李 威,劉學(xué)毅,肖杰靈,劉笑凱,董佳佳

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

CRTSⅡ型板式無砟軌道是由寬窄接縫將預(yù)制軌道板串聯(lián)、鎖定而成的縱連式結(jié)構(gòu)，直接暴露于自然環(huán)境中，隨著周邊環(huán)境溫度的變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度應(yīng)力受到縱向約束而不能自由釋放。軌道結(jié)構(gòu)溫度升髙時，縱連結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受較大的溫度壓力[1]。若壓應(yīng)力超過混凝土的抗壓強(qiáng)度，則可能直接導(dǎo)致軌道部件壓碎，影響軌道結(jié)構(gòu)的受力與耐久性。蔡成標(biāo)等人以溫變作用下道床板最大損傷狀態(tài)作為初始條件，研究了道床板塑性損傷[2];趙坪銳等分析了溫度力對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的影響[3]。上述研究主要針對路基上縱連式軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載及溫降作用下傷損行為，未關(guān)注到混凝土的受壓破壞。此外，高建明等研究了荷載-干濕交替-硫酸鹽耦合作用下混凝土損傷過程[4]；彭立敏等分析了靜動載耦合作用仰拱混凝土損傷特征[5];Cui J等進(jìn)行了高靜水壓力下混凝土損傷試驗研究[6];牛荻濤等進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下混凝土損傷研究[7]。這些研究揭示了不同環(huán)境下混凝土存在不同的損傷行為，為研究溫升條件下CRTSⅡ型板式軌道受列車荷載作用時的損傷發(fā)展提供了有益參考。

受結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝等因素影響，寬窄接縫成為CRTSⅡ型板式縱連體系的薄弱環(huán)節(jié)，是該類結(jié)構(gòu)的病害集中高發(fā)區(qū)，開裂、破碎或上拱等病害形式多樣。特別是高溫時軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)存在較大的溫度壓應(yīng)力，此時若有列車荷載作用，將改變軌道結(jié)構(gòu)及寬窄接縫受力，并導(dǎo)致其快速傷損、破壞。為確保該型軌道結(jié)構(gòu)服役安全，研究列車荷載與溫升荷載耦合作用下寬窄接縫損傷行為具有重要的現(xiàn)實意義。

1 混凝土損傷塑性模型

混凝土損傷塑性模型以Lubliner[8]，Lee和Fenves[9]提出的損傷塑性模型為基礎(chǔ)，以各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉壓塑性理論描述混凝土的非彈性行為，可以很好地模擬低圍壓情況下，混凝土受單調(diào)荷載、循環(huán)或動荷載作用下的力學(xué)行為[10]。該模型引入指標(biāo)損傷因子d，用來評價混凝土損傷和失效程度。

混凝土塑性損傷模型與率無關(guān)，總應(yīng)變率由彈性和塑性兩部分組成，可表示為

ε=εel+εpl

(1)

式中，εel為彈性應(yīng)變率；εpl為塑性應(yīng)變率。

該模型中，應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可表示為

(2)

當(dāng)材料受壓破碎時，結(jié)構(gòu)剛度下降。假定損傷為標(biāo)量，剛度退化是各向同性的，依據(jù)連續(xù)介質(zhì)的觀點，受壓時的有效應(yīng)力可用損傷因子表示，其損傷本構(gòu)模型為

(3)

該模型假定損傷后的有效彈性模量E可用無損彈性模量E0與損傷因子d表示，即

E=(1-d)E0

(4)

損傷因子d在0(無損傷)到1(完全失效)之間變化。

選取我院消毒供應(yīng)室醫(yī)療器械600件，依據(jù)電腦隨機(jī)分配的原則均分兩組，即研究組和參照組，醫(yī)療器械各300件。器械主要為：血管鉗、組織剪、和鑷子，同時還包括彎盤、卵圓鉗、拉鉤、老虎鉗、打肋器和持針鉗等。該科室工作人員共20名。

