劉笑凱,楊榮山,潘國瑞,杜華楊

(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)

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CRTSⅡ型板式軌道砂漿快修對軌道結構受力性能的影響分析

劉笑凱,楊榮山,潘國瑞,杜華楊

(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)

摘要：以CRTSⅡ型板式無砟軌道結構為研究對象,結合現有的砂漿快修技術,建立CRTSⅡ型板式無砟軌道快修砂漿的力學模型,采用有限元方法,計算列車荷載單獨作用、正溫度梯度和列車荷載共同作用以及負溫度梯度和列車荷載共同作用3種工況下軌道板的最大拉、壓應力,砂漿層最大垂向壓應力和快修砂漿層以及軌道板的最大垂向位移。計算結果表明,在各種荷載的作用下,快修砂漿處的軌道結構受力均能夠達到正常投入使用的標準,并且快修砂漿的應力值未超過其2 h強度值3 MPa,因此不需要對維修的軌道進行臨時支護。

關鍵詞：CRTSⅡ型板式無砟軌道；軌道維修；快修砂漿；溫度梯度

1概述

CRTSⅡ型板式無砟軌道以其高可靠性、高穩(wěn)定性和高平順性，較好地適應了高速鐵路的要求。路基和隧道地段CRTSⅡ型板式無砟軌道結構主要由鋼軌、扣件、軌道板、水泥瀝青砂漿層和支承層等組成，曲線超高在路基基床或隧道仰拱(底板)表層上設置。橋梁地段由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、滑動層、側向擋塊等部分組成，橋臺后路基設置錨固結構(摩擦板、土工布及端刺)及過渡板。砂漿層是 CRTSⅡ型板式無砟軌道的重要組成部分，通過 30 mm 厚的砂漿充填層實現軌道板的均勻支承及其與底座板(支承層)的連接，因此砂漿層應滿足強度和彈性雙重要求，其性能的優(yōu)劣直接影響無砟軌道的耐久性和維修工作量[1-4]。

水泥瀝青砂漿是CRTSⅡ型板式無砟軌道的薄弱環(huán)節(jié)，高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道結構中較為常見的傷損形式之一便是砂漿層與軌道板或底座板(支承層)之間出現離縫傷損，砂漿層破壞后會直接影響軌道的平順性，因此需要及時修補。我國客運專線跨區(qū)域大、線路長，這些客觀情況決定了維修天窗設置不同于德、日、法等國，而必須具有短時性，目前均采用4 h垂直“天窗”，即要求對砂漿層進行快速維修。快修砂漿2 h內強度僅能達到3 MPa，在此期間內通車，可能對行車安全構成影響。本文基于有限元的方法，建立CRTSⅡ型軌道結構有限元模型，研究溫度梯度和列車荷載作用下，快修砂漿對軌道結構受力性能的影響[5-7]。

2計算模型及相關參數

2.1計算模型

力學模型如圖1所示。模型中，鋼軌采用彈性點支承梁模擬；扣件采用單個線性點支承彈簧模擬；軌道板、底座板(支承層)和水泥乳化瀝青砂漿層采用實體單元模擬；下部基礎的豎向支承作用采用均勻布置離散的線性彈簧模擬。為消除邊界效應，模型選取3塊單元軌道板或相當的長度進行計算，以中間單元板作為研究對象。3塊軌道板僅中間軌道板下的水泥乳化瀝青砂漿為快修砂漿，其余兩塊軌道板下均為正常狀態(tài)的水泥乳化瀝青砂漿[8-10]。

圖1　CRTSⅡ型板式軌道快修砂漿力學模型

2.2相關參數

選取CRTSⅡ型板式無砟軌道結構為研究對象，軌道板結構的尺寸為6 450 mm×2 550 mm×200 mm，砂漿層厚度為30 mm，底座板寬3 250 mm，厚度為300 mm?？奂g距為650 mm，每塊軌道板均布10個扣件。軌道板連續(xù)，砂漿層在寬接縫兩邊斷開，寬接縫尺寸為50 mm×2 550 mm×100 mm。為了研究快修砂漿對軌道結構受力的影響，取快修砂漿彈性模量3 000 MPa、正常狀態(tài)的砂漿彈性模量為7 000 MPa進行計算并對比其結果。參考國內外文獻，CRTSⅡ型板式無砟軌道結構在列車和溫度荷載下的計算參數見表1[11-12]。

3快修砂漿對軌道結構受力的影響

3.1計算工況

為分析研究快修砂漿層對軌道結構受力的影響，主要考慮工況1只有列車荷載作用、工況2正溫度梯度與列車荷載共同作用、工況3負溫度梯度與列車荷載共同作用3種工況。列車荷載取常用輪載，即150 kN，荷載作用位置從板縫位置至第五、六扣件之間變化共6種作用位置。

