劉志彬，丁晨旭，胡　佳，龔　闖，趙坪銳

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院，重慶　404100）

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CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道板間接縫張拉力學(xué)分析

劉志彬1，丁晨旭1，胡佳2，龔闖1，趙坪銳1

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院，重慶404100）

摘要CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道寬接縫傷損是一種較為普遍的病害，主要表現(xiàn)為冬季拉裂和夏季上拱。寬接縫作為軌道縱向連接的關(guān)鍵部位，出現(xiàn)傷損后會(huì)弱化軌道板之間的連接，可能會(huì)威脅到行車(chē)安全。本文建立CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道有限元計(jì)算模型，分析了張拉施工工藝對(duì)軌道板的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)軌道結(jié)構(gòu)傷損情況，從寬接縫設(shè)計(jì)原理出發(fā)對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行受力分析，得出張拉荷載對(duì)軌道板各部件的影響。研究結(jié)果表明：全長(zhǎng)粘結(jié)和端部套管2種工況中，縱向鋼筋張拉作用對(duì)窄接縫混凝土產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力并不大，且分布不均勻，在抵抗溫度力方面，效果不明顯。

關(guān)鍵詞CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道；寬接縫；張拉施工；傷損；連接

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)是自下而上的連續(xù)結(jié)構(gòu)。在軌道板下設(shè)置連續(xù)支承層或底座板，先進(jìn)行軌道板單元鋪設(shè)、澆筑砂漿層和填充窄接縫，再進(jìn)行縱向連接。軌道板與軌道板之間通過(guò)寬接縫處的張拉鎖件與軌道板內(nèi)的縱向鋼筋連接，再填充寬接縫混凝土，增強(qiáng)了相鄰軌道板間的相互作用。但無(wú)砟軌道長(zhǎng)期暴露在不同的氣候條件下，受溫度荷載和列車(chē)荷載的長(zhǎng)期作用，產(chǎn)生了各種傷損，其中寬接縫傷損是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道較為常見(jiàn)的傷損［1-2］。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的軌道板上設(shè)有預(yù)裂縫，目的是引導(dǎo)軌道板在溫度荷載作用下沿“假縫”開(kāi)裂。寬接縫處存在新舊混凝土交界面，新舊混凝土粘結(jié)能力并不強(qiáng)。降溫時(shí)，寬接縫混凝土與軌道板混凝土之間可能會(huì)先于預(yù)裂縫開(kāi)裂［3］，進(jìn)而釋放了溫度應(yīng)力，即預(yù)裂縫并未開(kāi)裂，但出現(xiàn)了寬接縫傷損，與設(shè)計(jì)理念不符。寬窄接縫處傷損主要受溫度荷載、寬窄接縫施工工藝的影響。針對(duì)寬接縫傷損問(wèn)題，本文考慮軌道板張拉工藝，利用有限元軟件建立計(jì)算模型［4］，對(duì)其受力狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出施工優(yōu)化方案［5］。

1　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道板縱向連接施工

在軌道板縱向連接前，應(yīng)先在窄接縫處澆筑混凝土，用于支撐縱向連接時(shí)軌道板間的張拉力。窄接縫的模板用長(zhǎng)5 cm、厚7 cm的硬質(zhì)泡沫塑料條，將其安裝到軌道板窄接縫兩端，澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

軌道板縱向鋼筋張拉前，應(yīng)保證CA砂漿的強(qiáng)度在9 MPa以上，窄接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到20 MPa。軌道板縱向連接應(yīng)以施工單元段為基本段落，軌道板的縱向連接分批進(jìn)行?？拷R時(shí)端刺240 m的常規(guī)區(qū)，軌道板屬于過(guò)渡段，過(guò)渡段內(nèi)軌道板在臨時(shí)端刺未與下一施工單元縱向連接前只澆筑窄接縫混凝土，不進(jìn)行張拉鎖件及寬接縫澆筑施工，其余完成精調(diào)的軌道板可進(jìn)行縱向連接施工?？v向連接施工步驟如下。

1）張拉鎖件安裝

清理板端預(yù)留鋼筋→對(duì)軌道板板端鋼筋涂抹潤(rùn)滑黃油→安裝張拉鎖件，每個(gè)寬接縫處安裝6個(gè)→安裝絕緣墊片→安裝鋼墊片→安裝螺母，并擰緊。

2）張拉鎖件的張拉

每個(gè)寬窄接縫設(shè)有6個(gè)張拉鎖件，張拉順序是首先張拉中間2個(gè)，然后從內(nèi)向外對(duì)稱(chēng)張拉各1個(gè)（此組稱(chēng)為次外側(cè)張拉鎖件），最后張拉外側(cè)的2個(gè)［6］。張拉時(shí)，每根縱向鋼筋張拉力為50 kN。

