劉 浩，江 成，姜子清，鄭新國，張志遠，趙 磊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵路上海局集團有限公司工務部，上海 200071）

縱連板式無砟軌道修建過程中，會在路橋過渡段設置由摩擦板、端刺及過渡板組成的臺后錨固結構。臺后錨固結構承受橋梁軌道結構傳遞的縱向荷載，實現軌道結構的連續(xù)鋪設和路橋剛度的過渡，該結構相繼在京津城際、京滬、滬杭等高鐵線路中應用［1-3］。然而，運營期錨固結構承受由于氣候變化產生的極端溫度荷載，導致端刺、摩擦板與路基填料間脫空、離縫［4］，甚至出現軌道板上拱變形，影響軌道結構的穩(wěn)定性和線路的平順性，給高速列車安全運行帶來巨大威脅。

臺后錨固結構依據端刺結構可分為倒T 型和Ⅱ型2 種，國內外學者采用模型試驗、理論分析和數值仿真等方法對臺后錨固結構的力學行為進行了大量研究。姜子清等［5］研究表明帶肋摩擦板可有效增加錨固結構的縱向剛度，減小荷載作用下倒T型端刺的縱向位移；董亮等［6］對比分析了倒T型和Ⅱ型端刺結構在溫度荷載和制動力作用下的受力變形特征，提出工程使用建議；魏強等［7］采用非線性彈簧描述土體與端刺結構之間的相互作用關系，從結構變形、周圍土壓力等方面提出了端刺結構優(yōu)化方法；賀欣等［8］基于等效線性的原理，構建了倒T 型端刺的動力學分析模型，并進行端刺結構低動力優(yōu)化設計；梅大鵬等［9］基于“m”法，以非線性彈簧表征土體與端刺結構之間的相互作用，分析了端刺結構對無縫線路力學行為的影響，提出了短路基端刺結構的加強方案；趙磊等［10］對溫度荷載作用下的無砟軌道整體縱向力傳遞規(guī)律及錨固結構的力學行為進行分析，發(fā)現主端刺位置應力較大，并且其上軌道板與底座板會產生差異變形。已有研究成果主要關注錨固結構在縱向力作用下的力學行為，對考慮溫度荷載、填筑土體性能劣化等因素作用下的錨固結構力學特性研究尚不充分。

基于縱連板式無砟軌道結構體系傳力特征，建立橋梁-軌道結構-錨固結構-路基的三維有限元模型，模擬分析溫度荷載作用下和填筑材料劣化條件下的臺后錨固結構受力變形特性。

1 錨固結構服役狀態(tài)

對某高鐵無砟軌道臺后錨固結構服役狀態(tài)進行跟蹤調研，結果表明：在溫度荷載作用下，臺后錨固結構過渡板與路基支承層連接處會產生離縫，且呈現出季節(jié)性變化的特征，冬季低溫時離縫增大，隨著溫度的升高，離縫減小并逐漸閉合，并造成支承層混凝土發(fā)生擠壓破裂，如圖1所示。

圖1 過渡板與路基支承層間離縫變化情況

根據路橋過渡段范圍內錨固結構變形觀測結果，過渡板與路基支承層間離縫變化值與溫度荷載關系明顯，低溫條件下的離縫量較大，錨固結構水平位移朝向橋臺，當溫度降低9 ℃時（氣溫從8 ℃下降至-1 ℃），離縫量從3.8 mm 增大至7.2 mm；溫度升高至35 ℃以上時，產生接觸擠壓現象。由于支承層存在橫向切縫，且考慮到路基和砂漿層的約束，故溫度荷載下的變形量很?。?1］。由此可見，過渡板與支承層之間的離縫主要是由于錨固結構縱向位移引起的。文獻［6］和［12］研究表明，縱連板式無砟軌道需嚴格控制臺后錨固結構變形，錨固結構最大縱向位移設計限值要求為3 mm。可知，溫度荷載作用下錨固結構變形已超出規(guī)范要求。此外，錨固結構變形可能會導致端刺與土體界面處產生脫空，由于脫空屬于內部隱蔽性傷損，目前難以通過檢測手段獲得脫空位置及范圍，有必要對其進行深入研究，控制錨固結構變形。

