韓志剛，孫 立

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、水泥瀝青砂漿調整層、連續(xù)底座板(橋梁)或支承層(路基)、滑動層(橋上)、側向擋塊(橋上)等部分組成。如圖1所示。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構示意

在CRTSⅡ型板式無砟軌道結構中，水泥瀝青砂漿層作為軌道板和混凝土底座或支承層之間的墊層材料，起到填充、調整軌道結構高度、支撐承力并傳力作用，并可以為軌道板提供一定的剛度、彈性和韌性。水泥瀝青砂漿的性能直接影響到列車運行品質、軌道結構耐久性以及運營維修成本，他是高速鐵路建造的關鍵工程材料之一。

目前在CRTSⅡ型板式無砟軌道施工過程中發(fā)現(xiàn)，軌道板與水泥瀝青砂漿存在離縫現(xiàn)象，離縫主要出現(xiàn)在軌道板4個邊角位置。如圖2所示。

圖2 軌道板與水泥瀝青砂漿層離縫

初步分析離縫是由于軌道板沿其厚度方向不均勻溫度梯度引起的;因為剛施工完畢水泥瀝青砂漿層，軌道板沒有承受列車載荷作用;當軌道板均勻升溫時，會引起軌道板沿其長度和寬度方向的伸長變形;當軌道板均勻降溫時，會引起軌道板沿其長度和寬度方向的收縮變形;而當軌道板沿其厚度方向存在溫度梯度時，會使得軌道板產生豎向的翹曲變形。

軌道板與水泥瀝青砂漿層的離縫不僅會加快水對軌道板的侵蝕，加速砂漿裸露部位的破損脫落，而且也會對將來的行車造成安全隱患。

本文基于Ansys有限元軟件建立軌道板溫度梯度分析模型，以試驗測量的軌道板溫度和變形為初始分析條件，分析不均勻溫度梯度對軌道板翹曲變形的影響，通過實測軌道板變形結果與數(shù)值模擬結果的對比，驗證有限元分析模型的可靠性，并為CRTSⅡ無砟軌道板的結構設計及優(yōu)化提供參考。

1 軌道板溫度、變形測量

1.1 軌道板傳熱性能概述

CRTSⅡ型軌道板為鋼筋混凝土結構，其傳熱性能存在明顯滯后現(xiàn)象。當軌道板被太陽照射，其結構表面溫度迅速上升，但內部大部分區(qū)域仍保持原來的溫度狀態(tài)，會在軌道板厚度方向形成不均勻的溫度梯度。軌道板的溫度梯度變化不僅與其朝向、日照直射強度和日照時間有關，而且與環(huán)境溫度有關。

1.2 軌道板溫度觀測

軌道板內部溫度梯度的分布情況一直是設計者最關注的問題，本次試驗只對軌道板表面和底面進行測量。其中采用4個測溫電偶測量軌道板板底溫度，4個測量點分別位于板端、中間位置其分布如圖3所示。采用紅外測溫槍測量軌道板表面溫度。

圖3 板底溫度測量點分布示意

軌道板板底溫度采用4個測溫電偶的平均值，測量數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示，(8月份測量某塊軌道板，板底面和表面溫度與時間變化關系)，從圖中可以得到以下結論。

(1)軌道板底面與表面的溫度隨日照、環(huán)境溫度和時間的變化而變化;軌道板表面從2:00～13:00處于升溫狀態(tài)，最高溫度為51.2℃，從13:00～2:00處于降溫狀態(tài)，最低溫度為30.8℃;軌道板底面溫度變化幅度遠小于板表面溫度變化幅度，而且升溫、降溫滯后于軌道板表面，從6:00～16:00處于升溫狀態(tài)，最高溫度為40.6℃，從16:00～6:00點處于降溫狀態(tài)，最低溫度為30.8℃。

(2)軌道板表面、底面溫度差的變化與板表面溫度變化情況基本一致，從4:00～13:00溫度差逐漸增大，最大正溫差為12.4℃;從13:00～4:00溫度差逐漸減小，最大負溫差為-5.5℃;同時，在一天內出現(xiàn)2次零溫差(板底面溫度與板表面溫度相同)，分別出現(xiàn)在早上6:00和下午16:00。軌道板表面與底面溫差變化幅度在-5.5～12.4℃，軌道板的溫度梯度在-0.275～0.62℃/cm之間變化。

圖4 實測軌道板表面和底面溫度

圖5 軌道板表面與底面溫度差

1.3 軌道板變形觀測

軌道板的翹曲變形隨著軌道板溫度梯度的變化而變化。通過試驗測得，當軌道板表面處于升溫時，板表面溫度高于板底面溫度，軌道板邊緣產生向下的翹曲變形，但由于水泥瀝青砂漿層屬于高彈性模量材料，抗壓縮變形能力強，所以軌道板產生向下的翹曲變形量不大;當軌道板表面處于降溫時，板表面溫度低于板底面溫度，軌道板邊緣產生向上的翹曲變形，由于水泥瀝青砂漿層抗拉變形能力弱，軌道板產生的翹曲量在0.1～0.45 mm變化。

2 軌道板有限元模擬分析

2.1 建立模型

在使用有限元軟件Ansys模擬計算時，依據(jù)軌道板的結構特性，選擇合理的單元建立軌道板模型，模型如圖6所示。鋼軌、扣件、軌道板、水泥瀝青砂漿層分別采用Beam單元、彈簧單元、實體單元、桿單元模擬;底座采用固定位移約束模擬。

