阮舒敏 趙坪銳 寧秋嫻 李秋義

1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.西南交通大學高速鐵路工程教育部重點實驗室，成都 610031；3.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063

由于施工時間不同和材料性能差異，CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的乳化瀝青水泥砂漿層與軌道板、底座板間容易出現(xiàn)不同程度的離縫［1-2］。水分滲入離縫部位導致砂漿層強度降低，列車荷載和溫度荷載的耦合作用加劇砂漿層的損傷，降低其耐久性［3］。植筋+注漿修復可以提高層間的黏結性能，是處理離縫傷損常用措施。注漿僅起到將離縫部位填充、避免水分進入的作用，植筋則可提高層間的抗拉與抗剪能力［4］。因此，主要影響結構傳力特性的為植筋錨固修復。

相關學者對植筋錨固做了大量研究［5-6］，但對板式無砟軌道植筋錨固修復后的力學性能及破壞機理研究尚有不足。板式無砟軌道結構組成復雜，承受荷載集中，運營環(huán)境惡劣，服役性能要求高，有必要結合其結構特征、受力特點和使用環(huán)境對層間離縫植筋錨固后的力學性能進行深入研究。本文利用有限元軟件ABAQUS 建立模型，計算分析復合結構層間離縫植筋修復的抗拉、抗剪力學性能以及層間破壞過程，研究植筋修復后復合結構應力分布特征和發(fā)展規(guī)律。

1 受力分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道結構中，軌道板和支承層通過乳化瀝青水泥砂漿黏結成一體，離縫產(chǎn)生后砂漿層與混凝土層間接觸界面發(fā)生開裂。溫度荷載作用下，軌道板與砂漿層間存在一定上拔力和剪切力，從而產(chǎn)生離縫。在離縫部位植筋后可延緩層間的進一步脫離，提高抗拔和抗剪作用。通常在出現(xiàn)以下兩種情況時需進行植筋修復：①軌道結構在高溫季節(jié)出現(xiàn)上拱時，通過植筋將軌道板與底座板連接成一體，限制軌道板的上拱；②溫度梯度引起軌道板翹曲時，在板端或板邊進行植筋，限制軌道板的翹曲變形。為模擬軌道結構在溫度作用下的受力情況，對植筋修復的軌道結構模型進行劈拉和剪切試驗。

化學黏結植筋錨固的初期破壞面一般發(fā)生在植筋膠的表面［7］，所以植筋錨固修復的復合結構抗拔能力在初期主要由錨栓與混凝土之間的植筋膠黏結力提供，如圖1（a）所示。植筋錨固的抗剪能力主要由混凝土和CA 砂漿界面的機械咬合力與鋼筋錨栓的抗剪力提供，如圖1（b）所示。

圖1 植筋修復試件抗拔力及抗剪力示意

2 有限元模型

基于多尺度建模技術的理念，為研究無砟軌道層間離縫植筋錨固修復的復合結構中各部件在受拉與受剪條件下的力學性能及演化機理，建立細觀尺度的植筋錨固連接精細化有限元模型。建模時重點考慮兩方面問題：混凝土、乳化瀝青水泥砂漿、錨栓、植筋膠等幾種介質(zhì)本構關系的非線性特征；模型中鋼筋與其他軌道結構連接所采用的植筋膠的黏結性能。

2.1 材料本構關系

植筋修復所用的鋼筋采用雙線性理想彈塑性力學模型，其應力-應變關系按式（1）確定。

式中：σ為鋼筋應力；Es為鋼筋彈性模量；εs為鋼筋應變；εy、fy分別為鋼筋屈服應力對應的屈服應變和屈服強度，且εy=fy/Es。

乳化瀝青水泥砂漿采用完全彈性力學模型進行模擬。軌道板與底座板的混凝土采用塑性損傷模型，受拉、受壓的應力-應變關系按式（2）、式（3）確定。

式中：σt、σc分別為混凝土受拉、受壓應力；ε為混凝土應變；Ec為混凝土彈性模量；dt、dc分別為混凝土單軸受拉、受壓損傷演化參數(shù)，其值按GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》確定。