2 錨固結構仿真

2.1 有限元模型

參照某工程縱連板式無砟軌道臺后錨固結構設計圖［13］，本文仿真中錨固結構具體尺寸如圖2所示。

圖2 臺后錨固結構（單位：m）

臺后錨固結構布置在整個路橋過渡段范圍，每個端刺垂直線路方向的寬度為12.0 m，主端刺與次端刺中心間距為9.0 m，次端刺與相鄰小端刺中心間距為8.5 m；小端刺按照其高度分為2 類，其中1.0 m 高小端刺縱向中心間距為3.5 m，1.5 m高小端刺縱向中心間距為4.5 m。錨固結構靠近橋臺范圍采用摻水泥的級配碎石進行填筑，而遠離橋臺部分則同普通路基一致，采用AB 組填料進行填筑，其中摻水泥的級配碎石與AB 組填料分界面坡度為1∶2，分界面頂部距離橋臺20.85 m。

采用有限元軟件ANSYS 建立臺后錨固結構仿真分析模型，如圖3所示。模型分為路基段、路橋過渡段和橋梁段3 部分。模型總長143.5 m，其中路基段長20.0 m，路橋過渡段長59.5 m，橋梁段長64.0 m。實際結構關于路基中心對稱，模型寬度取為6.0 m。

圖3 臺后錨固結構仿真分析模型

為了更好地模擬橋梁側傳遞至錨固結構的縱向位移與荷載，按照縱連板上無砟軌道無縫線路計算，考慮橋臺側2 跨32 m 簡支梁作為邊界條件。模型中摩擦板、端刺、過渡板及錨固結構范圍土體均采用實體單元模擬；錨固結構表面與填筑材料之間采用非線性接觸的方式模擬荷載的傳遞；簡支梁與鋼軌采用空間梁單元；橋墩剛度、扣件阻力及砂漿層的約束均采用彈簧單元；橋上軌道板、底座板采用殼單元。因橋臺剛度遠大于土體，會約束土體變形，模型中將橋臺作為土體邊界條件考慮。

錨固結構混凝土采用線彈性材料本構模型；填料土體采用彈塑性本構模型，并滿足Drucker-Prager 屈服準則（簡稱“DP 屈服準則”）［5-6］。既有數值模擬研究中均將AB 組填料體簡化為連續(xù)介質，雖然滿足DP 屈服準則，但是仍會造成土體承受拉應力，從而高估AB 組填料的約束作用。模型中采用迭代的方法確定AB 組填料拉應力較大的界面，并以面面接觸的方式重新定義此界面的傳力方式，避免AB 組填料間過大拉應力的存在。但該方法僅適用于AB 組填料內部，并不適用于AB 組填料與錨固結構接觸面。

軌道結構及橋梁結構材料的計算參數參考文獻［11］取值。錨固結構、AB 組填料及級配碎石的計算參數匯總見表1。

表1 模型主要計算參數

2.2 溫度荷載

橋梁溫度改變會使得橋梁范圍軌道板、底座板等承受附加荷載，并傳遞至錨固結構。橋梁溫度變化幅度參考文獻［11］取值，為±30 ℃。

參考已有關于無砟軌道溫度場分布特征的研究成果［14］，按照文獻［11］中提出將混凝土收縮徐變應變簡化為降溫考慮，底座板溫度變化幅度為-60～30 ℃，軌道板變化幅度-30～40 ℃。

錨固結構是隱蔽于路基填料中，與暴露在外界環(huán)境中的軌道結構相比，錨固結構溫度變化幅度在高溫季節(jié)較低，低溫條件下則較高，其溫度場分布研究較少。參考路基溫度監(jiān)測結果［15］，錨固結構溫度變化幅度取-40～10 ℃，其中降溫幅度中也包含了混凝土收縮徐變的影響。

后續(xù)分析中均以縱連板式無砟軌道結構的鎖定板溫作為整個模型的初始溫度，并設置為0 ℃，從而簡化溫度荷載的施加，模型中所有混凝土結構的線膨脹系數均相同，取為1.0×10-5℃-1。由于無縫線路鋼軌處于固定區(qū)，其溫度變化不會引起錨固結構的附加荷載，因此計算中不考慮鋼軌溫度變化。

3 臺后錨固結構受力變形

采用前文所建立的有限元模型，分別考慮溫度荷載作用于錨固結構，溫度荷載作用于模型整體，溫度循環(huán)荷載和填筑材料劣化4 種工況，模擬分析路橋過渡段錨固結構受力特性。其中，溫度循環(huán)荷載工況及材料劣化工況中溫度荷載均作用于模型整體。

