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CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開裂對軌道受力的影響分析

趙林，劉學(xué)毅，趙華衛(wèi)，董佳佳

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道在我國復(fù)雜多樣的地理、氣候環(huán)境中，受列車高頻振動及溫度荷載作用，軌道板間的寬接縫較易產(chǎn)生開裂等傷損，部分開裂甚至在寬接縫后澆混凝土施工后就開始出現(xiàn)。寬接縫開裂常出現(xiàn)在新老混凝土界面上，裂縫寬度通常為0.1～2 mm，最寬時可達2～3 mm[1-2]。由于Ⅱ型板軌道結(jié)構(gòu)整體縱連，裂縫截面成為整個縱連軌道結(jié)構(gòu)的薄弱截面，其受力情況勢必會發(fā)生改變，甚至有可能由于軌道板的開裂而導(dǎo)致砂漿層、底座板或者縱連鋼筋的連帶破壞。目前，我國鐵路針對該傷損及維修標(biāo)準(zhǔn)尚缺乏系統(tǒng)的研究，為此，本文利用有限元方法，對存在寬接縫開裂的Ⅱ型板式軌道進行力學(xué)分析，擬得到不同長度、深度的寬接縫裂縫及不同荷載作用下對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，并據(jù)此初步提出寬接縫開裂維修指標(biāo)的建議值。

1計算模型及參數(shù)

1.1Ⅱ型板式軌道寬接縫開裂受力計算模型

利用ANSYS有限元軟件建立橋上縱連Ⅱ型板式軌道受力模型(圖1)。模型從上到下分別為鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板和橋梁。鋼軌簡化為彈性點支承梁，采用BEAM188單元模擬；扣件簡化為彈性元件，考慮其縱、橫向剛度，采用COMBIN14單元模擬；軌道板、砂漿層、底座板按實際結(jié)構(gòu)尺寸，采用SOLID45實體單元模擬；為提高計算效率，模型中用寬接縫來代替縱連接縫，未考慮縱連接縫上寬下窄的結(jié)構(gòu)細節(jié)，同時未對橋梁建模，僅考慮橋面支承層剛度1 000 MPa/m，支承剛度通過COMBIN14單元來實現(xiàn)剛度的模擬[3]；軌道板內(nèi)部縱向的6根精扎螺紋鋼筋，每根鋼筋施加50 kN的縱向力進行縱連，鋼筋和軌道板通過建立約束方程來進行連接處理；模型假定砂漿層同上下層的粘接性能完好，摩擦因數(shù)取0.3。

圖1　橋上CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開裂受力計算模型Fig.1 Model of wide juncture of CRTSⅡ prefabricated slab track on bridge

模型選取4塊軌道板進行計算以消除邊界效應(yīng)，4塊軌道板沿簡支梁跨中對稱布置，取中間2塊軌道板為研究對象[4]。約束橋面支承層的橫向、縱向和垂向位移；約束底座板、軌道板和鋼軌的端部縱向位移；約束鋼軌兩端除豎向以外的所有自由度。橋上CRTSII板式軌道實體有限元模型如圖2所示。

1.2計算參數(shù)

模型中鋼軌采用CHN60鋼軌，彈性模量為2.1e5MPa，線膨脹系數(shù)11.8e-6，泊松比0.3；扣件選用WJ-8型扣件，扣件節(jié)點的垂直靜剛度為50 kN/mm，間距0.65 m；軌道板尺寸6.45 m×2.55 m×0.2 m，C55混凝土彈性模量為3.55e4MPa，線膨脹系數(shù)10×10-6，泊松比0.2；砂漿層寬度與軌道板相同，厚度0.03 m，彈性模量7 000 MPa；底座板寬度2.95 m，厚度0.19 m， C30混凝土彈性模量為3.55e4MPa，線膨脹系數(shù)10×10-6，泊松比0.2；縱連精扎螺紋鋼筋直徑20 mm，彈性模量取值2.05 e5MPa；由寬接縫來代替寬窄接縫，寬接縫的寬度厚度與軌道板相同，采用C55混凝土。

圖2　橋上CRTSII板式軌道實體有限元模型Fig.2 Finite element analysis model of CRTSⅡ prefabricated slab track on bridge

