馮青松，張思皓，孫魁，王威

CA砂漿離縫對橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道的影響分析

馮青松，張思皓，孫魁，王威

(華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

我國高速鐵路無砟軌道無縫線路發(fā)展迅速，但隨著列車的運營，軌道板與CA砂漿層之間常會出現(xiàn)離縫，這將對無砟軌道的長期服役性能產生一定的影響。以高速鐵路多跨簡支梁上CRTS I型板為例進行分析，研究板邊、板端、板角、板中4種典型CA砂漿離縫病害對軌道幾何形位及對無縫線路受力變形情況的影響。研究結果表明：離縫病害作用下，隨著橋軌間溫差變大，軌道水平偏差增幅較大，軌道高低偏差最值偏大，并且板端病害對離縫區(qū)平順性影響大。在溫度荷載作用下含病害的軌道結構伸縮受力更加明顯，尤其體現(xiàn)軌道板、底座板上，其中板邊位置的病害受力變形最為明顯。在列車荷載作用下在離縫病害區(qū)域軌道結構撓曲受力情況變化較大，其中板角及板端病害影響大。根據(jù)計算結果建議在無縫線路養(yǎng)護維修時著重檢查軌道板及底座板下表面的情況，及要注意檢修鋼軌正下方病害情況。

橋上無縫線路；CRTS I型板式無砟軌道；CA砂漿離縫；幾何形位；縱向力

高速鐵路無砟軌道CA砂漿層間出現(xiàn)離縫病害，病害一般分為4類：板邊、板端、板中和板角離縫。CA砂漿離縫病害可能會對軌道平順性及無縫線路受力情況產生影響。國內外學者對于橋上無縫線路及離縫病害的理論研究有很多，其中高亮[1]對無縫線路梁軌相互作用進行了深入的研究；WANG等[2]深入研究了溫度對CA砂漿力學性能的影響；REN等[3?4]基于損傷力學的裝配式板軌道模型，研究了脫黏對裝配式板混凝土損傷分布和力學響應的影響；張向民等[5]研究了CRTSⅡ型板式無砟軌道的穩(wěn)定性，得出軌道板與砂漿層的離縫或削弱是造成軌道板上拱最直接的原因；齊少軒等[6?7]對橋上CRTSⅡ型板砂漿離縫的影響進行研究，得到砂漿離縫對道岔板及鋼軌的影響明顯；邵丕彥等[9]對CRTSⅠ型軌道板受溫度影響發(fā)生變形及對砂漿離縫實測進行對比，得出溫度變化對軌道板溫度翹曲變形及砂漿離縫的影響規(guī)律；王雪松等[9]建立了在溫度梯度荷載作用下，CRTSⅡ型板式無砟軌道結構力學模型，并提出了抑制CRTSⅡ型軌道板與砂漿離縫的施工技術措施；孫旭等[10]對列車荷載與CA砂漿離縫下CRTSⅡ型板式軌道在正常狀態(tài)和不同程度離縫狀態(tài)時，對軌道板的翹曲位移和軌道板底部地基彈簧拉應力進行分析。從既有文獻中可以看出，雖然對無縫線路研究的學者和成果較多，并總結出正常線路中縱向受力變形情況，但少有對橋上無縫線路中的病害進行研究；對CA砂漿病害的研究也較多，但多數(shù)停留在對梁-板模型的研究上對橋上三維實體精細化模型的研究較少。因此研究砂漿離縫病害對無縫線路受力的影響分析就顯得十分必要。CA砂漿離縫是橋上CRTS I型板式無砟軌道中的一種常見病害類型，故本文研究砂漿離縫病害對軌道幾何形位及線路縱向受力的影響。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 計算模型

本文以高速鐵路橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路為研究對象，基于梁軌作用理論和有限元計算方法，并根據(jù)橋上無縫線路病害的特點要求，建立簡支梁橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道結構的三維實體精細化有限元分析模型。有限元計算整體模型如圖1所示。