寬窄接縫處混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[11]所提供的本構(gòu)關(guān)系結(jié)合寬窄接縫處所澆混凝土強(qiáng)度等級(C35)確定，如圖1所示。

寬窄接縫處混凝土損傷因子與應(yīng)變關(guān)系如圖2所示，損傷因子計算公式為[12]

(5)

式中，β為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受壓時取0.4；εin為混凝土受壓情況下的非彈性階段應(yīng)變。

圖1 寬窄接縫混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 寬窄接縫混凝土損傷因子與應(yīng)變關(guān)系

2 計算模型

當(dāng)軌道板和寬窄接縫整體升溫Δt時，其伸縮量為Δl=α·l·Δt。若模型兩端完全固定，軌道結(jié)構(gòu)無法自由伸縮，將產(chǎn)生溫度壓應(yīng)力，根據(jù)虎克定律，溫度應(yīng)力σt為

(6)

式中,E為彈性模量；α為熱膨脹系數(shù)。

為簡化計算量，建立了CRTSⅡ板式無砟軌道平面模型。模型中自上到下依次為：鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層。模型全長12.95 m，包括2塊軌道板和1個寬窄接縫。模型中扣件采用線性彈簧模擬，垂向剛度為30 kN/mm，縱向剛度為5 kN/mm[13]。軌道板、寬窄接縫、砂漿層均為實體單元，并假設(shè)砂漿層間黏結(jié)良好。為消除邊界條件影響，對模型底部垂向全部約束，兩端施加對稱約束。其中，寬窄接縫處網(wǎng)格大小為0.005 m；軌道板網(wǎng)格大小為0.02 m；砂漿層網(wǎng)格大小為0.01 m。參數(shù)如表1所示。有限元模型如圖3所示。

表1 軌道結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

圖3 有限元模型

計算模型如圖4所示。圖中，工況1表示荷載作用于板中位置；工況2表示荷載作用于板邊位置；工況3表示荷載作用于寬窄接縫正上方。

圖4 計算模型

3 計算結(jié)果及分析

3.1 列車荷載作用位置的影響

圖5 寬窄接縫損傷云圖

列車荷載作用于不同位置時，寬窄接縫處混凝土最大損傷因子隨溫升變化曲線如圖6所示。

圖6 最大損傷因子隨溫升變化曲線

當(dāng)軸重作用于板中或?qū)捳涌p正上方時，其損傷因子曲線與無列車荷載作用時基本重合；當(dāng)列車荷載作用于板邊時，損傷因子在整體升溫6 ℃后有一個跳躍的過程，急劇增大。當(dāng)軸重作用于寬窄接縫正上方時，垂向力通過扣件傳遞至軌道板的力很小，對寬窄接縫處混凝土損傷的影響很??；當(dāng)軸重作用于板中位置時，受影響的扣件約為5個，并成對稱分布，此時荷載對寬窄接縫混凝土損傷無影響；當(dāng)軸重作用于板邊位置時，依據(jù)日本學(xué)者的假設(shè)，0.4倍的軸重力將會直接傳遞至荷載所作用下方軌道板處[14]，加劇寬窄接縫處混凝土損傷。當(dāng)無列車荷載作用或列車荷載作用位置離寬窄接縫較遠(yuǎn)時，整體升溫15 ℃之前，基本無損傷；繼續(xù)升溫，損傷因子緩慢增長；當(dāng)升溫約28 ℃時，損傷因子迅速增大，寬窄接縫處混凝土逐漸壓碎破壞。當(dāng)列車荷載作用于板邊時，整體升溫約6 ℃時，損傷因子迅速增大，寬窄接縫處混凝土開始壓碎破壞。