由于混凝土軌道板熱傳導(dǎo)性差，導(dǎo)致軌道板在厚度方向上存在溫度差，不均勻溫度作用下的熱脹冷縮致使軌道板發(fā)生翹曲變形和翹曲應(yīng)力[5]，由于最大溫度梯度是歷年來測得的溫度梯度最大值，發(fā)生的幾率較小。本文主要考慮寬接縫的開裂和軌道板的拉應(yīng)力等，采用經(jīng)常出現(xiàn)的溫度梯度，45 ℃/m的正溫度梯度和22.5 ℃/m的負溫度梯度[6]。列車荷載采用常用輪載150 kN，按單軸雙輪加載。另外考慮整體降溫10 ℃。

1.3計算工況

1)考慮外荷載對寬接縫開裂可能產(chǎn)生的影響，在《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中規(guī)定Ⅱ型板式無砟道床板間接縫的Ⅱ級維修標(biāo)準(zhǔn)是0.3 mm[7]，因此在研究外荷載影響時，裂縫寬度取0.3 mm，裂縫深度取0.1 m(軌道板厚度之半)，裂縫長度取1.275 m(軌道板半寬)。外荷載有4種情況：①列車豎向荷載150 kN；②正溫度梯度45 ℃/m；③負溫度梯度22.5 ℃/m；④整體降溫10 ℃。

2)研究裂縫深度的影響時，裂縫長度取1.275 m。裂縫深度分別為33.3，66.7，100，133.3，166.7和200 mm(裂縫深度貫穿)。

在診斷妊娠合并甲狀腺功能異常疾病時，需要對孕婦的臨床表現(xiàn)進行觀察，同時對孕婦血清促甲狀腺激素、游離甲狀腺素（FT4）、TT4、TT3、游離三碘甲狀腺原氨酸（FT3）等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，從而有效診斷妊娠合并甲狀腺功能異常[19]。

3)研究裂縫長度的影響時，裂縫深度取為0.133 m。裂縫長度分別為1.275，1.913和2.55 m(裂縫橫向貫穿)。

4)研究溫度梯度和寬接縫開裂條件下，軌道板翹曲變形隨板下CA砂漿脫空距離的變化時，寬接縫裂縫在垂向和橫向完全貫通，開裂寬度0.3 mm。板下脫空距離分別至1-10號扣件(全脫空)。

2Ⅱ型板式軌道受力特性分析

2.1寬接縫開裂時荷載對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響

本小節(jié)主要計算分析4種荷載作用，即列車豎向荷載、正溫度梯度、負溫度梯度和整體降溫，寬接縫開裂對軌道結(jié)構(gòu)受力變化的影響。軌道結(jié)構(gòu)(軌道板，砂漿層，底座板)的最大拉應(yīng)力和縱連鋼筋應(yīng)力如表1和圖3~4所示。

表1軌道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力計算結(jié)果

Table 1 Calculation of the maximum tensile stress of track structure

MPa

圖3　軌道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力Fig.3 Maximum tensile stress of track structure

由計算結(jié)果可見，僅列車荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)的受力影響較弱，而在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫10 ℃的溫度荷載作用下，寬接縫受拉，其開裂對軌道結(jié)構(gòu)受力影響最為不利，且縱向應(yīng)力要明顯大于橫向應(yīng)力，因此在下文的分析中，重點研究整體降溫下軌道結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)力。

圖4　縱連鋼筋最大應(yīng)力Fig.4 Maximum stress of longitudinally continuous steel

根據(jù)上節(jié)的分析，在整體降溫10 ℃時，寬接縫開裂對軌道結(jié)構(gòu)受力最為不利。本節(jié)在軌道結(jié)構(gòu)整體降溫10 ℃時，改變寬接縫開裂的深度和長度，分析不同大小的裂縫對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，對軌道結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析。本節(jié)計算中僅研究軌道結(jié)構(gòu)的縱向拉應(yīng)力，寬接縫開裂寬度取0.3 mm。

2.2.1裂縫深度的影響

根據(jù)前文的分析，本節(jié)寬接縫開裂寬度取0.3 mm，長度取1.275 m(軌道板半寬)。研究寬接縫開裂深度分別為33.3(軌道板1/6厚)，66.7，100，133.3，166.7和200 mm(裂縫深度貫穿)時，裂縫深度對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，如圖5和圖6所示。