圖1 簡支梁橋上含離縫病害的CRTSⅠ型板式無砟軌道有限元模型

模型包括6跨32 m長的標準簡支梁，標準32 m等截面簡支梁結構由2塊標準長度3.685 m的軌道板及5塊標準長4.962 m的軌道板組成。橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路軌道結構，兩端40 m長的路基。

橋上無砟軌道從上至下結構依次為：CHN60標準鋼軌、扣件、凸型擋臺及周圍樹脂凝膠、軌道板、CA砂漿、底座板以及梁體部分。其中鋼軌采用beam 188單元模擬；扣件對鋼軌的三向約束采用彈簧單元模擬，combin 14單元模擬橫向和垂向剛度，combin 39單元模擬縱向阻力，扣件間距0.629 m；凸型擋臺及周圍樹脂凝膠、軌道板及底座板部分采用solid 45單元模擬，軌道板間設置伸縮縫0.02 m。軌道板與底座板之間CA砂漿層三向相互作用采用彈簧單元模擬，CA砂漿離縫區(qū)不計縱橫垂向黏接，CA砂漿層離縫區(qū)連接采用combin 39非線性彈簧單元模擬；非離縫區(qū)采用combin 14線性彈簧單元模擬。橋梁部分采用solid 45單元模擬，兩端分別建立長度為40 m路基，保證兩端路基對橋上無縫線路的約束作用，采用實體solid 45單元模擬。橋墩及橋臺采用combine 14彈簧單元約束作用進行模擬。

1.2 計算參數(shù)

1.2.1 軌道結構幾何尺寸參數(shù)

軌道結構幾何尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 幾何尺寸參數(shù)

1.2.2 軌道結構各單元指標參數(shù)

1) 扣件：WJ-8型常用阻力扣件:橫向剛度取50 kN/mm、垂向剛度取35 kN/mm，縱向阻力取值如式(1)所示：

式中：為扣件縱向阻力，kN/m?軌；為鋼軌相對扣件的縱向位移。

單位：mm

圖2 雙線簡支箱梁跨中截面

Fig. 2 Cross-sectional section of double-line simple supported box girder

根據(jù)《鐵路無縫線路設計規(guī)范》：單組WJ-8型阻力扣件最大縱向阻力取15 kN/組。

2) CA砂漿層：CA砂漿彈簧單元剛度計算[12]：

式中：為道床長度；為道床寬度(2.4 m)；k為CA砂漿層面剛度有效值(1 000 MPa/m)；為軌道板下彈簧單元的總數(shù)量。

計算得出CA砂漿層單個彈簧垂向剛度為67 kN/mm，并根據(jù)離縫區(qū)非線性彈簧力?位移曲線圖來設定離縫區(qū)的非線性彈簧單元剛度[8]。當離縫高度=2 mm時，離縫區(qū)非線性彈簧力?位移曲線如圖3所示[11]。

圖3 非線性彈簧單元力-位移曲線

1.3 計算工況

本文根據(jù)已有文獻[6]中現(xiàn)場調研的實際情況，按照離縫寬度、長度和位置將砂漿離縫分為4種類型(板邊、板端、板中、板角病害)，典型離縫形式示意圖如圖4所示。

(a) 板邊離縫；(b) 板端離縫；(c) 板角離縫；(d) 板中離縫

工況1：正常狀態(tài)下的軌道線路；

工況2：含有板端離縫病害的軌道線路，板端離縫長度、寬度為：=1.26 m，=2.4 m；

工況3：含有板邊離縫病害的軌道線路，板邊離縫長度、寬度為：=5.9 m，=0.4 m；

工況4：含有板中離縫病害的軌道線路，板中

離縫長度、寬度為：=5.9 m，=0.9 m；

工況5：含有板角離縫病害的軌道線路，板角

離縫長度、寬度為：=0.9 m，=0.9 m。

2 無縫線路軌道幾何形位

保持幾何形態(tài)良好是保證軌道平順性的基本要求。本文根據(jù)高速鐵路無砟軌道平順性要求，從鋼軌軌向、水平、高低、軌距4個方面分析離縫病害對軌道幾何形位的影響。根據(jù)《鐵路軌道設計規(guī)范》容許值為：軌距±1 mm，水平±2 mm，采用弦測法測量高低和軌向偏差，10 m弦長對應高低和軌向容許值為±2 mm。選取軌道板與橋梁之間溫度梯度取值?40，?60 和?90 ℃/m進行計算分析。軌道幾何偏差如圖5所示，3種工況最值如表2所示。

