黃河山,曾 毅,徐光鑫,任娟娟

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道寬接縫開裂對縱連鋼筋受力特性的影響

黃河山,曾 毅,徐光鑫,任娟娟

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道結構作為一種縱連板式軌道結構,通常采用6根精軋螺紋鋼筋實現(xiàn)軌道板的縱向連接；但因外部荷載作用易造成寬接縫新老混凝土連接處發(fā)生開裂,軌道板內部縱連鋼筋應力重新分布,有可能會威脅到鋼筋的正常工作?；谟邢迒卧?運用單元生死技術,建立不同寬接縫開裂狀態(tài)(完全開裂或未開裂)下含預應力鋼筋的橋上CRTSⅡ型板式軌道結構計算模型,研究不同外部荷載作用對縱連鋼筋受力性能的影響。結果表明：寬接縫開裂會導致寬接縫位置處鋼筋應力的突變；整體溫降對鋼筋應力的影響最大,降溫幅值過大甚至會導致鋼筋屈服破壞；正溫度梯度對鋼筋應力影響較大,會導致寬接縫開裂處鋼筋應力的大幅降低；而負溫度梯度和列車荷載作用下,寬接縫處鋼筋應力變化均不明顯。

CRTSⅡ型板式無砟軌道；寬接縫；縱連鋼筋；有限單元法

為適應高速鐵路的快速發(fā)展，我國通過引進、消化、吸收、再創(chuàng)新，形成了具有我國特色的成套無砟軌道系統(tǒng)技術，CRTSⅡ型板式無砟軌道技術便是我國在對國外無砟軌道技術加以改進的基礎上形成的無砟軌道系統(tǒng)。CRTSⅡ型板式無砟軌道采用縱連結構，軌道板間通過6根精軋螺紋鋼筋縱向連接，軌道板之間設置寬接縫[1-2]。路基和隧道區(qū)段下部基礎為無配筋的支承層結構，橋梁區(qū)段設置鋼筋混凝土底座板；底座板和橋面之間設置滑動層，以減小橋梁和軌道結構間的相互影響。因寬接縫處存在著新老混凝土結合的問題較易出現(xiàn)混凝土開裂，勢必會減弱縱連鋼筋和軌道板之間的協(xié)同工作；特別當寬接縫完全開裂時，混凝土完全退出工作，應力完全由6根縱連鋼筋承擔，對縱連鋼筋的受力產生不利影響，嚴重時甚至可能導致縱連鋼筋的屈服破壞。

1 橋上縱連板式無砟軌道有限元模型

為全面反映橋上縱連板式軌道結構各部件間的相互作用關系，本文參考彈性地基梁體理論，采用有限元法，針對不同的寬接縫開裂形式(寬接縫完全開裂或未開裂)，建立含寬接縫開裂破壞的橋上CRTSⅡ型無砟軌道計算模型，如圖1所示。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道計算模型

橋上縱連CRTSⅡ型板式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、軌道板、高彈模砂漿層、底座板等組成，為消除邊界效應選取4塊軌道板進行模擬計算，并取中間2塊軌道板為研究對象[3-5]。鋼軌采用點支撐梁模擬，彈性扣件則等效為考慮垂向和縱向阻力的彈性元件；軌道板、砂漿層同底座板均參照實際尺寸進行實體建模；軌道板內部縱向的6根精軋螺紋鋼筋為預應力鋼筋，每根預加應力50 kN[6-7]。模型假定砂漿層同上下層的粘接性能完好；同時為簡化模型，利用橋梁支承面剛度來模擬橋梁的支承作用，橋面與底座板間通過縱橫向彈簧單元連接；梁縫與軌道結構間的固結機構等效為線性彈簧單元。橋上縱連CRTSⅡ型板式無砟軌道實體有限元模型如圖2所示。

