黃慧超,徐 坤,任娟娟
(西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)
CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道是我國(guó)研究開(kāi)發(fā)的一種新型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),吸收了CRTSⅠ,CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道以及雙塊式無(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn),具有良好的受力性能、經(jīng)濟(jì)性、施工性、可維修性及耐久性。CRTSⅢ型無(wú)砟軌道包括單元板式和縱連板式無(wú)砟軌道兩種主要類(lèi)型。路基地段通常采用施工較為方便、整體性較高的縱連板式無(wú)砟軌道。
CRTSⅢ型縱連板式無(wú)砟軌道從上往下由鋼軌、扣件、軌道板(帶承軌槽)、自密實(shí)混凝土層、支承層及板間連接系統(tǒng)等組成[1-3]。兩塊無(wú)砟軌道板間的空隙為寬接縫。為放散縱連軌道板的溫度應(yīng)力并保護(hù)無(wú)砟軌道板間預(yù)應(yīng)力鋼筋,寬接縫處澆筑彈性材料——樹(shù)脂砂漿。在外界荷載作用下(主要是溫度荷載),板間樹(shù)脂砂漿應(yīng)力超過(guò)抗拉極限后會(huì)產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)寬接縫處出現(xiàn)開(kāi)裂后,如果不進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ),樹(shù)脂砂漿表面裂縫將不斷擴(kuò)大,雨水進(jìn)入后可使板間預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕,從而降低無(wú)砟軌道的耐久性[4-5],因此必須對(duì)寬接縫處樹(shù)脂砂漿表面裂紋采取修補(bǔ)措施。目前使用的砂漿裂縫修補(bǔ)材料為環(huán)氧樹(shù)脂,其特點(diǎn)為材料強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、收縮小,可在常規(guī)室溫下固化;其缺點(diǎn)是黏度高,當(dāng)配方不當(dāng)時(shí)脆性大[6-9]。
本文通過(guò)建立含樹(shù)脂砂漿表面裂縫及修補(bǔ)材料的ABAQUS有限元分析模型,分析了裂縫深度一定的條件下,開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿、縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋以及修補(bǔ)材料在溫度荷載作用下所受的縱向應(yīng)力,可為裂紋的修補(bǔ)提供參考。
依據(jù)彈性地基梁體有限元理論,通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立含預(yù)應(yīng)力鋼筋的CRTSⅢ型縱連板式無(wú)砟軌道實(shí)體模型。鋼軌、預(yù)應(yīng)力鋼筋采用梁?jiǎn)卧M,軌道板、水硬性支承層、自密實(shí)混凝土層、板間樹(shù)脂砂漿以及修復(fù)材料均采用實(shí)體單元模擬;鋼軌與軌枕之間的扣件連接采用線(xiàn)性彈簧單元來(lái)模擬。計(jì)算時(shí)取3個(gè)單元板長(zhǎng)度,其中一個(gè)板間樹(shù)脂砂漿上表面中央產(chǎn)生橫向裂縫,裂縫中填充修補(bǔ)材料。水硬性支承層底面施加垂向彈性地基約束,并施加縱、橫向位移約束;支撐層兩端施加縱、橫向的位移及轉(zhuǎn)角約束;鋼軌兩端施加三向位移及轉(zhuǎn)角約束;預(yù)應(yīng)力鋼筋兩端施加固定約束,其與整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置區(qū)域連接,并通過(guò)降溫處理模擬施加預(yù)應(yīng)力。模型中軌道板與自密實(shí)混凝土層間,自密實(shí)混凝土與水硬性支撐層間,軌道板、自密實(shí)混凝土、水硬性支撐層與板間樹(shù)脂砂漿間,板間樹(shù)脂砂漿與修復(fù)材料間接觸全采用粘結(jié)命令進(jìn)行粘結(jié)。
本文以路基上CRTSⅢ型縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析。板間樹(shù)脂砂漿裂縫如圖1所示。
圖1 板間樹(shù)脂砂漿裂縫示意
計(jì)算模型的主要參數(shù)包括:鋼軌斷面采用CHN60軌;扣件垂向剛度取為70 kN/mm,扣件縱向間距取為0.65 m;軌道板彈性模量取為3.65×104MPa,長(zhǎng)度×厚度×寬度=5.40 m×0.19 m×2.50 m;自密實(shí)混凝土彈性模量取為3.4×104MPa,長(zhǎng)度×厚度×寬度=5.4 m×0.1 m×3.0 m;板間樹(shù)脂砂漿彈性模量取為300 MPa,厚度×寬度=0.29 m×2.50 m;水硬性支承層彈性模量取為1.8×104MPa,厚度×寬度=0.24 m×3.00 m;路基基床面剛度120 MPa/m;縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉應(yīng)力為122 kN。