圖5　軌道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力Fig.5 Maximum tensile stress of track structure

由圖5和圖6可知，在裂縫深度小于100 mm范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)和縱連鋼筋的受力增加較為緩慢，且均未超過其各自的抗拉強度；而裂縫深度超過125 mm時，軌道結(jié)構(gòu)和縱連鋼筋的受力增加較快，對寬接縫開裂較為敏感，且在125 mm處產(chǎn)生一個突變，這是由于當(dāng)裂縫深度超過125 mm，軌道板里的縱連鋼筋暴露，退出工作，軌道板的受力完全由混凝土承擔(dān)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在寬接縫附近，并且當(dāng)裂縫深度達到166 mm時，軌道板受力達到2.76 MPa，超過混凝土C55的強度標(biāo)準(zhǔn)值2.74 MPa[8]，此時混凝土被拉壞；此外寬接縫未開裂時，底座板受力1.95 MPa，當(dāng)開裂深度達200 mm(深度貫穿)時，底座板受力3.05 MPa，增幅達56%，同時已超過其容許應(yīng)力。鋼筋應(yīng)力在裂縫深度超過125 mm后，從166 MPa增加到230 MPa，增幅達39%，但并沒有達到鋼筋屈服應(yīng)力。分析計算結(jié)果可得，隨寬接縫開裂深度增加，軌道結(jié)構(gòu)受力變化較明顯，當(dāng)開裂深度超過125 mm時，軌道結(jié)構(gòu)受力極為不利，嚴(yán)重時軌道板和底座板被拉壞，致使軌道結(jié)構(gòu)帶裂縫工作。

圖6　縱連鋼筋最大應(yīng)力Fig.6 Maximum stress of longitudinally continuous steel

2.2.2裂縫長度的影響

根據(jù)上節(jié)的計算結(jié)果，軌道結(jié)構(gòu)的受力在深度超過125 mm時有突變，同時深度超過166 mm時軌道板被拉裂，為保證軌道結(jié)構(gòu)受力較為明顯且軌道結(jié)構(gòu)不被破壞，本節(jié)選取寬接縫開裂深度133 mm，開裂寬度0.3 mm。研究寬接縫開裂長度分別為1.275 m，1.913 m，2.55 m(裂縫橫向貫穿)時，裂縫長度對軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響，如圖7和圖8所示。

由計算結(jié)果可見，隨著裂縫開裂長度的增加，軌道結(jié)構(gòu)所受縱向拉應(yīng)力整體呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，但增幅均不足3%，影響較小，這是由于裂縫長度的變化是沿軌道結(jié)構(gòu)橫向方向的開裂，主要影響軌道結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力，而對軌道結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)力影響不大；而縱連鋼筋最大應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢，但幅度很小，這是由于隨著裂縫長度的增加，如超過1.35 m時，縱連鋼筋開始一個個逐漸暴露出來，鋼筋條數(shù)增加，共同承擔(dān)軌道結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力，因此最大應(yīng)力逐漸減小。

圖7　軌道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力Fig.7 Maximum tensile stress of track structure

圖8　縱連鋼筋最大應(yīng)力Fig.8 Maximum stress of longitudinally continuous steel

2.3寬接縫開裂對軌道板翹曲變形的影響

根據(jù)前文的分析，在寬接縫開裂處軌道板所受應(yīng)力最大，即在板邊處軌道板和CA砂漿承受較大的拉(負溫度梯度)、壓(正溫度梯度)反復(fù)作用，隨著荷載作用次數(shù)的增多，板邊處的砂漿與軌道板間的黏結(jié)將首先遭到破壞，形成板下脫空，無法保證砂漿對軌道板翹曲變形的跟隨性與約束能力。本節(jié)將研究在溫度梯度和寬接縫開裂的情況下，軌道板的翹曲變形和縱連鋼筋最大拉應(yīng)力隨板下脫空距離的變化，其中寬接縫裂縫在垂向和橫向完全貫通，開裂寬度取0.3 mm，如圖9和圖10所示。