圖2 橋上縱連CRTSⅡ型板式無砟軌道實體有限元模型

模型涉及的主要參數為：鋼軌為CHN60軌；扣件垂向阻力剛度取2.5×107N/mm，縱向阻力剛度取1.04×104N/mm；軌道板尺寸為6.45 m×2.55 m×0.2 m，按C50混凝土計；高彈模砂漿層厚度為30 mm，彈性模量取值7 000 MPa；底座板寬3.25 m，高0.3 m，按C40混凝土計；縱連精軋螺紋鋼筋直徑20 mm，彈性模量取值2.05×105MPa；橋梁支承面剛度取值1 000 MPa/m；滑動層摩擦系數取0.25。

2 計算荷載同工況的選擇

2.1 溫度荷載和列車荷載取值

由于無砟軌道的熱傳導性差和氣溫變化的復雜性，無砟軌道內的溫度分布并非始終保持均勻。軌道結構沿厚度方向較易出現(xiàn)溫度差或溫度梯度，致使軌道板發(fā)生翹曲變形或翹曲應力。參考無砟軌道最大溫度梯度推薦值，分析采用常用溫度梯度，即軌道板正溫度梯度取45 ℃/m，負溫度梯度取22.5 ℃/m，板厚修正系數為1.05；沿軌道板厚度方向逐層施加溫度梯度荷載。

列車荷載作為無砟軌道主要承受的荷載形式，一般分為設計輪載和準靜態(tài)檢算輪載。其中，設計輪載取為靜輪載的3倍或300 kN，常用輪載取為靜輪載的1.5倍或150 kN。對于正常的軌道結構，單獨考慮列車豎向輪載作用時，按設計輪載取值；對于列車荷載與其他荷載形式疊加作用時，采用常用輪載150 kN進行取值，按單軸雙輪加載。

同時除溫度梯度和列車荷載外，整體溫度作用對連續(xù)式CRTSⅡ型無砟軌道亦將產生較不利的影響。整體溫度變化時軌道結構同縱連鋼筋產生伸縮變形，寬接縫處新老混凝土因伸縮量的不同可能出現(xiàn)開裂的進一步破壞[8-9]。升溫時寬接縫處裂縫受壓而閉合，相反降溫時裂縫受拉而擴大；根據考慮不利荷載的原則，選擇整體降溫作為計算工況。

2.2 計算工況

理論研究表明，寬接縫處因新老混凝土共同服役過程中性能的差異較易產生混凝土的開裂現(xiàn)象，且開裂的位置及開裂程度同施工質量、列車荷載及復雜的外界環(huán)境有關。依據開裂的最不利情況，在有限元模擬計算中假定寬接縫沿縱橫向完全開裂貫通，并且僅考慮寬接縫處混凝土完全開裂和未開裂兩種情況。根據2.1節(jié)的分析結果，主要考慮溫度梯度、整體降溫和列車荷載的作用下，兩種寬接縫開裂形式對縱連鋼筋受力特性的影響。具體工況如下。

工況一：軌道整體降溫，降溫幅值從5 ℃逐級遞增至30 ℃，步長為5 ℃。

工況二：考慮溫度梯度荷載，分正溫度梯度作用和負溫度梯度作用。

工況三：考慮列車荷載，作用在中間寬接縫右側的第一個扣件處。

3 各荷載工況下縱連鋼筋受力情況

3.1 整體降溫對縱連鋼筋的影響

一般來說，寬接縫發(fā)生開裂后開裂處混凝土同鋼筋的協(xié)同工作能力削弱，縱向連接的6根鋼筋受力狀態(tài)復雜化，對鋼筋的受力特性產生較不利的影響[10]。為便于分析整體降溫作用對縱向鋼筋受力特性的影響，選定中間兩塊軌道板內的某一根縱連鋼筋，比較寬接縫完全開裂或未開裂時縱連鋼筋受降溫作用影響的應力變化情況，計算結果如圖3所示。