荷載采用將軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃。維修材料彈性模量分別選取為 200,700,1 000,3 000,5 000,7 000,10 000 MPa,裂縫深度取為0.1 m,恰使裂縫超過(guò)上層預(yù)應(yīng)力鋼筋。裂縫寬度分別取為0.2,0.3,1.0,2.0和3.0 mm。
2.2.1 板間樹(shù)脂砂漿受力分析
為排除預(yù)應(yīng)力鋼筋作用所造成的應(yīng)力集中影響,選取樹(shù)脂砂漿、修補(bǔ)材料上表面中心位置分析其受力情況。
通過(guò)計(jì)算分析得到,遠(yuǎn)端未開(kāi)裂板間樹(shù)脂砂漿上表面中心在裂縫未填充修補(bǔ)材料時(shí),砂漿所受縱向拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.29 MPa左右,裂縫填充修補(bǔ)材料后,未開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿所受縱向拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.31 MPa左右,修補(bǔ)材料彈性模量、裂縫寬度和裂縫是否修補(bǔ)均對(duì)未開(kāi)裂板間樹(shù)脂砂漿影響較小。
下面詳細(xì)分析開(kāi)裂的板件樹(shù)脂砂漿受到的影響。圖2表示軌道整體降溫50℃時(shí),板間裂縫寬度、修補(bǔ)材料的彈性模量對(duì)開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿受力的影響。
由圖2(a)可知,在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí),各個(gè)裂縫寬度條件下,隨著修補(bǔ)材料的彈性模量增大,開(kāi)裂的板間樹(shù)脂砂漿上表面中心的縱向拉應(yīng)力逐漸增大,并且裂紋寬度較小時(shí)樹(shù)脂砂漿所受的縱向拉應(yīng)力增大速率小于裂紋寬度較大時(shí)。
由圖2(b)可知,在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí),修補(bǔ)材料彈性模量不同的條件下,開(kāi)裂的板間樹(shù)脂砂漿上表面中心均受到縱向拉應(yīng)力,并且拉應(yīng)力隨著裂縫寬度的逐漸增大先增大后減小。從圖中可以清晰地看出當(dāng)樹(shù)脂砂漿出現(xiàn)裂縫,未填充修補(bǔ)材料時(shí),板間樹(shù)脂砂漿上表面中心受到的縱向拉應(yīng)力約為1.44 MPa,遠(yuǎn)大于裂縫修補(bǔ)后樹(shù)脂砂漿的受力,此時(shí),裂縫更容易擴(kuò)展,因此當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度時(shí),需要盡快修復(fù),否則將使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,降低整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。
圖2 軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí)開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿縱向應(yīng)力變化情況
2.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋受力分析
CRTS Ⅲ型縱連板式無(wú)砟軌道縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋分為2層,共16根。本文通過(guò)降溫處理模擬施加鋼筋預(yù)應(yīng)力。為了方便分析,選取受力變化最劇烈的鋼筋,即位于開(kāi)裂區(qū)、靠板結(jié)構(gòu)中心的預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行分析。
通過(guò)計(jì)算分析得到:位于未開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿處預(yù)應(yīng)力鋼筋的受力不受裂縫寬度以及是否修補(bǔ)的影響,其應(yīng)力值穩(wěn)定在509 MPa左右。而開(kāi)裂處預(yù)應(yīng)力鋼筋受到的縱向力隨裂縫寬度以及是否修補(bǔ)有一定的變化。
圖3 軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋縱向應(yīng)力隨裂紋寬度的變化情況
如圖3所示,在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí),開(kāi)裂處預(yù)應(yīng)力鋼筋在樹(shù)脂砂漿裂縫未修補(bǔ)時(shí),其縱向拉應(yīng)力值緩慢減小;當(dāng)預(yù)應(yīng)力砂漿修補(bǔ)后,鋼筋所受縱向拉應(yīng)力小于未修補(bǔ)時(shí)應(yīng)力,除在裂縫寬度為2 mm處明顯增大,其余位置基本保持不變。由此可以看出預(yù)應(yīng)力鋼筋受到裂紋是否修補(bǔ)影響較大,而修補(bǔ)材料彈性模量的變化對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋影響相對(duì)較小。
2.2.3 修補(bǔ)材料受力分析
圖4表示軌道整體降溫50℃時(shí)板間裂縫寬度和修補(bǔ)材料的彈性模量對(duì)修復(fù)材料受力的影響。
圖4 軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí)修補(bǔ)材料縱向應(yīng)力變化情況
