朱 浩,徐 浩,謝鎧澤,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道以其高平順性、高平穩(wěn)性和少維修性等優(yōu)點(diǎn)在京津、京滬等高速鐵路上廣泛應(yīng)用，水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)作為CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層之一，起著支撐、調(diào)整、傳力、承力以及隔振和減振的作用[1-3]。CA砂漿的工作性能直接影響到軌道結(jié)構(gòu)的平順性，列車運(yùn)行的舒適性和安全性，由于無(wú)砟軌道是一種長(zhǎng)期直接暴露于大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)，除了承受列車荷載外，還承受日照、突然降溫等溫度荷載的作用，因此極易造成軌道板與CA砂漿層產(chǎn)生離縫[4]，即CA砂漿離縫。圖1為某線路上CRTSⅡ型板式軌道的CA砂漿離縫現(xiàn)象。

圖1 水泥乳化瀝青砂漿層離縫

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)完好的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[5]專門對(duì)7塊CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板進(jìn)行了靜載和疲勞試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[6]建立了路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道計(jì)算模型，分別研究了車輛荷載、溫度荷載和路基不均勻沉降對(duì)板式軌道的影響，文獻(xiàn)[7]針對(duì)橋上縱連板式軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)研究，還有學(xué)者對(duì)路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的動(dòng)力特性及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了探索[8，9]，但關(guān)于CA砂漿劣化后CRTSII型板式軌道的受力研究相對(duì)較少，僅有少量關(guān)于單元板式砂漿劣化對(duì)板式軌道的影響研究[10]以及CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿離縫的原因初探[11]。

本文以路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，研究列車靜載和溫度荷載共同作用下CA砂漿離縫對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道力學(xué)性能的影響，從而為CA砂漿離縫的養(yǎng)護(hù)維修提供一定的理論依據(jù)。

1 路基上CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿離縫有限元模型

1.1 數(shù)值分析模型及參數(shù)

路基上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青調(diào)整層(CA砂漿)和支承層等部分組成[9]。根據(jù)彈性地基梁體理論與有限元方法，建立的路基上CRTSⅡ型板式軌道計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道計(jì)算模型

砂漿脫空區(qū)域非線性彈簧剛度

鋼軌直接承受列車傳來(lái)的壓力、沖擊和振動(dòng)，將鋼軌看作無(wú)限長(zhǎng)點(diǎn)支承梁，采用鐵木辛柯梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，鋼軌采用CHN60新軌，軌距1.435 m，鋼軌支點(diǎn)間距根據(jù)實(shí)際情況取0.65 m；鋼軌與軌道板之間的扣件系統(tǒng)忽略其非線性因素，等效為線彈性，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬，動(dòng)剛度取為50 kN/mm；預(yù)制軌道板式軌道系統(tǒng)的主要承力構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，標(biāo)準(zhǔn)軌道板寬度為2.55 m，厚度為0.2 m，長(zhǎng)度為6.45 m，由于軌道板縱向配置6根φ20 mm的精軋螺紋鋼筋，保證軌道板的縱向連接，因此軌道板可看作是縱連結(jié)構(gòu)；CA砂漿層考慮其線彈性，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬，對(duì)于離縫區(qū)的水泥乳化瀝青砂漿由于不再具有粘結(jié)力，將其模擬成單方向受力的非線性彈簧，如圖3所示，圖中u0為軌道板與砂漿層的離縫高度，u為CA砂漿的壓縮量，f為作用于砂漿上的力，采用非線性彈簧-阻尼單元COMBIN39模擬，其剛度按CA砂漿的彈性模量7 GPa進(jìn)行換算；路基地段的CRTSⅡ型板式軌道混凝土支承層按底面寬為3.25 m考慮，厚度0.3 m，其彈性模量也為7 GPa?；炷恋木€膨脹系數(shù)為1×10-5/℃，彈性地基等效為線性彈簧，其剛度按支承面剛度75 MPa/m計(jì)算[12，13]，采用彈簧-阻尼單元COMBIN14模擬。