圖9　軌道板最大翹曲位移Fig.9 Maximum warping displacement of track slab

圖10　縱連鋼筋最大應(yīng)力Fig.10 Maximum stress of longitudinally continuous steel

由圖9可以看出，隨著板下CA砂漿脫空距離的增加，軌道板最大翹曲位移不斷增加。相比于沒有溫度梯度的情況下，正溫度梯度增大了軌道板的最大翹曲位移，這是由于軌道板沒有了寬接縫和CA砂漿的約束，僅在自重的作用下軌道板下沉，最大位移出現(xiàn)在板邊位置，正溫度梯度是軌道板上表面溫度高，下表面溫度低，增大了軌道板下翹位移；對比負溫度梯度和無溫度梯度2種情況，表面上看負溫度梯度對軌道板的最大翹曲位移影響不大，但兩者出現(xiàn)最大翹曲位移的位置不同，負溫度梯度使軌道板中部下翹，軌道板板邊上翹，最大翹曲出現(xiàn)在脫空軌道板的中部，而在自重作用下的軌道板最大翹曲位移出現(xiàn)在板邊處。

由圖10可以看出，在負溫度梯度的作用下，隨著板下CA砂漿脫空距離的增加，縱連鋼筋的最大拉應(yīng)力不斷增加，從163 MPa增加到331 MPa，增加了1倍多，但沒有達到鋼筋的屈服應(yīng)力500 MPa，因為縱連鋼筋在軌道板中間層偏下2.5 cm，在負溫度的作用下，軌道板下部受拉，并且隨著翹曲位移的增大，鋼筋應(yīng)力不斷增大；相反，在正溫度梯度的作用下，軌道板內(nèi)縱連鋼筋應(yīng)力主要受壓應(yīng)力，但在寬接縫處縱連鋼筋由于軌道板邊下翹位移的不斷增加，使得縱連鋼筋受拉，但拉應(yīng)力變化不大。

3Ⅱ型板式無砟軌道寬接縫開裂的修補時機

根據(jù)前文所述，寬接縫開裂長度的變化對軌道結(jié)構(gòu)和縱連鋼筋的受力影響不大，但開裂深度對軌道結(jié)構(gòu)受力影響較大。當(dāng)開裂深度大于125 mm時，傷損發(fā)展較為迅速，因此，裂縫深度的變化對修補的及時性要求最高。開裂深度小于50 mm時，軌道結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，可以不用進行修補；寬接縫開裂深度在50 ~125 mm時，軌道結(jié)構(gòu)受力增加但比較緩慢；寬接縫開裂深度在125~200 mm時，軌道結(jié)構(gòu)受力快速增加；且當(dāng)深度超過166 mm時軌道板受力達2.76 MPa，此時混凝土已被拉壞。

盡管寬接縫沿橫向長度的開裂不會影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的整體正常使用，但是寬接縫長度的開裂尤其當(dāng)其長度超過1.35 m時，縱連鋼筋裸露在空氣中，雨水進入后可使板間縱連鋼筋銹蝕速度的加快[9-10]，寬接縫開裂區(qū)域?qū)⒊蔀楸∪鯀^(qū)域，會對軌道結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生較大影響。

因此，參考寬接縫開裂區(qū)域裂縫大小對軌道結(jié)構(gòu)受力安全性的影響，確定維修時機的緩急程度，考慮安全系數(shù)為2，建議將Ⅱ型板式軌道寬接縫開裂的維修標(biāo)準(zhǔn)等級分為3級，見表2。

表2Ⅱ型板式軌道寬接縫開裂維修級別建議值

Table 2 Suggested value of maintenance level for wide juncture cracking of Ⅱprefabricated slab

判定項目評定等級Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級沿軌道垂向深度/mm≤2525~60≥60沿軌道橫向長度/m≤0.50.5~1.0≥1.0

4結(jié)論

1)僅在列車荷載作用下，寬接縫的開裂對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響較弱；而在整體降溫10 ℃的溫度荷載作用下，開裂對軌道結(jié)構(gòu)的受力影響最為不利。