圖3 縱連鋼筋應力分布

由圖3可知，隨著降溫幅度的增大，縱連鋼筋應力也相應提高。在寬接縫未開裂時，鋼筋應力分布均勻，降溫5 ℃將導致鋼筋應力上升10 MPa左右；寬接縫開裂后，在寬接縫開裂處，鋼筋應力有了明顯變化，表現(xiàn)在寬接縫開裂處鋼筋應力顯著上升，寬接縫開裂處周圍鋼筋應力有所下降。在降溫5 ℃的情況下，寬接縫開裂使得縱連鋼筋的最大應力由169.54 MPa突增至200.53 MPa，增幅達31 MPa；在降溫10 ℃的情況下，寬接縫開裂使得縱連鋼筋最大應力由180.3 MPa突增至243.49 MPa，增幅達63 MPa。由此可見，隨著降溫幅度的增大，寬接縫開裂對寬接縫處鋼筋應力的影響也越來越大。越靠近板中位置，寬接縫開裂對鋼筋應力的影響越小。

同時，由圖3可見，在寬接縫開裂位置處鋼筋應力發(fā)生突變，分析其原因，是由于在寬接縫未開裂時，混凝土和鋼筋協(xié)同工作，整體溫降導致的內部應力由鋼筋和混凝土共同承擔；但是在寬接縫處混凝土開裂后，整體溫降導致的內部應力在寬接縫開裂處將完全由縱連鋼筋承擔，混凝土則退出工作；而在遠離寬接縫開裂處的板中位置，混凝土與鋼筋仍然能夠較好地協(xié)同工作，表現(xiàn)為在板中位置鋼筋應力變化較小。

此外，為比較不同降溫幅值對縱向鋼筋受力特性的影響作用強弱，提取寬接縫開裂位置處的鋼筋應力，如圖4所示，寬接縫開裂后，隨著溫降幅值的增大，鋼筋應力快速上升，在溫降幅值達30 ℃時，應力已超過425 MPa，已逼近縱連精軋螺紋鋼筋的屈服強度500 MPa。在寬接縫未開裂時，鋼筋應力隨溫降幅值增大上升趨勢相對緩慢。

圖4 寬接縫開裂前后寬接縫位置處的鋼筋縱向應力

3.2 溫度梯度對縱連鋼筋的影響

在溫度梯度作用下，軌道板會發(fā)生翹曲，翹曲表現(xiàn)為自由邊的上翹或者下翹。在寬接縫未開裂時，自由邊有兩個，其翹曲形式如圖5(a)所示，此種翹曲形式由于與縱連鋼筋平行，對縱連鋼筋應力影響不大；寬接縫貫通開裂后，軌道板的自由邊增加至4個，其翹曲形式如圖5(b)所示，由于縱連鋼筋設置在軌道板中性軸位置，此種翹曲形式對于板中鋼筋影響較小，但是在寬接縫開裂位置處，軌道板的上翹或是下翹必然會導致縱連鋼筋在此處受剪，從而導致鋼筋應力發(fā)生變化。提取中間兩塊軌道板處一根鋼筋的應力，其應力變化如圖6所示。

圖5 寬接縫開裂前后軌道板的翹曲變形

圖6 溫度梯度作用下縱連鋼筋應力分布

由圖6可見，正溫度梯度作用下，寬接縫的開裂導致寬接縫開裂位置處鋼筋應力的顯著下降，其應力值由未開裂時的161 MPa降至92 MPa；在寬接縫開裂位置周圍，鋼筋應力有所上升，這是由于寬接縫開裂位置處鋼筋釋放的應力向周邊轉移的結果；在板中位置處，鋼筋應力幾乎和寬接縫開裂前相等。在負溫度梯度作用下，寬接縫開裂對鋼筋應力的影響相對較小，但是在寬接縫開裂處，鋼筋應力也有一定程度下降，由159 MPa降至157 MPa。在寬接縫未開裂的情況下，鋼筋應力較為均勻，正溫度梯度時的鋼筋應力要略大于負溫度梯度時。由此可見，正溫度梯度對于縱連鋼筋的影響要大于負溫度梯度。

3.3 列車荷載對縱連鋼筋的影響

如前所述，列車荷載按單軸雙輪加載，按常用輪載150 kN取值，加載點位于中間寬接縫右側第一扣件位置處。在列車荷載作用下，提取中間兩塊軌道板內部一根縱連鋼筋的應力，寬接縫開裂對縱連鋼筋應力分布的影響如圖7所示。