圖6 軌道板有限元模型

2.2 分析假設

依據(jù)實測軌道板表面和底面溫度，溫度差在-5.5～12.4℃，溫度梯度-0.275～0.62℃/cm;在有限元模擬計算過程中，假設軌道板沿厚度方向的溫度梯度呈線性分布。鋼軌、扣件和軌道板的材料參數(shù)參照相關規(guī)范，水泥瀝青砂漿為高彈性模量材料(受壓不受拉)，彈性模量Eca=7 000～10 000 MPa。

2.3 模型參數(shù)確定

為了驗證建立的有限元模型能夠反映實際軌道板的溫度變形，下面分別從軌道板升降溫、水泥瀝青砂漿彈性模量和鋼軌、軌道板自重3個方面討論，確定模型參數(shù)。

情況1，軌道板溫度采用實測溫度，考慮鋼軌、軌道板自重，水泥瀝青砂漿的彈性模量取值7 000～10 000 MPa，軌道板邊角的翹曲變形量與水泥瀝青砂漿的彈性的變化關系如圖7所示。

圖7 軌道板翹曲變形量與水泥瀝青砂漿彈性模量的關系(考慮鋼軌、軌道板自重)

從模擬結果曲線可知，水泥瀝青砂漿的彈性模量對軌道板的翹曲變形影響很小。

從2:00～6:00，軌道板底面溫度大于表面溫度，隨著軌道板表面升溫，表面溫度逐漸升高，溫度梯度增大，軌道板的翹曲變形量逐漸減小，軌道板的最大翹曲變形量為0.3 mm;

從6:00～15:00隨著軌道板表面溫度繼續(xù)升高，軌道板表面溫度大于底面溫度，軌道板4個邊角產生的翹曲變形量基本保持不變，約為0.08 mm;

從15:00～2:00，隨著軌道板表面溫度的降低，板底面溫度大于板表面溫度，軌道板4個邊角產生向上的翹曲變形，最大翹曲變形量為0.35 mm。

圖8顯示在2:00，當水泥瀝青砂漿的彈性模量為8 000 MPa時，軌道板的翹曲變形云圖。最大的翹曲變形發(fā)生在軌道板4個邊角位置，翹曲變形量為0.35 mm。

圖8 軌道板翹曲變形云圖

情況2，軌道板溫度采用實測溫度，忽略鋼軌、軌道板自重，水泥瀝青砂漿的彈性模量為8 000 MPa時，軌道板的翹曲變形量與水泥瀝青砂漿的彈性的變化關系如圖9所示。

圖9 鋼軌、軌道板自重對翹曲變形的影響

當軌道板底面溫度大于表面溫度時，忽略鋼軌、軌道板自重，軌道板產生的翹曲變形量要比考慮自重產生的翹曲變形量大30%;當軌道板表面溫度大于底面溫度時，考慮自重和忽略自重，軌道板邊角的翹曲變形量基本一致。

考慮自重軌道板產生的最大翹曲變形量為0.35 mm;忽略自重軌道板產生的最大翹曲變形量為0.473 mm;通過與試驗測量的最大翹曲變形量0.45 mm相比，當模型參數(shù)忽略鋼軌、軌道板自重、水泥瀝青砂漿的彈性模量為8 000 MPa時，數(shù)值模擬計算結果與實際測量結果基本一致。

3 軌道板模型的應用

由于CRTSⅡ型板無砟軌道采用縱聯(lián)結構，前面對單一軌道由于溫度梯度變化產生的翹曲變形進行了分析，下面基于單一軌道板模型，建立3塊縱聯(lián)軌道板模型，分析軌道板縱聯(lián)后溫度梯度對軌道板翹曲變形的影響。

3塊縱聯(lián)軌道板有限元模型如圖10所示。

圖10 縱聯(lián)軌道板分析模型

其中，水泥瀝青砂漿的彈性模量取8 000 MPa，忽略鋼軌、軌道板自重，溫度梯度取-0.275℃/cm，軌道板的翹曲變形量取中間軌道板模擬結果。

從模擬結果可知，中間軌道板4個邊角產生向上最大翹曲變形為0.33 mm。與前面單一軌道板最大翹曲變形量0.473 mm相比，縱聯(lián)后軌道板翹曲變形量比單塊軌道板的翹曲變形量減小約30%。

4 結論與展望

本文基于對CRTSⅡ型板無砟軌道溫度和變形的測量，使用Ansys有限元軟件建立分析模型，分析不均勻溫度梯度對軌道板翹曲變形的影響，通過試驗測量數(shù)據(jù)和模擬結果的對比，確定模型參數(shù)并驗證分析模型的可靠性，得到如下結論。

(1)依據(jù)實測軌道板溫度數(shù)據(jù)，可知軌道板板底與表面的溫度隨日照、時間的變化而變化，板表面與底面溫差變化幅度為-5.5～12.4℃，溫度梯度在-0.275～0.62℃/cm變化;

(2)通過試驗測量數(shù)據(jù)和模擬結果的對比，驗證當軌道板板底溫度高、板表面溫度低時，軌道板4個邊角產生向上翹曲變形;水泥瀝青砂漿的彈性模量對軌道板的翹曲變形影響很小;當忽略鋼軌、軌道板自重時，數(shù)值模擬計算結果與實際測量結果基本一致。

(3)依據(jù)單一軌道板模型以及模擬參數(shù)，建立3塊縱聯(lián)軌道板模型，縱聯(lián)后軌道板由溫度梯度產生的翹曲變形量比單塊軌道板的翹曲變形量減小約30%。

本次對軌道板溫度測量是在8月份進行，缺少其他季節(jié)測量數(shù)據(jù)，需要進一步完善。待數(shù)據(jù)完善后，需要進一步驗證分析模型的可靠性。

［1］王其昌，韓啟孟.板式軌道設計與施工［M］.成都:西南交通大學出版社，2002.

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