軌道板,養(yǎng)護(hù)完成試件見圖3。拆下模型后清理寬窄接縫區(qū)域,澆筑寬窄接縫混凝土養(yǎng)護(hù),得到標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合小比例試件見圖4。

圖3 拆除寬窄接縫模型

圖4 標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合小比例試件

2.2 試驗(yàn)方案

為更好地模擬溫度荷載作用下寬窄接縫處可能出現(xiàn)的上拱問題,現(xiàn)對(duì)復(fù)合試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)加載方式見圖5。采集試驗(yàn)中力與位移的關(guān)系,并根據(jù)力與位移的關(guān)系來分析寬窄接縫的破壞過程。

圖5 彎曲試驗(yàn)加載示意圖

為模擬溫度荷載循環(huán)作用對(duì)寬窄接縫狀態(tài)的影響,考慮我國(guó)溫度分布特點(diǎn),溫度循環(huán)范圍設(shè)置為-15～60℃。試件在溫度箱中由常溫升到60℃恒溫,降溫到-15℃恒溫,最后升溫到常溫。溫差作用導(dǎo)致試件內(nèi)部形成溫度梯度從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,溫度應(yīng)力反復(fù)作用,試件內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋,進(jìn)而影響其性能,導(dǎo)致試件的極限承載力下降。現(xiàn)對(duì)試件進(jìn)行0次、10次、20次、30次的溫度循環(huán)作用,并對(duì)溫度循環(huán)作用后的試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn),得到試件力與位移的變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同溫度循環(huán)作用下力與位移的變化規(guī)律

由圖6可知,0次溫度循環(huán)作用的試件極限承載力為49.52 kN,經(jīng)歷10次作用試件承載力為44.46 kN,經(jīng)歷20次作用試件承載力為36.41 kN,經(jīng)歷30次作用試件承載力為20.38 kN。隨著溫度循環(huán)作用次數(shù)的增加,試件承載力逐漸降低,0～20次溫度作用試件承載力下降較為平緩,30次溫度作用試件承載力下降為原來的41.16%。

3 寬窄接縫仿真分析

3.1 建立寬窄接縫有限元模型

采用ANSYS有限元軟件建立寬窄接縫有限元實(shí)體模型,軌道結(jié)構(gòu)中不同的材料參數(shù)設(shè)置如表1所示[7]。如圖7所示的T型寬窄接縫是兩塊軌道板中間連接結(jié)構(gòu),現(xiàn)對(duì)寬窄接縫模型不同部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 寬窄接縫有限元模型材料參數(shù)

圖7 寬窄接縫有限元模型網(wǎng)格劃分

寬窄接縫界面性能的研究采用內(nèi)聚力本構(gòu)模型設(shè)置,本試驗(yàn)采用ANSYS軟件中自帶的基于斷裂能內(nèi)聚區(qū)定義內(nèi)聚力本構(gòu)材料,具體的參數(shù)參考現(xiàn)有研究?，F(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)加載方式對(duì)寬窄接縫模型施加邊界條件,在模型的底部施加兩個(gè)固定約束。最后在寬窄接縫頂面施加向下的力。根據(jù)疲勞損傷累積理論P(yáng)-M法則施加0次、10次、20次、30次的溫度循環(huán)作用進(jìn)行仿真分析[8],仿真結(jié)果應(yīng)力云圖見圖8。

圖8 溫度循環(huán)0-30次試件應(yīng)力云圖

隨著溫度循環(huán)作用次數(shù)的增加,寬窄接縫應(yīng)力最大值逐漸增加。0～20次作用應(yīng)力增加不明顯,30次溫度循環(huán)應(yīng)力最大值增加約為初始的2.1倍。提取沿寬窄接縫中心處一垂向路徑上不同溫度循環(huán)條件下的應(yīng)力變化曲線見圖9。由圖9可知,0～20次溫度循環(huán)作用下應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同,曲線中出現(xiàn)的應(yīng)力峰值為60 mm處寬窄接縫底部與CA砂漿層界面應(yīng)力值。不同材料在溫度荷載作用下的應(yīng)力值會(huì)產(chǎn)生突變,界面應(yīng)力集中現(xiàn)象在外部荷載作用下會(huì)更加明顯。經(jīng)歷30次溫度循環(huán)作用的應(yīng)力值在20 mm處出現(xiàn)明顯的峰值,說明30次作用后寬窄接縫的損傷加劇,試件的傷損由界面損傷逐漸發(fā)展為結(jié)構(gòu)破壞。

圖9 路徑上應(yīng)力變化

4 結(jié)論

隨著溫度循環(huán)作用次數(shù)的增加,試件承載力逐漸降低,0～20次溫度作用試件承載力下降較為平緩,30次溫度作用試件承載力下降為原來的41.16%。寬窄接縫內(nèi)部應(yīng)力隨著溫度循環(huán)作用次數(shù)的增加逐漸變大,30次溫度作用應(yīng)力最大值為初始的2.1倍,試件傷損由界面?zhèn)麚p逐漸發(fā)展為結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)溫度荷載作用下寬窄接縫狀態(tài)的變化規(guī)律,工務(wù)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高溫天氣作用下無砟軌道寬窄接縫的狀態(tài),加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢查,為養(yǎng)護(hù)維修提供指導(dǎo)和建議。