3.2 軸重大小影響

當(dāng)前使用的高速列車軸重隨車型改變會略有差異。為研究列車軸重大小對寬窄接縫損傷的影響，分別計算了整體升溫25 ℃，軸重為0、2、5、8、11、14、17 t和20 t，列車荷載作用于板邊位置時寬窄接縫的塑性損傷。各工況的損傷因子最大值如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)軸重從0增加到2 t時，寬窄接縫開始出現(xiàn)損傷所需整體升溫略微減小，損傷程度有少量增大；當(dāng)軸重增加到5 t時，寬窄接縫在整體升溫6 ℃時即開始出現(xiàn)損傷，且隨著溫度繼續(xù)上升，損傷迅速增大；當(dāng)軸重繼續(xù)增加，此時軸重對于損傷的影響不再明顯，軸重為5 t時和軸重為20 t時損傷因子變化曲線基本一致。

圖7 不同軸重作用下寬窄接縫最大損傷因子

3.3 制動力影響

當(dāng)列車實施制動時，列車對線路施加一縱向水平力一軌面制動力。軌面制動力通過扣件結(jié)構(gòu)傳到軌道板，會影響軌道板的損傷。為研究制動力作用位置對寬窄接縫混凝土損傷的影響，在不同位置施加列車軸重荷載及制動力，對比不同工況下?lián)p傷因子變化曲線。其中制動力率取0.164[15]。制動力及軸重作用于不同位置時，損傷因子變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8 荷載作用于寬窄接縫正上方時損傷因子變化

圖9 荷載作用于板邊損傷因子變化

圖10 荷載作用于板中損傷因子變化

由圖8可知，制動力對寬窄接縫處混凝土損傷影響極其明顯。無列車荷載或只作用軸重時，損傷因子曲線基本重合，均變化較為平緩；軸重和制動力同時作用時，損傷因子在整體升溫6 ℃時便急劇增大，進(jìn)入壓碎破壞階段，制動力對損傷影響極其明顯。由圖9可知，軸重單獨作用與軸重和制動力共同作用損傷因子變化曲線基本重合，制動力對混凝土損傷基本無影響。列車荷載作用于板中位置時，如圖10所示，三條曲線無太大差異，制動力對混凝土損傷基本無影響。

由上述結(jié)果可知，制動力對寬窄接縫處混凝土損傷的影響程度取決于其作用位置。當(dāng)制動力作用于寬窄接縫正上方時，會通過扣件將力傳遞至軌道板，傳力扣件離寬窄接縫較近，故對寬窄接縫損傷影響較大；當(dāng)制動力作用于板邊位置時，由于制動力遠(yuǎn)小于軸重，故制動力對寬窄接縫損傷的影響很難體現(xiàn)出來；當(dāng)制動力作用于板中位置時，由于荷載作用位置離寬窄接縫較遠(yuǎn)，縱向力傳遞至寬窄接縫處時已很小，對寬窄接縫損傷基本無影響。

4 結(jié)論

(1)在溫升荷載或溫升、列車荷載耦合作用下，寬、窄接縫最易在其聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生傷損，特別是轉(zhuǎn)角位置，應(yīng)加強(qiáng)寬、窄接縫界面處理和施工質(zhì)量，提升其服役性能。

(2)列車荷載會改變傷損發(fā)生位置及發(fā)展趨勢，傷損主要集中于窄接縫上部附近。無列車荷載作用、列車荷載作用于板邊位置及列車荷載作用于板中位置時，損傷最先出現(xiàn)在窄接縫上部角點處，并呈倒V形向?qū)捊涌p處拓展；列車荷載作用于板邊位置時，窄接縫靠近荷載作用位置上角點最先出現(xiàn)損傷，并呈約45°角向斜下方拓展。

(3)軸重作用于不同位置，寬窄接縫最先出現(xiàn)損傷的位置及發(fā)展趨勢不一樣。軸重作用于寬窄接縫正上方或板中位置時，損傷因子變化曲線基本與無列車荷載作用時一致；軸重作用于板邊位置時，損傷因子變化曲線急劇增大階段大幅度提前，提前進(jìn)入損壞階段。

(4)制動力對寬窄接縫影響與作用位置有關(guān)。當(dāng)制動力作用于寬窄接縫正上方時對寬窄接縫損傷影響最大。

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