在每一個(gè)施工單元段縱向連接中，施工順序：①?gòu)埨虚g的2個(gè)寬窄接縫（下文稱(chēng)中間縫）張拉鎖件；②對(duì)稱(chēng)張拉靠近中間縫的2個(gè)寬窄接縫中間的2個(gè)張拉鎖件，張拉步以2塊軌道板階梯進(jìn)行；③當(dāng)施工段完成6個(gè)寬窄接縫的中間張拉鎖件后，再?gòu)埨虚g縫的次外側(cè)張拉鎖件；④繼續(xù)對(duì)稱(chēng)張拉外側(cè)各2個(gè)中間縫的中間張拉鎖件，并同步張拉②中的寬窄接縫次外側(cè)張拉鎖件；⑤當(dāng)施工段完成6個(gè)寬窄接縫次外側(cè)鎖件的張拉后，張拉中間縫的外側(cè)張拉鎖件。依此類(lèi)推，直到縱向連接施工段中的張拉連接完成。軌道板縱向鋼筋連接張拉順序如圖1所示。

圖1　軌道板縱向鋼筋連接張拉順序

2　計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

利用ABAQUS選擇實(shí)體單元對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道建模，為消除邊界效應(yīng)，模型長(zhǎng)度取4塊板長(zhǎng)。主要研究對(duì)象是寬接縫結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　有限元計(jì)算模型

為了減少計(jì)算量，模型中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的承軌臺(tái)樣式、軌道板端部形狀、張拉鎖件形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化，張拉鎖件有限元模型如圖3所示。簡(jiǎn)化后的張拉鎖件為圖中內(nèi)空長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，在有限元計(jì)算中，將其嵌入寬接縫混凝土中。

圖3　張拉鎖件有限元模型

本文有限元計(jì)算中軌道板混凝土與寬接縫混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C55。支承層、CA砂漿和鋼筋采用線(xiàn)彈性材料模擬。有限元模型部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　有限元模型部分參數(shù)

3　寬接縫縱向施工受力分析

擰緊張拉鎖件時(shí)，寬接縫兩側(cè)軌道板受拉，而預(yù)先澆筑的窄接縫混凝土?xí)艿杰壍腊宓臄D壓作用。單根縱向鋼筋提供50 kN的拉力，張拉力可用降溫進(jìn)行模擬。等效公式為

式中：Δt為降溫幅度；Δl為降溫前后寬接縫長(zhǎng)度變化量；l為寬接縫長(zhǎng)度；α為線(xiàn)膨脹系數(shù)；F為張拉荷載；A為縱向鋼筋截面面積；E為縱向鋼筋彈性模量。

縱向鋼筋對(duì)軌道板的起始作用位置可能有2種情況：①縱向鋼筋作用范圍是軌道板全長(zhǎng)；②因在軌道板端部至第1個(gè)“假縫”之間預(yù)埋了套管，所以縱向鋼筋在第1個(gè)預(yù)裂縫位置才對(duì)軌道板有張拉作用。為了方便對(duì)比，將2種情況分別定義為全長(zhǎng)粘結(jié)、端部套管。

3. 1軌道板受力分析

軌道板應(yīng)力如圖4所示。

圖4　軌道板應(yīng)力（單位：MPa）

在全長(zhǎng)粘結(jié)工況下，軌道板中最大拉應(yīng)力為2. 85 MPa，而C55混凝土極限抗拉強(qiáng)度為2. 74 MPa［7］，混凝土?xí)霈F(xiàn)拉裂，可能引起軌道板傷損?？v向鋼筋與軌道板的交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

在端部套管工況下，軌道板的最大拉應(yīng)力為1. 53 MPa，小于混凝土抗拉極限強(qiáng)度。張拉施工過(guò)程中不會(huì)引起軌道板傷損。

3. 2軌道板縱向鋼筋受力分析

縱向連接鋼筋應(yīng)力如圖5所示。全長(zhǎng)粘結(jié)工況中縱向鋼筋最大拉應(yīng)力為108. 7 MPa。應(yīng)力較大區(qū)域均集中在寬接縫位置附近，軌道板內(nèi)的縱向連接鋼筋應(yīng)力較小，說(shuō)明在寬接縫處張拉施工過(guò)程中，縱向鋼筋受力不均勻。而軌道板與鋼筋交接處應(yīng)力較大，鋼筋與軌道板接觸位置附近會(huì)產(chǎn)生損傷。在端部套管工況下，最大拉應(yīng)力僅為38. 5 MPa。

圖5　縱向連接鋼筋應(yīng)力（單位：MPa）

對(duì)比圖5（a）和5（b）中縱向鋼筋的受力情況可以看出：2種工況中作用在軌道板內(nèi)的鋼筋應(yīng)力都不大，鋼筋應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在寬接縫處；端部套管工況中軌道板受力情況優(yōu)于全長(zhǎng)粘結(jié)工況。