圖3 離縫區(qū)域非線性彈簧的力與位移關(guān)系

1.2 計(jì)算假定及荷載條件

計(jì)算過(guò)程中假定一旦CRTSⅡ型板式軌道軌道板與水泥乳化瀝青砂漿之間產(chǎn)生離縫，即認(rèn)為此處沿軌道板的寬度方向上均產(chǎn)生離縫，因此在計(jì)算過(guò)程中軌道板與水泥瀝青砂漿層的離縫面積大小通過(guò)沿軌道板縱向的離縫長(zhǎng)度表示。

計(jì)算中考慮列車和溫度荷載的共同作用，軌道板與混凝土支承層的板邊為自由邊界，鋼軌、軌道板、混凝土支承層的端部均約束縱、橫向位移，模擬彈性地基的彈簧底部約束其3個(gè)方向的自由度，這樣的邊界條件下，模型無(wú)剛體位移，無(wú)多余約束，符合CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的實(shí)際邊界情況。列車荷載按單軸雙輪300 kN考慮，溫度荷載考慮上熱下冷的正溫度梯度和上冷下熱的負(fù)溫度梯度，其中正溫度梯度90 ℃/m，負(fù)溫度梯度取-45 ℃/m，并考慮軌道板的板厚修正系數(shù)[13]，取為1.05。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

研究表明在正溫度梯度作用下軌道板發(fā)生板中部上拱變形，與CA砂漿脫離，而在負(fù)溫度梯度作用下，板角發(fā)生上翹變形[13]，這都將造成軌道板與CA砂漿離縫加劇。著重探討溫度和列車荷載共同作用下CA砂漿離縫對(duì)CRTSⅡ型板式軌道的變形和受力的影響。

考慮到CA砂漿離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的主要影響因素是CA砂漿離縫長(zhǎng)度及離縫高度，因此，分析離縫高度為1 mm時(shí)，不同離縫長(zhǎng)度(無(wú)離縫、離縫0.325、0.65、0.975、1.3、1.625、1.95、2.275 m和2.6 m)以及CA砂漿離縫長(zhǎng)度1.95 m(3個(gè)扣件間距)時(shí)，不同離縫高度(無(wú)離縫、離縫0.1、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mm和2 mm)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。

2.1 有無(wú)離縫對(duì)比分析

計(jì)算中假定CA砂漿的離縫高度為1 mm、離縫長(zhǎng)度為1.3 m時(shí)，在列車荷載和正溫度梯度荷載共同作用下鋼軌、軌道板、混凝土支承層的垂向位移曲線如圖4所示(x為距模型左端的距離)。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)各部件位移曲線

在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力最大值如表1所示。

表1 軌道系統(tǒng)各部件受力和變形最大值

從圖4可以看出，當(dāng)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層產(chǎn)生離縫后，在列車荷載與正溫度梯度的共同作用下鋼軌和軌道板的位移均加劇，這是由于CA砂漿離縫的存在使軌道板下部支承作用減弱，從而造成鋼軌、軌道板垂向位移增大；CA砂漿離縫同時(shí)也削弱了CA砂漿層的傳力作用，從而使混凝土支承層的垂向位移減小，最終導(dǎo)致了軌道板與混凝土支承層的垂向相對(duì)位移增大。從表1可知，CA砂漿支承能力減弱也使得軌道板的縱向拉應(yīng)力增大，當(dāng)CA砂漿離縫長(zhǎng)度達(dá)到1.3 m時(shí)，軌道板的縱向拉應(yīng)力增加了41.33%，而軌道板橫向上的拉應(yīng)力稍有減小。另外，離縫區(qū)域附近的CA砂漿壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到74.01 kPa，增大了2.44倍。

從表1還可以看出，當(dāng)軌道板與CA砂漿產(chǎn)生離縫以后，由于負(fù)溫度梯度荷載使軌道板產(chǎn)生向下的翹曲變形，列車荷載與負(fù)溫度梯度作用下軌道系統(tǒng)各部件的垂向位移較列車荷載與正溫度梯度共同作用下的大，但軌道板內(nèi)的拉應(yīng)力則較小，CA砂漿離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力均不利。

2.2 CA砂漿離縫長(zhǎng)度的影響

不同離縫長(zhǎng)度下，CA砂漿離縫區(qū)域正上方軌道結(jié)構(gòu)的垂向位移和軌道結(jié)構(gòu)受力最大值隨離縫長(zhǎng)度的變化情況分別如圖5、圖6所示。