圖7 縱連鋼筋應力分布

由圖7可知，寬接縫開裂時，寬接縫處鋼筋應力出現(xiàn)了小幅下降，由158.5 MPa將至155.5 MPa左右，同時寬接縫開裂位置周邊鋼筋應力也出現(xiàn)了一定程度的上升。從圖7中寬接縫未開裂時的鋼筋應力分布曲線看出，列車荷載作用下，在荷載作用點正下方的鋼筋應力也出現(xiàn)了下降，列車荷載導致軌道板內部鋼筋應力分布不均。但是，無論寬接縫開裂與否，列車荷載作用均不至于影響縱連鋼筋的正常使用。

4 結論

針對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道寬接縫處發(fā)生開裂后縱向鋼筋的受力特性進行了研究，分析了不同荷載情況對縱向鋼筋的受力的影響。主要得到如下結論。

(1)綜合對比整體溫降、溫度梯度和列車荷載作用對縱連精軋螺紋鋼筋受力性能的影響，整體溫降的影響最大。在整體溫降工況下，寬接縫開裂處的縱連鋼筋應力隨著溫降幅值的增大而顯著上升。

(2)在寬接縫開裂位置處，由于寬接縫貫通開裂，縱連鋼筋在此位置承受所有外力，所以寬接縫開裂處縱連鋼筋的應力會發(fā)生突變，如在降溫5 ℃的情況下，寬接縫開裂使得縱連鋼筋的最大應力由169.54 MPa突增至200.53 MPa，增幅達31 MPa。在整體溫降工況下，縱連鋼筋在寬接縫開裂位置的應力增幅較大，在整體溫降不超過30 ℃時，其應力尚不至于超過縱連鋼筋的屈服強度；在溫度梯度和列車荷載工況下，縱連鋼筋在寬接縫開裂位置的應力均有所下降。

(3)寬接縫的開裂并不會影響無砟軌道結構的整體正常使用，但是寬接縫的開裂必然導致縱連鋼筋銹蝕速度的加快，寬接縫開裂區(qū)域也成為薄弱區(qū)域，會對軌道結構的耐久性產生較大影響。

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Effect on longitudinally Continuous Reinforcing Bars’ Mechanical Property Caused by the Cracking at Wide Juncture of CRTS-Ⅱ Slab Ballastless Track on Bridge

HUANG He-shan, ZENG Yi, XU Guang-xin, REN Juan-juan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

CRTS-Ⅱ slab ballastless track belongs to longitudinally continuous slab-type track structure, and the slabs are usually connected by 6 finish-rolled thread reinforcing bars. However, under the action of external loads, the interface between new and old concrete of wide juncture tends to crack. Subsequently, the cracking will cause stress redistribution of the slab’s longitudinally continuous reinforcing bars, posing a threat to the normal work of the reinforcing bars. Based on finite element method and using element birth-death technology, the paper established a calculation model of CRTS-Ⅱ slab ballastless track on bridge containing prestressed reinforcing bars under the different crack conditions (complete cracking or non-cracking) at the wide juncture, and then researched the influence on the longitudinally continuous bar’s mechanical property caused by different external loads. The research results show that: (a) The cracking at the wide juncture would cause abrupt stress changing of reinforcing bars. (b) Structure’s overall temperature drop has greatest influence on the stress state of reinforcing bars, and if the magnitude of temperature drop is too large, the yield failure will even occur in the reinforcing bars. (c) Positive temperature gradient has greater influence on the stress of reinforcing bars, causing considerable stress decreasing of the reinforcing bars at the cracked location of the wide juncture. (d) Under the actions of negative temperature gradient and train load, there is no significant stress changing of reinforcing bars at the wide juncture.

CRTS-Ⅱ slab ballastless track; wide juncture; longitudinally continuous reinforcing bars; finite element method

2013-06-14；

：2013-06-28

鐵道部科技開發(fā)計劃重大項目(2011G002，2011G001-1)；國家自然基金(51208438)；高等學校博士學科點專項科研基金(20100184120021)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金科技創(chuàng)新項目(2682013CX046)

黃河山(1989—)，男，碩士研究生，E-mail:235818364@qq.com。

1004-2954(2014)02-0033-04

U213.2+44

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.009