由圖4(a)可知,在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí)各個(gè)裂縫寬度條件下,隨著修補(bǔ)材料的彈性模量增大,修補(bǔ)材料上表面中心的縱向拉應(yīng)力逐漸減小直至出現(xiàn)縱向壓應(yīng)力,且縱向壓應(yīng)力逐漸增加。裂縫寬度較大時(shí)修補(bǔ)材料的縱向壓應(yīng)力增速明顯小于裂縫寬度較小時(shí)。
由圖4(b)可知,在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃、修復(fù)材料的彈性模量≤1 000 MPa時(shí),修復(fù)材料上表面中心受到縱向拉應(yīng)力,并且縱向拉應(yīng)力隨著裂縫寬度增大而減小,并且彈性模量越大,材料所受縱向拉應(yīng)力減小速度越快。當(dāng)修復(fù)材料彈性模量>1 000 MPa時(shí),修復(fù)材料上表面中心受到縱向壓應(yīng)力,其縱向壓應(yīng)力先隨著裂縫寬度增大而增大,之后又隨著裂縫寬度的增大而減小。
本文建立了路基上CRTSⅢ型縱連板式無(wú)砟軌道有限元計(jì)算模型,對(duì)寬接縫處樹(shù)脂砂漿表面裂紋存在時(shí)在溫度荷載作用下樹(shù)脂砂漿、預(yù)應(yīng)力鋼筋以及修補(bǔ)材料的受力予以分析。主要結(jié)論如下:
1)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí),修補(bǔ)材料彈性模量、裂縫寬度和裂縫是否修補(bǔ)均對(duì)未開(kāi)裂板間樹(shù)脂砂漿影響較小;開(kāi)裂板間樹(shù)脂砂漿縱向拉應(yīng)力隨修補(bǔ)材料的彈性模量增大而增大,隨著裂縫寬度的增大先增大后減小。
2)當(dāng)樹(shù)脂砂漿出現(xiàn)裂縫未進(jìn)行修補(bǔ)時(shí),板間樹(shù)脂砂漿受到的縱向拉應(yīng)力大于裂縫修補(bǔ)后樹(shù)脂砂漿所受的力,裂縫更容易擴(kuò)展,因此當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度時(shí),需要盡快修復(fù),否則將使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,降低軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。
3)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí),修補(bǔ)材料的縱向拉應(yīng)力先隨著其彈性模量的增大逐漸減小直至出現(xiàn)縱向壓應(yīng)力,之后縱向壓應(yīng)力逐漸增加;當(dāng)修復(fù)材料的彈性模量≤1 000 MPa時(shí),修補(bǔ)材料受到的縱向拉應(yīng)力隨著裂縫寬度增大而減小。當(dāng)修補(bǔ)材料彈性模量>1 000 MPa時(shí),修復(fù)材料受到的縱向壓應(yīng)力先隨著裂縫寬度增大而增大,之后又隨著裂縫寬度的增大而減小。
4)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫50℃時(shí),未開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿處預(yù)應(yīng)力鋼筋的受力不受裂縫寬度以及裂縫是否修補(bǔ)影響;開(kāi)裂樹(shù)脂砂漿處預(yù)應(yīng)力鋼筋受到裂縫是否修補(bǔ)影響較大,而受修補(bǔ)材料彈性模量變化的影響相對(duì)較小。
[1]李保友,顏華.成都至都江堰鐵路路基地段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道縱向連接設(shè)計(jì)[J].高速鐵路技術(shù),2013,4(1):71-75.
[2]劉學(xué)毅,趙坪銳,楊榮山,等.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.
[3]趙坪銳.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008.
[4]徐浩,謝鎧澤,陳嶸,等.CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開(kāi)裂及修補(bǔ)材料對(duì)軌道板的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(7):30-32,37.
[5]王安華.CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道耐久性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.
[6]李宇紅,李寶強(qiáng),張俊華.雙環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)混凝土裂紋技術(shù)與檢測(cè)[J].遼寧建材,2005(4):38.
[7]顧桂林,王大筆.環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑修補(bǔ)混凝土裂紋[J].江蘇建筑,2000(1):30-32.
[8]王森榮,楊榮山,劉學(xué)毅,等.無(wú)砟軌道裂紋產(chǎn)生原因與整治措施[J].鐵道建筑,2007(9):76-79.
[9]陳學(xué)楚.現(xiàn)代維修理論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.