黃慧超，徐 坤，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，四川成都 610031)

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國研究開發(fā)的一種新型板式無砟軌道結構，吸收了CRTSⅠ，CRTSⅡ型板式無砟軌道以及雙塊式無砟軌道的優(yōu)點，具有良好的受力性能、經(jīng)濟性、施工性、可維修性及耐久性。CRTSⅢ型無砟軌道包括單元板式和縱連板式無砟軌道兩種主要類型。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砟軌道。

CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道從上往下由鋼軌、扣件、軌道板(帶承軌槽)、自密實混凝土層、支承層及板間連接系統(tǒng)等組成［1-3］。兩塊無砟軌道板間的空隙為寬接縫。為放散縱連軌道板的溫度應力并保護無砟軌道板間預應力鋼筋，寬接縫處澆筑彈性材料——樹脂砂漿。在外界荷載作用下(主要是溫度荷載)，板間樹脂砂漿應力超過抗拉極限后會產(chǎn)生表面裂紋。當寬接縫處出現(xiàn)開裂后，如果不進行及時修補，樹脂砂漿表面裂縫將不斷擴大，雨水進入后可使板間預應力鋼筋銹蝕，從而降低無砟軌道的耐久性［4-5］，因此必須對寬接縫處樹脂砂漿表面裂紋采取修補措施。目前使用的砂漿裂縫修補材料為環(huán)氧樹脂，其特點為材料強度高、粘結力強、收縮小，可在常規(guī)室溫下固化;其缺點是黏度高，當配方不當時脆性大［6-9］。

本文通過建立含樹脂砂漿表面裂縫及修補材料的ABAQUS有限元分析模型，分析了裂縫深度一定的條件下，開裂樹脂砂漿、縱向預應力鋼筋以及修補材料在溫度荷載作用下所受的縱向應力，可為裂紋的修補提供參考。

1 模型建立及參數(shù)選取

依據(jù)彈性地基梁體有限元理論，通過ABAQUS有限元軟件建立含預應力鋼筋的CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道實體模型。鋼軌、預應力鋼筋采用梁單元模擬，軌道板、水硬性支承層、自密實混凝土層、板間樹脂砂漿以及修復材料均采用實體單元模擬;鋼軌與軌枕之間的扣件連接采用線性彈簧單元來模擬。計算時取3個單元板長度，其中一個板間樹脂砂漿上表面中央產(chǎn)生橫向裂縫，裂縫中填充修補材料。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;預應力鋼筋兩端施加固定約束，其與整個軌道結構采用內(nèi)置區(qū)域連接，并通過降溫處理模擬施加預應力。模型中軌道板與自密實混凝土層間，自密實混凝土與水硬性支撐層間，軌道板、自密實混凝土、水硬性支撐層與板間樹脂砂漿間，板間樹脂砂漿與修復材料間接觸全采用粘結命令進行粘結。

本文以路基上CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道結構為例進行分析。板間樹脂砂漿裂縫如圖1所示。

圖1 板間樹脂砂漿裂縫示意

計算模型的主要參數(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，長度×厚度×寬度=5.40 m×0.19 m×2.50 m;自密實混凝土彈性模量取為3.4×104MPa，長度×厚度×寬度=5.4 m×0.1 m×3.0 m;板間樹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;縱向預應力鋼筋張拉應力為122 kN。

2 計算結果與分析

2.1 計算工況

荷載采用將軌道結構整體降溫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，恰使裂縫超過上層預應力鋼筋。裂縫寬度分別取為0.2，0.3，1.0，2.0和3.0 mm。

2.2 計算結果分析

2.2.1 板間樹脂砂漿受力分析

為排除預應力鋼筋作用所造成的應力集中影響，選取樹脂砂漿、修補材料上表面中心位置分析其受力情況。

通過計算分析得到，遠端未開裂板間樹脂砂漿上表面中心在裂縫未填充修補材料時，砂漿所受縱向拉應力穩(wěn)定在1.29 MPa左右，裂縫填充修補材料后，未開裂樹脂砂漿所受縱向拉應力穩(wěn)定在1.31 MPa左右，修補材料彈性模量、裂縫寬度和裂縫是否修補均對未開裂板間樹脂砂漿影響較小。

下面詳細分析開裂的板件樹脂砂漿受到的影響。圖2表示軌道整體降溫50℃時，板間裂縫寬度、修補材料的彈性模量對開裂樹脂砂漿受力的影響。

由圖2(a)可知，在軌道結構整體降溫50℃時，各個裂縫寬度條件下，隨著修補材料的彈性模量增大，開裂的板間樹脂砂漿上表面中心的縱向拉應力逐漸增大，并且裂紋寬度較小時樹脂砂漿所受的縱向拉應力增大速率小于裂紋寬度較大時。