植筋膠的本構關系是本模型有限元分析的關鍵。采用雙線性內(nèi)聚力模型對植筋膠進行模擬，其張力-位移關系見圖2。圖中：σmax、τmax分別為法向、切向最大應力值分別為法向、切向最大應力值對應的裂紋界面張開位移分別為法向、切向裂紋界面最終張開位移；Kn、Ks，t分別為法向、切向內(nèi)聚力剛度；φn、φs，t分別為法向、切向內(nèi)聚能。到達極限強度前，雙線性本構模型表征的是線彈性階段，到達極限強度后表征的是線性軟化階段，斜率為內(nèi)聚力剛度。

圖2 雙線性張力-位移關系

由圖2可知：在外載荷作用下，應力先隨位移增加而增加，達到最大峰值后開始減小，意味著該處材料開始出現(xiàn)損傷，材料剛度開始變??；在材料軟化階段，應力隨位移增加而減小，材料損傷逐漸積累；應力減至0時裂縫開裂完成，同時界面失去承載能力。張力-位移曲線與橫坐標軸圍成的面積代表內(nèi)聚能，也就是材料斷裂時的能量釋放率。

2.2 模型的建立

考慮到模型破壞區(qū)域集中在植筋附近，以植筋為中心取邊長150 mm 的正方體進行局部建模。采用二次名義應力損傷模型，模型尺寸與試驗試件實際尺寸相同。厚度方向上由三層復合材料組成，各層厚度由軌道結構實際厚度近似比換算得到：上層為70 mm 厚C55 混凝土軌道板，中層為10 mm 厚CA 砂漿層，下層為70 mm 厚C15 混凝土底座板。軌道板與CA 砂漿層間界面預設離縫。模型中間由上到下植入φ12 鋼筋，錨固長度為130 mm；鋼筋周圍插入一層1 mm 厚內(nèi)聚力單元模擬植筋膠。為提高計算效率，采用二維模型進行有限元模擬（圖3）。建模時，混凝土、CA 砂漿、鋼筋單元類型為CPE4R，植筋膠單元類型為COH2D4。

圖3 植筋錨固復合連接有限元模型

鋼筋采用HRB500，其力學性能符合GB 1499.2—2007《鋼筋混凝土用鋼第二部分：熱軋帶肋鋼筋》的要求。混凝土、CA 砂漿材料參數(shù)見表1。采用FISV360S植筋膠，層間界面內(nèi)聚力模型參數(shù)見表2［8］。

表1 有限元模型中混凝土、CA砂漿材料參數(shù)

表2 層間界面內(nèi)聚力模型參數(shù)

3 抗拉性能

為保證有限元模型計算的準確性，采用劈拉形式模擬復合結構的抗拉性能，力學模型如圖4 所示。夾具采用解析剛體模擬，夾具與混凝土間的接觸設為硬接觸，摩擦因數(shù)取0.6，并設置參考點與夾具耦合。

圖4 植筋修復拉伸力學模型

約束下部夾具，在上部夾具加載點上逐步施加3.5 mm 豎向位移荷載，得到植筋錨固連接的劈拉荷載-位移關系曲線，見圖5。

圖5 植筋錨固連接劈拉荷載-位移關系曲線

由圖5可知：

1）位移在0 ～ 0.52 mm 時，荷載與位移為線性關系，為彈性階段，主要是軌道板與CA 砂漿界面的黏結層、植筋膠、預設離縫界面處的鋼筋及附近混凝土發(fā)生彈性形變。C55 混凝土與CA 砂漿層間界面率先從與植筋膠接觸位置出現(xiàn)離縫并向兩端延伸，之后植筋膠從離縫界面開始發(fā)生黏結破壞并向鋼筋兩端延伸至完全破壞。