表1　CRTSⅡ型板式無砟軌道結構在列車和

3.2列車荷載單獨作用

列車荷載單獨作用時軌道板和砂漿層的最大應力、位移均出現在荷載作用處附近，其值隨荷載作用位置的變化如圖2所示。

隨列車荷載由板縫中心處向板中移動，正常砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向拉應力值沒有明顯變化，其值約為0.25 MPa和0.18 MPa；快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向拉應力最大值減小，其最大值出現在荷載作用于板縫中心處時(圖中橫坐標為0時)，其值分別為0.25 MPa和0.36 MPa。與正常砂漿情況相比，快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向拉應力明顯增大，特別是最大橫向拉應力值，幾乎是正常砂漿時的2倍；正常砂漿與快修砂漿情況下軌道板最大縱、橫向壓應力均逐漸減小，相對而言，快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向砂漿的壓應力值變化更為明顯，兩種情況下，其最大值均出現在荷載作用于板縫中心處時，正常砂漿時，其值分別為2.71 MPa和2.46 MPa，快修砂漿情況下，其值分別為2.65 MPa和2.40 MPa；正常砂漿情況下，砂漿最大垂向壓應力變化不明顯，其值約為0.39 MPa，快修砂漿情況下，砂漿荷載在板縫中心處附近時，砂漿最大垂向壓應力有明顯的減小，隨后趨于穩(wěn)定，荷載在板縫中心處其值最大為0.49 MPa；與正常砂漿情況相比，快修砂漿情況下，軌道板與砂漿的最大垂向位移均有較為明顯的增大，增加值約為0.03 mm。

圖2　列車荷載單獨作用軌道板和砂漿層的最大應力、位移

綜上所述，當列車荷載單獨作用時，快修砂漿支承的軌道板縱、橫向拉壓應力符合要求，未超過混凝土的強度(軌道板C60混凝土抗拉強度設計值2.04 MPa，抗壓強度設計值27.5 MPa)，快修砂漿列車垂向壓應力滿足其2h強度值3 MPa的要求。

3.3正溫度梯度和列車荷載共同作用

圖3　正溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層最大應力、位移

正溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層的最大應力、位移均出現在荷載作用處附近，其值隨荷載作用位置的變化如圖3所示。隨列車荷載由板縫中心處向板中移動，普通砂漿情況下軌道板的最大縱、橫向拉應力無明顯變化，其值約為0.70 MPa和0.96 MPa，快修砂漿情況下軌道板最大縱、橫向拉應力有一定增加，其最大值出現在荷載作用于板中時(圖中橫坐標為3.275 m)，最大值分別為0.85 MPa和0.96 MPa，與正常砂漿情況相比，快修砂漿情況下軌道板最大縱向拉應力明顯增大、最大橫向拉應力減??；兩種情況下，軌道板最大縱、橫向壓應力有所增大，其最大值均出現在荷載作用于板縫中心處時，正常砂漿情況下其值分別為9.91 MPa和5.52 MPa，快修砂漿情況下其值分別為9.84 MPa和5.49 MPa，與正常砂漿相比，快修砂漿情況下，軌道板最大縱向拉應力略有增加、最大橫向拉應力略有減小；兩種情況下砂漿層最大垂向壓應力均逐漸增大，正常砂漿情況下其最大值出現在荷載作用于板縫中心處時，其值為1.4 MPa，快修砂漿情況下其最大值出現在荷載作用于第四、五扣件之間時(圖中橫坐標為2.625 m )，其值為1.53 MPa，快修砂漿的最大垂向壓應力明顯比正常砂漿的垂向壓應力?。粌煞N情況下砂漿與板的最大垂向位移均逐漸減小，其最大值均出現在荷載作用于板縫中心處時，正常砂漿情況下其值分別為0.462 mm和0.463 mm，快修砂漿情況下其值分別為0.453 mm和0.466 mm。

綜上所述，當正溫度梯度和列車荷載共同作用時，快修砂漿情況下軌道板縱、橫向拉壓應力符合要求，未超過混凝土的強度(軌道板C60混凝土抗拉強度設計值2.04 MPa，抗壓強度設計值27.5 MPa)，快修砂漿垂向壓應力滿足其2h強度值3 MPa的要求。