表2 不同工況下軌道不平順最值計算結果

注：Δmax%為軌道不平順偏差最大工況與正常工況差值量相對于正常工況的變化率。

分析表2可知，隨著軌橋溫差變大，軌道幾何形位的偏差值逐漸增大，Δmax%也逐漸增大，其中水平、軌距的偏差增幅明顯，行車品質可能存在較大隱患；軌向、高低變化率成穩(wěn)定狀態(tài)。從最值上看，板中病害對軌向偏差值影響較大、板端病害對水平偏差值影響較大、板角病害對高低偏差值影響較大、板邊病害對軌距偏差值影響較大，不同位置上的離縫病害均可能產生幾何形位偏差，其中高低、水平偏差數(shù)值最大，隨著梁軌溫差變大很大可能會影響行車安全；軌向、軌距值相對較小，對線路影響不大。其中選取在不同溫差工況下板中病害條件下軌向偏差、板角病害條件下高低偏差、板端病害條件下水平偏差、板邊病害條件下軌距偏差進行分析。

分析圖5(a)可知，板中病害隨著橋軌溫差的增大影響越發(fā)嚴重，板中病害引起整體軌道結構幾何形位發(fā)生變化，在溫差為?40 ℃/m時軌向偏差最值在0.23 mm左右，?60 ℃/m時達到0.4 mm左右，?90 ℃/m時達到0.6 mm左右，此時會對行車舒適性有一定的不利影響。分析圖5(c)和表2可知，板端離縫病害隨著溫差增大，對軌道水平偏差的影響也在快速增大，在跨中的離縫區(qū)的變化較為明顯，對線路幾何形位存在不利影響。當板端出現(xiàn)病害時，該處偏差值出現(xiàn)變化，在溫度梯度為?40 ℃/m上漲0.05 mm，?60 ℃/m上漲了近0.1 mm，?90 ℃/m上漲了近0.2 mm。板邊病害不平順偏差最值相較正常線路高出15.66%，19.14%和22.24%。分析圖5(b)和表2可知，在進行橋上無縫線路設計時，存在離縫病害的線路在溫度梯度為?60 ℃/m時，第2跨開始高低偏差達到2.3 mm已經超過相應的容許限值，對線路高低影響嚴重，行車品質可能受一定的影響。分析圖5(d)和表2可知，板邊離縫病害對軌距平順性影響較為明顯。在溫度梯度為?60 ℃/m時，軌距偏差最值約上升15.22%，?90 ℃/m時隨著溫度梯度增大，最值約上升18.03%影響更加明顯。

(a) 軌向偏差；(b) 高低偏差；(c) 水平偏差；(d) 軌距偏差

綜上所述，CA砂漿離縫主要對軌道水平和高低偏差有影響。其中板中病害對整體軌道結構平順性影響較大，板端病害對離縫區(qū)的平順性影響較大。

3 無縫線路受力分析

無縫線路受力分析結果如圖6和圖7所示，軌道結構縱向應力結果最值如表3和表4所示。

3.1 溫度荷載作用下伸縮力分析

在對橋上無縫線路伸縮力分析時，選取鋼軌的軌溫變化幅度55 ℃，軌道板溫變40 ℃，底座板溫度變化35 ℃為計算條件，橋梁溫度變化30 ℃(溫變A)，35 ℃(溫變B)和40 ℃(溫變C)為進行計算。