2）位移在0.52 ～ 1.76 mm 時，荷載-位移曲線斜率變小，為滑移階段，主要由鋼筋與混凝土進行彈塑性變形。植筋膠完全破壞后，鋼筋伸長，與混凝土發(fā)生相對位移，鋼筋應力集中在中部離縫處，此處鋼筋最先由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形。荷載繼續(xù)增大，塑性變形區(qū)向鋼筋兩端延伸，直至底部鋼筋達到屈服應力。混凝土應力集中在夾具與模型接觸點和預設離縫與植筋膠交界處，后者的混凝土先達到破壞點。

3）位移超過1.76 mm 后，荷載-位移曲線趨于平緩，進入破壞階段，鋼筋完全屈服且被拔出混凝土，承載力主要由混凝土彈塑性變形以及鋼筋與混凝土之間機械咬合作用提供，混凝土破壞區(qū)由預設離縫與鋼筋交界處開始逐步擴大，直至結構完全破壞。

4 抗剪性能

對軌道板施加2 mm 水平位移荷載，將底座板底部、右側進行全約束處理，力學模型如圖6所示。

圖6 植筋修復剪切力學模型

提取橫向荷載和加載點水平位移，可得植筋錨固連接的剪切荷載-位移關系曲線，見圖7。

圖7 植筋錨固連接剪切荷載-位移曲線

由圖7可知：

1）位移在0 ～ 0.06 mm 時，荷載與位移為線性關系，為彈性階段，承載力由軌道板和CA 砂漿之間的機械咬合力、植筋膠與鋼筋彈性受剪提供，卸載后能復原。該階段C55 混凝土與CA 砂漿層間接觸界面處鋼筋出現(xiàn)最大剪應力峰值且不斷增大。鋼筋受剪范圍逐漸向錨固兩端擴大，最大剪應力增至鋼筋的屈服強度時C55 混凝土與CA 砂漿層間界面的離縫深度從結構端部延伸至與植筋膠接觸位置。

2）位移在0.06 ～ 0.63 mm 時，荷載-位移曲線變緩，為屈服階段。鋼筋達到屈服強度，產(chǎn)生微小變形，最大剪應力峰值仍在增加但增幅變小，增至一定值后植筋膠產(chǎn)生脫黏現(xiàn)象，并向鋼筋兩端擴展。

3）位移超過0.63 mm 后，荷載基本保持不變，進入破壞階段。該階段植筋膠界面不會進一步脫黏，鋼筋最大剪應力峰值接近其抗剪強度，處于層間界面的鋼筋最大剪應力峰值不再增加，鋼筋受剪范圍也不再擴大，鋼筋產(chǎn)生明顯變形。若加載于上部軌道板的位移超過一定限值，鋼筋將被剪斷。

5 結論及建議

1）復合結構層間離縫植筋錨固修復后，結構無論受拉還是受剪，軌道板與CA 砂漿界面均優(yōu)先開裂破壞，并且在結構受拉時裂縫由內(nèi)向外擴展，結構受剪時裂縫由外向植筋中部擴展，鋼筋均從注漿界面處開始發(fā)生形變。在層間離縫出現(xiàn)的過程中，植筋膠從層間黏結界面處向錨固兩端開裂。

2）植筋錨固修復后，無砟軌道結構抗拉強度大于抗剪強度。結構劈拉荷載-位移曲線以位移0.52、1.76 mm為節(jié)點分為彈性、滑移和破壞三個階段；剪切荷載-位移曲線以位移0.06、0.63 mm 為節(jié)點分為彈性、屈服、破壞三個階段。

3）對CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫植筋修復時，應針對軌道結構拉伸和剪切兩種受力情況下的彈性階段確定植筋的承載能力。結構所受荷載超過彈性階段最大值后軌道結構變形程度和速度均將增大。