3.1 溫度荷載作用于錨固結構

由于錨固結構混凝土體積較大，溫度變化會對其變形產生較大影響?？紤]錨固結構中端刺、摩擦板和過渡板整體溫度變化，分析不同升、降溫荷載對錨固結構受力變形的影響。

1）升溫

錨固結構升溫值分別取10，20，30 和40 ℃，錨固結構頂面中心位置的縱向位移分布如圖4所示。圖中，橫坐標為距錨固結構左端點的距離（左端點為錨固結構過渡板與路基支承層結合處），縱坐標為錨固結構頂面縱向位移，向右為正。由圖4可知：升溫工況下的錨固結構呈現出朝向路基側的變形規(guī)律，最大位移位于過渡板和路基支承層處，因橋臺縱向剛度大，靠近橋臺處的摩擦板縱向位移相對要??；升溫20 ℃時，最大縱向位移已經達到3.7 mm，已經超過限值3.0 mm，并且隨升溫幅度的增加而增加。

圖4 升溫工況下錨固結構位移計算結果

土體對端刺變形的約束作用使得土體承受較大的壓應力，升溫20 ℃時土體應力分布如圖5所示，以拉應力為正。由圖5 可知：錨固結構升溫20 ℃時，土體承受的最大壓應力為89.9 kPa，位于主端刺位置處；而摩擦板范圍內小端刺處土體受力較為均勻。此外，土體所承受的壓應力最大值與端刺結構溫度之間近似呈線性關系，升溫值從10 ℃增加至40 ℃，應力增大約17.8%。

圖5 升溫20 ℃時路基土體主應力云圖（單位：Pa）

錨固結構變形過程中，在靠近主端刺位置處與土體界面處產生豎向脫空，其長度范圍約為3 m，如圖6所示。由圖6 可知：隨著錨固結構升溫幅度的增加，脫空值隨之增大，當錨固結構升溫幅度為40 ℃時，最大豎向脫空值達1.72 mm。

圖6 豎向脫空

2）降溫

錨固結構降溫值分別取10，20，30 和40 ℃，錨固結構頂面中心位置的縱向位移分布如圖7所示。由圖7 可知：降溫條件下錨固結構朝向橋臺側移動，最大位移同樣位于過渡板和路基支承層連接處，降溫20 ℃時的最大位移為3.6 mm（升溫20 ℃時為3.7 mm）。

圖7 降溫工況下錨固結構頂面縱向位移

此外，錨固結構溫降荷載工況下，主端刺與土體界面間出現縱向和豎向脫空，縱向和豎向脫空值與降溫值關系曲線如圖8所示。由圖8 可知：降溫工況下，無論是豎向還是縱向脫空，均隨著降溫幅度的增加而近似呈線性增大；當降溫幅度為40 ℃時，主端刺靠近路基側最大縱向脫空值達1.38 mm，最大豎向脫空值可達3.9 mm。

圖8 脫空值與降溫值關系

綜上，錨固結構的受力變形特征受自身溫度變化的影響較為明顯，且低溫條件對結構的錨固性能更為不利。無論是升溫或降溫工況，當溫度變化幅度超過20 ℃，錨固結構最大的位移量均超過3.0 mm，并造成端刺與土體接觸界面存在脫空，使得錨固結構處于一種不穩(wěn)定的錨固狀態(tài)。

3.2 溫度荷載作用于模型整體

對于縱連板式無砟軌道臺后錨固結構，其變形過程是受自身溫度應力、橋梁及軌道結構溫度應力共同作用的結果。基于2.2 節(jié)的溫度取值參數，開展溫度荷載作用于模型整體（橋梁、軌道、錨固結構及路基填料）時錨固結構受力變形特性分析，各結構部位的溫度荷載均取2.2 節(jié)中的最大值。升溫工況中，橋梁、底座板、軌道板、錨固結構的升溫值分別為30，30，40 及10 ℃；降溫工況中，其對應的降溫值分別為30，60，30及40 ℃。

圖9 為升、降溫工況中錨固結構頂面沿縱向的位移分布圖。由圖9可知：溫度荷載作用于模型整體時，端刺縱向位移規(guī)律與溫度荷載僅作用于錨固結構時的變化規(guī)律一致，但是數值上有一定的差異；升、降溫工況下最大位移分別為2.99 mm 與8.27 mm，相對單獨考慮錨固結構溫度變化時結果最高增幅為64.3%?？梢?，橋梁、軌道結構溫度荷載與錨固結構溫度荷載疊加造成的影響更大。因此，在錨固結構受力變形分析中需同時考慮整體結構的溫度變化。