從表3可知，在軌橋溫差的作用下，包含病害的橋上無縫線路結構的鋼軌伸縮力出現(xiàn)小范圍的波動，但受力影響略??；對于軌道板的縱向受力的影響較為嚴重；隨著溫度梯度的增大，離縫病害對軌道結構的影響更加嚴重，軌道板縱向受力隨軌橋之間溫差增大而減小。CRTS I型軌道結構含離縫病害的軌道結構對軌道板表面受力較為明顯，板邊、板端離縫受力情況與其他病害相比最明顯，在工況A時，軌道板上表面的應力為1.73 MPa，增幅68.9%；軌道板下表面的應力為1.37 MPa，增幅257.5%。在工況B和C時，軌道板上表面的應力增長22%和26.5%；軌道板下表面的應力增長131.6%和19.4%。

表3 不同工況下軌道結構縱向力最值計算結果

注：Δmax%為受力影響最大工況與正常工況差值量相對于正常工況的變化率。

(a) 軌道板下表面應力；(b) 軌道板下表面應力病害區(qū)受力特性

由圖6可知，離縫病害對軌道板的影響明顯，板邊病害影響整體軌道結構，板端病害對離縫區(qū)影響較大。根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》：C40混凝土軸心抗拉強度標準值2.39 N/mm2。結合圖6和表3分析，采用C40混凝土材質的底座板，當軌道結構出現(xiàn)離縫病害時，溫差增大達到工況C時，底座板下表面拉應力較大，并且Δmax%較工況B有所回落甚至不出現(xiàn)變化，此時混凝土結構可能會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響行車安全，其中板邊病害表現(xiàn)最為突出。

綜上所述，在軌橋溫差作用下，離縫病害對軌道線路縱向受力整體影響偏小。離縫病害對整體結構的受力影響較為嚴重，其中板邊病害影響最大，其次是板中、板角病害。

3.2 列車荷載下?lián)锨Ψ治?/h3>

依據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》，本文采用16節(jié)編組和諧號CRH380BL型動車組模型進行分析。以列車最大軸重17 t為豎向荷載，采用全橋加載，荷載取64 kN/m。

表4 不同工況下軌道結構縱向力最值計算結果

注：Δmax%為受力影響最大工況與正常工況差值量相對于正常工況的變化率。

分析表4可知，在列車荷載作用下，離縫區(qū)受列車荷載作用，離縫病害對鋼軌撓曲受力基本沒有影響。同時反映出對軌道板、底座板的受力情況影響較大。列車荷載作用在含離縫病害的軌道結構上時，軌道板上表面應力在離縫區(qū)增幅十分明顯。板角病害作用在全橋跨中位置時，該區(qū)域向上拉應力增幅明顯。軌道板上表面拉應力增長0.34 MPa是正常軌道結構的3.5倍；在板端病害作用下，軌道板拉應力增長0.11 MPa是正常軌道結構的2.5倍。板角、板端離縫對軌道板上表面應力可能產生較大影響，其余影響略輕。

分析圖7可知，在列車荷載作用下結構撓曲受力受病害影響明顯，尤其體現(xiàn)在軌道板、底座板上。由于列車荷載，受力處表面應力會相對較大。當離縫區(qū)出現(xiàn)在軌道板跨中位置時，該區(qū)域存在明顯變化。在離縫區(qū)的受力情況是呈波動曲線增長且變化較大，這是由于砂漿層內部出現(xiàn)不均勻離縫空隙不能承受外來作用力，其周圍結構為保證列車正常運行會承擔更大的作用力，故其內部產生的反作用力就會急劇增加，就會出現(xiàn)離縫區(qū)結構應力增幅明顯的狀況。在板角病害處最為明顯，板端病害次之，板中、板邊病害受力變形情況較輕。這是由于列車荷載作用于兩股鋼軌之上，而板端、板角病害均出現(xiàn)在列車行進位置的正下方，該位置在受力的作用，自然會出現(xiàn)軌道板表面應力突變現(xiàn)象。

分析圖7和表4可知，軌道板下表面在板角病害作用的區(qū)域內拉應力最大增長0.53 MPa，是正常狀態(tài)的2倍；板端病害作用下拉應力較正常狀態(tài)增長0.48 MPa，增漲近2.2倍。含板角、板端離縫的軌道結構在對軌道板上表面應力影響最大，其余結構影響略輕。