2)寬接縫開裂深度(垂向)的變化對軌道結(jié)構(gòu)受力影響最明顯。當(dāng)寬接縫開裂深度小于100 mm時，軌道結(jié)構(gòu)和縱連鋼筋受力的增加較為緩慢；當(dāng)寬接縫開裂深度達到125 mm后，軌道結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一個突變，且之后軌道板，底座板和縱連鋼筋的受力增加較快，軌道結(jié)構(gòu)對寬接縫開裂較為敏感，最大應(yīng)力出現(xiàn)在寬接縫附近；當(dāng)開裂深度達到166 mm時，軌道板所受拉應(yīng)力達到2.76 MPa，超過其抗拉極限，導(dǎo)致軌道板被拉壞，使軌道板帶裂縫工作，影響正常使用，同時在列車荷載的反復(fù)作用下會影響行車安全；當(dāng)開裂深度達到200 mm時，底座板所受拉應(yīng)力達到3.05 MPa。

3)寬接縫開裂長度(橫向)的變化對軌道結(jié)構(gòu)受力影響不明顯，但是當(dāng)寬接縫開裂長度超過1.35 m時，縱連鋼筋裸露在空氣中，雨水進入后可使板間縱連鋼筋銹蝕速度的加快，寬接縫開裂區(qū)域?qū)⒊蔀楸∪鯀^(qū)域，會對軌道結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生較大影響。

4)當(dāng)寬接縫開裂和板下CA砂漿脫空時，正溫度梯度增加了軌道板的最大翹曲位移，但對縱連鋼筋所受拉應(yīng)力影響不大；負溫度梯度作用下軌道板的最大翹曲位移位置出現(xiàn)在脫空軌道板的中部，同時縱連鋼筋所受拉應(yīng)力增加1倍多，達到331 MPa，但并沒有達到鋼筋的屈服應(yīng)力。

5)參考寬接縫開裂區(qū)域裂縫大小對軌道結(jié)構(gòu)受力安全性的影響，提出了Ⅱ型板式軌道寬接縫開裂維修標(biāo)準(zhǔn)建議值。

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(編輯陽麗霞)

摘要:為分析CRTSⅡ型板式無砟軌道寬接縫開裂對軌道受力性能的影響，以橋上Ⅱ型板式軌道為例建立計算模型，應(yīng)用有限元法，計算分析在不同荷載作用下寬接縫的開裂對Ⅱ型板式軌道受力性能的影響。研究結(jié)果表明，整體降溫條件下開裂對軌道結(jié)構(gòu)的受力影響最大，正溫度梯度增加了軌道板的最大翹曲位移；寬接縫開裂深度對軌道受力影響最為明顯，當(dāng)開裂深度達到200 mm時，底座板所受拉應(yīng)力達到3.05 MPa；提出了Ⅱ型板式無砟軌道寬接縫開裂的修補標(biāo)準(zhǔn)建議值。

關(guān)鍵詞：CRTSⅡ型板式軌道；寬接縫；溫度荷載；維修標(biāo)準(zhǔn)

The study of influence on track stress caused by the cracking at wide juncture of CRTSⅡ prefabricated slab trackZHAO Lin， LIU Xueyi， ZHAO Huawei， DONG Jiajia

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

Abstract：In order to analyze the influence of the cracking at wide juncture of CRTSⅡprefabricated slab track on slab track，the numerical model is setup. Through finite element method, different loads influence on slab track is calculated and analyzed. The result shows that the overall cooling has the largest influence on track structure stress and the positive temperature gradient increases the maximum warping displacement of track slab; the effect of the depth of cracking at wide juncture on track stress is the most obvious, and the tensile stress of bed slab will reach 3.05 MPa and the crack depth is 200 mm; the suggested value of maintenance standard for wide juncture cracking of CRTSⅡ prefabricated slab track has been provided.

Key words：CRTSⅡ prefabricated slab track; wide juncture; temperature load; maintenance standards

中圖分類號：U213.9+12

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0009-06

通訊作者：劉學(xué)毅(1962-)，男，四川中江人，教授，博士，從事高速、重載軌道結(jié)構(gòu)與軌道動力學(xué)的研究；E-mail:xyliv@home.swjtu.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51208438)；高鐵聯(lián)合自然基金重點資助項目(U1424208)

收稿日期：*2015-06-07