從圖5可知，在列車荷載和溫度荷載共同作用下，鋼軌和軌道板的垂向位移隨著離縫長(zhǎng)度的增大不斷增大，由于CA砂漿離縫削弱了其傳力作用，因此混凝土支承層的垂向位移隨著離縫長(zhǎng)度的增大而不斷減小。在列車荷載和正溫度梯度作用下，軌道板的垂向位移從0.397 mm增大到0.937 mm，增大了2.36倍，而在列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下，軌道板的垂向位移從0.571 mm增大到1.095 mm，增大了1.92倍。隨CA砂漿離縫長(zhǎng)度的增大，列車荷載和正溫度梯度共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形與列車荷載和負(fù)溫度梯度共同作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形差值逐漸變小，這說(shuō)明當(dāng)離縫長(zhǎng)度增大到一定值以后，離縫長(zhǎng)度相對(duì)荷載作用而言對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形的影響程度較大。

圖5 不同離縫長(zhǎng)度下軌道各部件的垂向位移

圖6 不同離縫長(zhǎng)度下軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

從圖6可知，列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道內(nèi)縱向拉應(yīng)力隨離縫長(zhǎng)度不斷增大，由于CA砂漿離縫的存在使軌道板的垂向位移不斷加劇，軌道板的縱向應(yīng)變也隨之增大，從而軌道板底部的拉應(yīng)力不斷增大。軌道板橫向拉應(yīng)力則隨著離縫長(zhǎng)度的增大而減小，但CA砂漿層本身的壓應(yīng)力也隨著離縫長(zhǎng)度的增大不斷增加，列車荷載和正溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到111.57 kPa，增大了3.68倍；在列車荷載和負(fù)溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力從19.9 kPa增大到69.71 kPa，增大了3.50倍；從CA砂漿層的受力情況可知，CA砂漿離縫對(duì)其附近的CA砂漿層受力有較大影響，因此當(dāng)CA砂漿離縫長(zhǎng)度較大時(shí)，有可能造成水泥乳化瀝青砂漿層損傷，甚至產(chǎn)生破壞，從而造成CA砂漿離縫長(zhǎng)度進(jìn)一步加大。

2.3 CA砂漿離縫高度的影響

假定軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫長(zhǎng)度為1.95 m(3個(gè)扣件間距)時(shí)，列車荷載和溫度梯度共同作用下，不同離縫高度對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)變形和受力最大值如表2所示。

從表2可知，由于CA砂漿離縫的存在，削弱了水泥乳化瀝青砂漿層的承載和傳力能力，因此在列車和溫度荷載共同作用下，鋼軌的垂向位移、軌道板的垂向位移和軌道板縱向拉應(yīng)力均隨著CA砂漿離縫高度先增大后趨于定值，而混凝土支承層的垂向位移和軌道板橫向拉應(yīng)力則隨著CA砂漿離縫高度先降低最后趨于定值。CRTSⅡ型板式軌道屬于縱連結(jié)構(gòu)，離縫區(qū)域兩側(cè)的軌道結(jié)構(gòu)自身對(duì)離縫區(qū)的軌道結(jié)構(gòu)就有一個(gè)約束作用，因此盡管CA砂漿離縫高度不斷增大，由于軌道結(jié)構(gòu)自身約束作用的存在，使得軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力最終都趨于一個(gè)定值，盡管對(duì)一定長(zhǎng)度的CA砂漿離縫下，離縫高度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的變形影響不大，但隨著離縫高度的增大，列車荷載和正溫度梯度共同作用下，CA砂漿層本身的壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到97.33 kPa，增大了3.2倍；而在列車荷載和負(fù)溫度梯度共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力從19.9 kPa增大到52.71 kPa，增大了2.65倍。由此可見，CA砂漿離縫高度對(duì)CA砂漿層的受力不利，隨著離縫高度的增大，有可能造成離縫區(qū)域附近的水泥乳化瀝青砂漿層進(jìn)一步傷損甚至破碎，從而增大離縫的長(zhǎng)度。