綜上所述，受病害影響軌道結構在列車荷載作用下?lián)锨芰γ黠@，軌道板兩端出現(xiàn)病害的結構拉應力變化明顯，對軌道板影響最顯著，故板角及板端病害對撓曲受力的影響大。

(a) 軌道板上表面應力；(b) 軌道板下表面應力

4 結論

1) 離縫病害對軌道結構的平順性較大，主要體現(xiàn)在對軌道水平和高低偏差值上。隨著溫差增大水平偏差值增幅明顯，并且在板端病害作用下，離縫區(qū)域有較明顯的增長；在溫差為?60 ℃/m時，第2跨開始高低偏差達到2.3 mm已經超過相應的容許限值，可能對行車品質有一定的影響。

2) 溫度梯度荷載作用下，含離縫病害的無縫線路軌道結構受力相較于正常線路影響略大，主要體現(xiàn)在軌道板所受應力上。其中板端病害對軌道結構影響最為明顯，在工況A，B和C下軌道板下表面拉應力最值相較于正常線路高出約257.5%，131.6%和19.4%。

3) 列車荷載作用下，與正常線路相比，離縫主要影響病害處軌道結構的受力情況，在板角及板端病害中最為顯著。板角病害作用下，軌道板上下表面拉應力比正常狀態(tài)增大3.5倍和2.2倍，在板端病害作用下，底座板上表面拉應力增大約0.5倍。

4) 離縫病害作用下，軌道結構伸縮受力時，軌道板受力影響較大，下表面最為顯著；溫差增大，底座板下表面拉應力逐漸增大達到工況C時，可能出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，故在無縫線路養(yǎng)護維修時著重查看軌道板及底座板下表面情況；軌道結構撓曲受力時，鋼軌正下方出現(xiàn)離縫病害的結構會出現(xiàn)嚴重的受力變化，故建議在無縫線路檢修時注意鋼軌正下方病害情況。

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Analysis of the effects of CA mortar gap on the CRTSⅠslab ballastless track on bridges

FENG Qingsong, ZHANG Sihao, SUN Kui, WANG Wei

(Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Chinese Continuous Welded Rails (CWR) on bridge develops rapidly. But with the operation of the train, there is a gap between the slab and the CA mortar, which has a certain impact on the long-term service performance of the ballastless track. In this paper, the disease impact of CRTS I slab on the multi-span simply supported beams of high-speed railway was analyzed. And this article studied the influence of four typical CA mortar off-seam diseases (the board edge diseases, the board end diseases, the board angle diseases and the middle of the board diseases) on the track geometry and the longitudinal deformation of CWR. The results are as follows. Under the action of the CA mortar gap, as the temperature difference between the bridges and rails becomes larger, the horizontal deviation of the track increases rapidly. The maximum value of the track height deviation is larger, and the board end disease has a great influence on the smoothness of the mortar gap area. Under the temperature load, the expansion and contraction stress of the diseased rail structure is more obvious, especially the rail slab and the base slab, and the deformation of the diseased force at the edge of the slab is the most obvious. Under the load of the train, the deflection force of the track structure in the mortar gap area changes greatly, among which the board angle and the board end diseases have a large influence. According to the calculation results, it is recommended to pay attention to the condition of the lower surface of the track slab and the base slab during the maintenance and repair of CWR, and pay attention to the condition of the disease directly below the rail.

continuous welded rail on bridge; CRTSⅠslab track; CA mortar gap; geometry; longitudinal force

U216.3

A

1672 ? 7029(2020)05 ?1061 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190779

2019?09?03

國家自然科學基金資助項目(51878277，51668020，51368020)；江西省自然科學基金資助項目(20181BAB216030)

馮青松(1978?)，男，山西榆社人，教授，博士，從事鐵路環(huán)境振動與噪聲和橋上無縫線路研究；E?mail：fqshdjtdx@aliyun.com

(編輯 蔣學東)