由圖2(b)可知，在軌道結構整體降溫50℃時，修補材料彈性模量不同的條件下，開裂的板間樹脂砂漿上表面中心均受到縱向拉應力，并且拉應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樹脂砂漿出現(xiàn)裂縫，未填充修補材料時，板間樹脂砂漿上表面中心受到的縱向拉應力約為1.44 MPa，遠大于裂縫修補后樹脂砂漿的受力，此時，裂縫更容易擴展，因此當裂縫發(fā)展到一定程度時，需要盡快修復，否則將使裂縫繼續(xù)擴展，降低整個軌道結構的耐久性。

圖2 軌道結構整體降溫50℃時開裂樹脂砂漿縱向應力變化情況

2.2.2 預應力鋼筋受力分析

CRTS Ⅲ型縱連板式無砟軌道縱向預應力鋼筋分為2層，共16根。本文通過降溫處理模擬施加鋼筋預應力。為了方便分析，選取受力變化最劇烈的鋼筋，即位于開裂區(qū)、靠板結構中心的預應力鋼筋進行分析。

通過計算分析得到:位于未開裂樹脂砂漿處預應力鋼筋的受力不受裂縫寬度以及是否修補的影響，其應力值穩(wěn)定在509 MPa左右。而開裂處預應力鋼筋受到的縱向力隨裂縫寬度以及是否修補有一定的變化。

圖3 軌道結構整體降溫50℃時預應力鋼筋縱向應力隨裂紋寬度的變化情況

如圖3所示，在軌道結構整體降溫50℃時，開裂處預應力鋼筋在樹脂砂漿裂縫未修補時，其縱向拉應力值緩慢減小;當預應力砂漿修補后，鋼筋所受縱向拉應力小于未修補時應力，除在裂縫寬度為2 mm處明顯增大，其余位置基本保持不變。由此可以看出預應力鋼筋受到裂紋是否修補影響較大，而修補材料彈性模量的變化對預應力鋼筋影響相對較小。

2.2.3 修補材料受力分析

圖4表示軌道整體降溫50℃時板間裂縫寬度和修補材料的彈性模量對修復材料受力的影響。

圖4 軌道結構整體降溫50℃時修補材料縱向應力變化情況

由圖4(a)可知，在軌道結構整體降溫50℃時各個裂縫寬度條件下，隨著修補材料的彈性模量增大，修補材料上表面中心的縱向拉應力逐漸減小直至出現(xiàn)縱向壓應力，且縱向壓應力逐漸增加。裂縫寬度較大時修補材料的縱向壓應力增速明顯小于裂縫寬度較小時。

由圖4(b)可知，在軌道結構整體降溫50℃、修復材料的彈性模量≤1 000 MPa時，修復材料上表面中心受到縱向拉應力，并且縱向拉應力隨著裂縫寬度增大而減小，并且彈性模量越大，材料所受縱向拉應力減小速度越快。當修復材料彈性模量＞1 000 MPa時，修復材料上表面中心受到縱向壓應力，其縱向壓應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。

3 結論

本文建立了路基上CRTSⅢ型縱連板式無砟軌道有限元計算模型，對寬接縫處樹脂砂漿表面裂紋存在時在溫度荷載作用下樹脂砂漿、預應力鋼筋以及修補材料的受力予以分析。主要結論如下:

1)在軌道結構整體降溫50℃時，修補材料彈性模量、裂縫寬度和裂縫是否修補均對未開裂板間樹脂砂漿影響較小;開裂板間樹脂砂漿縱向拉應力隨修補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)當樹脂砂漿出現(xiàn)裂縫未進行修補時，板間樹脂砂漿受到的縱向拉應力大于裂縫修補后樹脂砂漿所受的力，裂縫更容易擴展，因此當裂縫發(fā)展到一定程度時，需要盡快修復，否則將使裂縫繼續(xù)擴展，降低軌道結構的耐久性。

3)在軌道結構整體降溫50℃時，修補材料的縱向拉應力先隨著其彈性模量的增大逐漸減小直至出現(xiàn)縱向壓應力，之后縱向壓應力逐漸增加;當修復材料的彈性模量≤1 000 MPa時，修補材料受到的縱向拉應力隨著裂縫寬度增大而減小。當修補材料彈性模量＞1 000 MPa時，修復材料受到的縱向壓應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)在軌道結構整體降溫50℃時，未開裂樹脂砂漿處預應力鋼筋的受力不受裂縫寬度以及裂縫是否修補影響;開裂樹脂砂漿處預應力鋼筋受到裂縫是否修補影響較大，而受修補材料彈性模量變化的影響相對較小。

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