梁延科 徐凌雁 寇勝宇 徐鵬

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線站院，天津 300308）

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道作為我國(guó)主要的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，應(yīng)用于京津、京滬、京廣、寧杭等高速鐵路線路，2018年底正線鋪軌里程已達(dá)8 700 km[1]。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在極端溫度荷載、結(jié)構(gòu)初始缺陷、材料劣化等因素綜合影響下，軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了寬窄接縫壓潰、砂漿層離縫、軌道板上拱等病害。近年來(lái)，軌道板上拱現(xiàn)象頻發(fā)（表1），影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性和線路平順性[2]，給列車運(yùn)行帶來(lái)重大安全隱患。

表1 軌道板上拱病害發(fā)生數(shù)量

相關(guān)學(xué)者對(duì)軌道板上拱病害機(jī)理及整治措施進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3-5]對(duì)軌道板在溫度荷載作用下的上拱機(jī)理及影響因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為寬窄接縫劣化失效及結(jié)構(gòu)層間離縫導(dǎo)致了軌道板截面上部偏心受壓而失穩(wěn)起拱。文獻(xiàn)[6-8]提出了采用植筋錨固、板底注膠等軌道板上拱整治措施，但均以被動(dòng)處置為主，缺少主動(dòng)應(yīng)對(duì)措施和徹底解決的技術(shù)方案。

本文結(jié)合CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳力模式，在深入分析軌道板上拱原因的基礎(chǔ)上提出了采用柔性材料填充寬窄接縫的整治方案?；谟邢拊碚?，分析了寬窄接縫采用不同彈性模量的柔性材料填充后軌道結(jié)構(gòu)的受力情況和變形特征，驗(yàn)證了方案的可行性。本文研究成果可為完善CRTSⅡ型軌道板的設(shè)計(jì)理念提供參考，為軌道板上拱整治方案提供借鑒。

1 軌道板上拱機(jī)理

在溫度荷載作用下，軌道混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮，產(chǎn)生巨大的溫度力。溫度力的表達(dá)式為

式中：P為溫度力，N；E為軌道結(jié)構(gòu)彈性模量，Pa；A為斷面面積，m2；α為線膨脹系數(shù)，℃/m；ΔT為溫度變化幅度，℃。

對(duì)于CRTSⅡ型無(wú)砟軌道軌道板，混凝土等級(jí)為C55，彈性模量E=3.55×1010Pa；軌道板寬2.5 m，厚0.2 m，則A=0.5 m2；取α=1×10-5℃/m[2]；當(dāng)溫度變化幅度ΔT=1℃時(shí)，利用式（1）可算得P=1.775×105N。

CRTSⅡ型無(wú)砟軌道鋪設(shè)范圍跨越我國(guó)南北地區(qū)，溫差大，易出現(xiàn)極端高溫天氣。在極端高溫天氣下軌道結(jié)構(gòu)表面最高溫度可達(dá)50℃[9]。寬窄接縫為現(xiàn)澆異形結(jié)構(gòu)，施工質(zhì)量難以控制，屬于縱連結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。在巨大的溫度力作用下，可能出現(xiàn)壓潰等現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 寬窄接縫破損示例

寬窄接縫受損后，在溫度荷載作用下，軌道板橫截面由全斷面均勻受力轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪鶆蚴芰顟B(tài)，形成偏心受壓（圖2）。軌道板在偏心力作用下會(huì)出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。

圖2 寬窄接縫受力狀態(tài)

2 采用柔性材料整治軌道板上拱的可行性

參考德國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道整治方案，借鑒中間固定、兩端伸縮的設(shè)計(jì)理念[10]，可在寬窄接縫中填充柔性材料，以保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

該方案的基本原理是在保證材料強(qiáng)度和耐久性的前提下，利用柔性材料彈性模量低、剛度小的特點(diǎn)，在高溫條件下釋放軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的巨大溫度力，避免接縫混凝土壓潰、軌道板偏心起拱，如圖3所示。