3. 3寬接縫受力分析

寬接縫混凝土應(yīng)力如圖6所示。

圖6　寬接縫混凝土應(yīng)力（單位：MPa）

全長(zhǎng)粘結(jié)工況中寬接縫混凝土受到的最大縱向壓應(yīng)力為1. 24 MPa，寬接縫內(nèi)部的縱向應(yīng)力分布不均勻，最大壓應(yīng)力多集中在邊角處。而寬接縫的壓應(yīng)力是由軌道板施加的，故軌道板受到的縱向鋼筋張拉力也是不均勻的。

端部套管工況中，寬接縫混凝土所受的壓應(yīng)力更小，最大值為0. 24 MPa，受力分布情況與全長(zhǎng)粘結(jié)工況類(lèi)似。

3. 4 CA砂漿受力分析

在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道中，砂漿層起著填充、承力和傳力的作用，是保證列車(chē)在高速運(yùn)行下平穩(wěn)、舒適的關(guān)鍵構(gòu)件。在軌道板縱向連接時(shí)，軌道板受拉，砂漿層與軌道板之間的受力若超過(guò)其粘結(jié)強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)損傷。砂漿層與軌道板之間的剪切粘結(jié)強(qiáng)度為0. 8 MPa［8］（界面破壞），拉伸粘結(jié)強(qiáng)度為1. 0 MPa（砂漿破壞）。

水泥乳化瀝青砂漿層應(yīng)力如圖7所示。在軌道板縱向張拉連接過(guò)程中，CA砂漿是受拉的，而在寬接縫下部的砂漿層是受壓的。全長(zhǎng)粘結(jié)工況下，砂漿層最大拉應(yīng)力為0. 29 MPa，最大壓應(yīng)力為0. 19 MPa，未超過(guò)砂漿層與軌道板之間的粘結(jié)強(qiáng)度。因此張拉后不會(huì)對(duì)軌道板與砂漿層的界面產(chǎn)生破壞。

圖7　水泥乳化瀝青砂漿層應(yīng)力（單位：MPa）

端部套管工況下，砂漿層最大拉應(yīng)力為0. 16 MPa，不會(huì)破壞軌道板與砂漿層之間的粘結(jié)狀態(tài)。

4　結(jié)論

本文對(duì)寬接縫施工過(guò)程進(jìn)行了受力分析，考慮不同的縱向鋼筋張拉位置和不同的窄接縫混凝土澆筑順序?qū)壍澜Y(jié)構(gòu)主要部位的影響，得到以下結(jié)論：

1）張拉縱向鋼筋對(duì)窄接縫混凝土的預(yù)壓效果不明顯，張拉后縱向鋼筋受力不均。對(duì)比分析2種工況發(fā)現(xiàn)，在寬接縫施工過(guò)程中，對(duì)6根縱向筋的張拉并不合理。

2）在全長(zhǎng)粘結(jié)工況中，從張拉力角度來(lái)說(shuō)，單根鋼筋50 kN的張拉力可能會(huì)對(duì)軌道板產(chǎn)生局部損傷，建議減小張拉力。

3）2種張拉作用位置對(duì)窄接縫混凝土產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力并不大，且分布不均勻，在抵抗溫度力方面并不會(huì)有太明顯的效果；2種張拉作用位置均不會(huì)破壞軌道板與砂漿層之間的連接。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任審編鄭冰）

第一作者：劉志彬（1990—），男，碩士研究生。

Tension Force Analysis of CRTSⅡSlab-type Ballastless Track Caused by Widening Joint Between Track Slabs

LIU Zhibin1，DING Chenxu1，HU Jia2，GONG Chuang1，ZHAO Pingrui1
（1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute，Chongqing 404100，China）

AbstractT he damage of wide joint in CRT SⅡslab-type track is common，including tension crack in winter and arch in summer. As the key part of CRT SⅡslab-type track，the wide joint will weaken the connection of track slabs and threaten the driving safety when it become serious. T his article analysed the effect of track slabs by the pull construction technology on basis of CRT SⅡslab-type track finite element model. Based on site track structure damage and the design principles of wide joint，the stress of construction process was analysed and the effect of tensile load on the components of slab-type track was deduced. T he results show that in the working condition of full-length bonding and casing pipe at end，the effect of tensioning longitudinal reinforcement on narrow joint is not obvious and stress distribution is uneven. T here is no significant effect on resistance to temperature force.

Key wordsCRT SⅡslab-type ballastless track；W ide joint；T ension construction；Damage；Connection

中圖分類(lèi)號(hào)U213. 2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 15

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0069-04

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-03-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2013CB036202）；國(guó)家自然科學(xué)基金（U1434208）；中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡(jiǎn)介：趙坪銳（1978—），男，副教授，博士。