圖9 錨固結構縱向位移

因模型整體溫度變化引起的錨固結構縱向位移更大，因此端刺與土體接觸面之間的脫空范圍和脫空值也就會更大，圖10 為升溫、降溫工況下接觸界面的位移云圖。由圖10 可知：升溫工況中主端刺左側存在豎向脫空，對應的脫空值為0.81 mm，相對錨固結構單獨升溫時的脫空值（0.15 mm）有了顯著增加；降溫工況中主要表現為縱向脫空，位于主端刺側邊與土體接觸面處，脫空值達到4.09 mm，相對錨固結構單獨降溫（1.38 mm）時的增幅高達196.7%。

圖10 結構位移云圖（單位：m）

3.3 溫度循環(huán)荷載

以上研究是針對特定溫度荷載下的錨固結構受力變形分析，而軌道及錨固結構溫度會隨著外界溫度的周期變化而變化；同時，荷載歷程下的土體可能會發(fā)生塑性累積變形，從而影響錨固結構的受力變形特性。因此，考慮整體結構溫度“升-降-升”周期循環(huán)變化，取2.2 節(jié)中各結構最大升、降溫幅度，分析溫度循環(huán)荷載作用下的錨固結構變形特征。計算中以“升-降”為1個循環(huán)周期。

圖11 為不同溫度循環(huán)周期數對應的錨固結構縱向位移最大值計算結果。由圖11可知：1次溫度循環(huán)荷載作用下的錨固結構縱向位移最大值和界面脫空最大值均較大，隨著循環(huán)周期數的增加，二者均趨于穩(wěn)定；錨固結構正向（橋梁方向）位移最大值在8.5 mm 以內，負向（路基方向）位移最大值在3.0 mm 以內；循環(huán)過程中的豎向和縱向脫空最大值分別控制在0.9和4.0 mm范圍內。

圖11 溫度循環(huán)荷載下錨固結構縱向位移及脫空值

可見，當路基填料的力學性能在線路運營過程中能夠較好地保持時，錨固結構的縱向位移及結構與填料之間的脫空值均隨溫度變化發(fā)生周期性變化，但最大值基本穩(wěn)定。這也與現場跟蹤觀測的結果一致。盡管臺后錨固結構處于一種較穩(wěn)定的變化狀態(tài)中，但是應該重點關注結構變形引起的軌道結構次生病害。

3.4 填筑材料劣化

通過將路基填料參數折減為原設計值的0.7倍，來模擬其隨服役時間延長而發(fā)生的力學性能退化。以單次整體溫度荷載作用下的結構變形為例，計算填筑材料劣化的影響。計算結果匯總見表2，溫度荷載同3.2節(jié)取值。

由表2 可知：路基填料性能的劣化會造成結構縱向位移及脫空值的增加；升溫工況下，填料劣化引起的錨固結構縱向位移增加了0.57 mm，增加幅度為19.3%，豎向脫空值增加了0.25 mm，增加幅度達30.86%；降溫工況下，填料劣化引起的縱向位移增加幅度為4.2%，縱向脫空值增加幅度為2%，豎向脫空值增加0.6 mm，增加幅度達31.9%?？梢钥闯觯钪牧狭踊瘜ωQ向脫空影響明顯，端刺錨固性能保持的關鍵是保證填料的力學性能。

4 結論

（1）縱連板式無砟軌道臺后錨固結構縱向位移及結構與填料界面之間的脫空均與溫度荷載顯著相關，并隨著溫度變化幅度的增加而增大；當考慮軌道、橋梁及錨固結構整體溫度變化時，對應的縱向位移與脫空值相對溫度荷載作用于錨固結構時的增幅分別高達64.3%和196.7%。

（2）臺后錨固結構在經歷多個溫度循環(huán)荷載作用后，其縱向位移和脫空值會逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，正、負向位移最大值分別穩(wěn)定在8.5 和3.0 mm，豎向和縱向脫空最大值分別穩(wěn)定在0.9和4.0 mm。

（3）路基填料力學性能的劣化會造成臺后錨固結構縱向位移及結構與填料界面之間的脫空值有較大幅度的增加，當路基填料力學性能折減為原設計值的0.7 倍時，錨固結構位移及脫空值的增幅分別高達19.3%和31.9%。