3.4負溫度梯度和列車荷載共同作用

圖4　負溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層最大應力、位移

負溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層的最大應力、位移均出現在荷載作用處附近，其值隨荷載作用位置的變化如圖4所示。隨著列車荷載由板縫中心處向板中移動，軌道板最大縱、橫向拉應力變化不大，正常砂漿情況下其最大值分別為1.48 MPa和1.87 MPa，快修砂漿情況下縱向拉應力的最大值分別為1.65 MPa和1.87 MPa，快修砂漿情況下軌道板最大縱向拉應力比正常砂漿情況下大，兩種情況下最大橫向拉應力幾乎相等；軌道板最大壓應力有少許增大，正常砂漿情況下軌道板最大橫向壓應力幾乎沒有變化，其值約為1.60 MPa，縱向壓應力的最大值出現荷載作用于板縫中心處時，其值為0.76 MPa，快修砂漿情況下，軌道板最大縱、橫向壓應力均出現在荷載作用于板縫中心處時，其值分別為0.82 MPa和1.72 MPa，快修砂漿情況下軌道板最大縱、橫向壓應力均比普通砂漿情況下略??；兩種情況下砂漿的最大垂向壓應力變化不大，正常砂漿情況下其值約為1.10 MPa，快修砂漿情況下其值約為0.44 MPa；兩種情況下砂漿與板的最大垂向位移均逐漸減小，正常砂漿情況下砂漿與板的最大垂向位移變化更為穩(wěn)定，兩種情況下砂漿與板的垂向位移的最大值均出現在荷載作用于板縫中心處時，且大小相同，砂漿與板的最大位移分別為0.403 mm和0.391 mm。

綜上所述，當負溫度梯度和列車荷載共同作用時，快修砂漿情況下軌道板縱、橫向拉壓應力符合要求，未超過混凝土的強度(軌道板C60混凝土抗拉強度設計值2.04 MPa，抗壓強度設計值27.5 MPa)，快修砂漿垂向壓應力滿足其2 h強度值3 MPa的要求。

3.5砂漿層厚度

計算荷載采用設計荷載300 kN，選取砂漿層厚度為0.05、0.1、0.15、0.2 m四種工況計算。在不同的砂漿層厚度下軌道板和砂漿層的最大應力隨荷載作用位置的變化如圖5所示。

圖5　不同砂漿層厚度時軌道板和砂漿層最大應力

隨著砂漿層的增厚，軌道板最大縱向拉應力值變小，軌道板最大橫向拉應力增大，且在由板縫中心處向板中移動的過程當中，軌道板最大橫、縱向拉應力變化更為均勻；軌道板最大縱向壓應力逐漸減小，砂漿層厚度從0.05 m到0.1 m變化時，軌道板最大橫向壓應力幾乎沒有變化，隨著砂漿層厚度繼續(xù)增加，軌道板最大橫向壓應力逐漸減??；砂漿層厚度從0.05 m增加到0.15 m時，砂漿層最大垂向壓應力逐漸增加，砂漿層厚度從0.15 m增加到0.2 m時，砂漿層最大垂向壓應力明顯減小。

4結論

通過靜力分析快修砂漿的軌道結構中軌道板和砂漿層的應力、位移以及砂漿層厚度變化的影響，得出以下結論：

(1)在列車荷載單獨作用、正溫度梯度和列車荷載共同作用、負溫度梯度和列車荷載共同作用時，快修砂漿的軌道結構受力均能夠達到正常投入使用的標準，并且快修砂漿的應力值未超過其2 h強度值3 MPa，因此不需要臨時支撐結構；

(2)在列車荷載單獨作用下，當列車荷載作用在新舊砂漿界面處時，軌道板、快修砂漿層的應力、位移值最大；當正溫度梯度和列車荷載共同作用時，隨列車荷載由板縫中心處向板中變化，軌道板橫向拉應力增大，砂漿垂向應力和位移減??；當負溫度梯度和列車荷載共同作用時，當列車荷載由板縫中心處向板中變化時，快修砂漿層和軌道板垂向位移減小，應力變化不大；

(3)當砂漿層厚度增大時，軌道板縱向拉應力變小，而橫向拉應力變大，對軌道板縱橫向壓應力幾乎無影響，在一定范圍內厚度越大，砂漿層應力越小，但厚度增加到一定程度，砂漿層應力反而會減小。考慮到砂漿造價和施工工藝等影響，建議砂漿層厚度不宜超過0.1 m，如能控制砂漿層的開裂，則厚度可以不限制。

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Analysis of the Effect of Fast Mortar Repairing of CRTSⅡ Slab Track on the Performance of Track StructureLIU Xiao-kai, YANG Rong-shan, PAN Guo-rui, DU Hua-yang

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

Abstract：This paper focuses on CRTS II slab ballastless track and establishes a CRTSⅡslab track fast mortar repairing mechanical model based on the existing fast mortar repairing technology. The finite element method is employed to calculate the maximum tensile stress and compressive stress of the track slab, the maximum vertical compressive stress of mortar layer and the maximum vertical displacement of fast mortar repairing layer and track slab under such combined three conditions as independent action of train load, interaction of positive temperature gradient and train loads and interaction of negative temperature gradient and train loads. The calculation results show that under different loads, the track structural stress of fast repairing mortar meets the normal operational standards, and the stress value of fast repairing mortar is no more than 3MPa of 2h strength value, thus there is no need for temporary support for track maintenance.

Key words：CRTS II ballastless slab track; Track maintenance: Fast repairing mortar; Temperature gradient

中圖分類號：U213.2+44

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.014

文章編號：1004-2954(2015)05-0065-05

作者簡介：劉笑凱(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：jlallk@163.com。

基金項目：中國鐵路總公司科技開發(fā)重大項目(2013G008)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-18