表2 軌道系統(tǒng)各部件受力和變形的最大值

2.4 討論與分析

(1)在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫將加劇軌道結(jié)構(gòu)的變形，同時(shí)增大軌道板的縱向拉應(yīng)力和CA砂漿層本身的壓應(yīng)力，且列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下的結(jié)構(gòu)變形較列車荷載和正溫度梯度下大。例如在列車荷載和正溫度梯度作用下，當(dāng)CRTSⅡ型板式軌道完好時(shí)，軌道板的變形、縱向拉應(yīng)力和CA砂漿層壓應(yīng)力分別為0.397 mm、2.277 MPa和30.33 kPa，而當(dāng)離縫長(zhǎng)度達(dá)到1.3 m時(shí)則分別為0.623 mm、3.218 MPa和74.01 kPa；而在列車荷載和負(fù)溫度梯度作用下，軌道結(jié)構(gòu)完好時(shí)軌道板的變形、縱向拉應(yīng)力和CA砂漿層壓應(yīng)力分別為0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，而離縫長(zhǎng)度達(dá)到1.3 m時(shí)則分別為0.628 mm、2.987 MPa和39.24 kPa。因此CA砂漿離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力均不利。

(2)隨著離縫長(zhǎng)度的增大，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應(yīng)力及CA砂漿層壓應(yīng)力均隨之增大。例如，在列車荷載和負(fù)溫度梯度荷載作用下，對(duì)于完好的軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應(yīng)力及CA砂漿層壓應(yīng)力最大值分別為1.864、0.571 mm、1.848 MPa和19.9 kPa，當(dāng)CA砂漿離縫長(zhǎng)度達(dá)到2.6 m時(shí)，鋼軌、軌道板的垂向變形、軌道板縱向拉應(yīng)力及CA砂漿層壓應(yīng)力最大值增大為2.220、1.095 mm、4.731 MPa和69.71 kPa?？梢婋S著離縫長(zhǎng)度的增大，軌道結(jié)構(gòu)變形和受力過(guò)大，會(huì)造成軌道幾何形位劣化，甚至影響高速行車的安全性、舒適性和平穩(wěn)性。

(3)CA砂漿離縫長(zhǎng)度和高度增大，在列車荷載和溫度荷載共同作用下，CA砂漿層的壓應(yīng)力隨之增大，可能出現(xiàn)“CA砂漿離縫-應(yīng)力增大-砂漿破損”的惡性循環(huán)，建議CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制軌道板與CA砂漿離縫，并及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

3 結(jié)論

基于彈性地基梁體理論，采用有限元方法分析了列車荷載和溫度共同作用下CA砂漿離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，得到如下結(jié)論：

(1)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫將加劇軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力，如在列車荷載和正溫度梯度共同作用下，當(dāng)離縫長(zhǎng)度達(dá)到2.6 m時(shí)，軌道板的垂向位移從0.397 mm增大到0.937 mm，CA砂漿層的壓應(yīng)力從30.33 kPa增大到111.57 kPa，且隨著CA砂漿離縫長(zhǎng)度和高度的增加，軌道結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)一步加劇，且可能會(huì)形成“砂漿離縫—應(yīng)力增大—砂漿破損”的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)部件破壞，因此對(duì)于CA砂漿離縫應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，以免軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步損傷；

(2)當(dāng)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿產(chǎn)生離縫后，在列車荷載作用下，軌道板不斷拍打CA砂漿層，軌道結(jié)構(gòu)變形過(guò)大有可能影響軌道的幾何形位，從而降低高速列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，在今后的工作中將進(jìn)一步研究CA砂漿離縫對(duì)列車運(yùn)行舒適度的影響；

(3)考慮軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，建議在分析CA砂漿層離縫原因的基礎(chǔ)上，對(duì)CRTSⅡ型板式軌道CA砂漿的劣化機(jī)理及劣化發(fā)展過(guò)程進(jìn)行深入研究，以確定最佳的養(yǎng)護(hù)維修時(shí)機(jī)，并研發(fā)新的水泥乳化瀝青砂漿材料，從而能快速修復(fù)傷損后的水泥乳化瀝青砂漿層，同時(shí)能滿足我國(guó)CRTSⅡ型板式軌道使用壽命要求的高質(zhì)量、高耐久性的水泥乳化瀝青砂漿。

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