圖3 利用填充柔性材料整治軌道板上拱示意

利用填充柔性材料整治軌道板上拱，就是通過(guò)改變寬窄接縫材料的剛度特性，將軌道板間的剛性連接變成柔性連接。忽略砂漿、扣件、張拉鎖件對(duì)軌道板的縱向約束力，結(jié)合式（1），長(zhǎng)6.5 m的軌道板在整體升溫30℃作用下，端部產(chǎn)生約1 mm的縱向位移。因此，寬窄接縫端部產(chǎn)生1 mm的彈性變形就可釋放整體升溫30℃產(chǎn)生的溫度力，使軌道結(jié)構(gòu)維持正常的服役狀態(tài)。

綜上，在寬窄接縫中填充柔性材料可通過(guò)釋放軌道結(jié)構(gòu)間的溫度力來(lái)抑制軌道板上拱，該方案可行。

3 建立有限元模型

為研究柔性材料對(duì)軌道板上拱的整治效果，基于有限元理論，建立CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間耦合模型，如圖4所示。軌道板縱向采用寬窄接縫進(jìn)行連接。

圖4 有限元模型

模型中，鋼軌和軌道板由扣件相連，采用彈簧單元模擬，全面考慮縱向、橫向、垂向3個(gè)方向的剛度；考慮結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和物理屬性，鋼軌、軌道板、CA砂漿、底座板與寬窄接縫采用實(shí)體單元模擬；軌道板與CA砂漿及寬窄接縫的層間連接采用接觸單元來(lái)模擬；考慮線路的縱連特點(diǎn)，鋼軌和軌道結(jié)構(gòu)兩端采用對(duì)稱約束；扣件約束其彈簧下部端點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬扣件墊板的作用；底座板底部完全固定。模型全長(zhǎng)為4塊軌道板長(zhǎng)度，各參數(shù)詳見文獻(xiàn)[2]。

4 無(wú)損條件下寬窄接縫受力特征

采用柔性材料填充后，在寬窄接縫無(wú)損條件下，分析整體升溫荷載作用下寬窄接縫的縱向應(yīng)力變化情況。取極端高溫天氣不利工況，整體升溫50℃。

4.1 柔性材料彈性模量對(duì)寬窄接縫縱向應(yīng)力的影響

分別取柔性填充材料的彈性模量為35 500.0，17 750.0，3 550.0，1 775.0，710.0，355.0，177.5，88.8，35.5，17.8 MPa，計(jì)算寬窄接縫縱向應(yīng)力最大值，見圖5。其中35 500.0 MPa為寬窄接縫未采用柔性材料填充時(shí)的原始彈性模量。計(jì)算時(shí)寬、窄接縫寬度分別取210，50 mm。

圖5 柔性材料彈性模量對(duì)縱向應(yīng)力最大值的影響

由圖5可知，隨著填充材料彈性模量的降低，寬窄接縫縱向應(yīng)力最大值先增大后減小。彈性模量為3 550.0 MPa時(shí)，縱向應(yīng)力最大值達(dá)到峰值；彈性模量降至710.0 MPa時(shí)，縱向應(yīng)力最大值開始小于原始彈性模量下的縱向應(yīng)力最大值；彈性模量降至17.8 MPa時(shí)，縱向應(yīng)力最大值僅為1.37 MPa，比原始彈性模量下降低了92.3%，軌道板的溫度力得到了極大的釋放，寬窄接縫的服役狀態(tài)得以優(yōu)化。

填充材料彈性模量降低幅度不大時(shí)，縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)增大現(xiàn)象，這是由于寬接縫的位移協(xié)調(diào)性強(qiáng)于窄接縫，致使在溫度力作用下窄接縫的縱向應(yīng)力明顯大于寬接縫。以彈性模量降至3 550.0 MPa為例，寬窄接縫縱向應(yīng)力云圖見圖6。可知，縱向應(yīng)力最大值和最小值分別為24.71，6.38 MPa，分別位于窄接縫和寬接縫，這也是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后窄接縫傷損明顯多于寬接縫的原因之一，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果吻合。

圖6 寬窄接縫縱向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

4.2 窄接縫寬度對(duì)寬窄接縫縱向應(yīng)力的影響

保持寬接縫寬度不變（210 mm），取填充材料彈性模量為3 550.0 MPa，計(jì)算不同窄接縫寬度下寬窄接縫縱向應(yīng)力的最大值和最小值，見圖7。

圖7 窄接縫寬度對(duì)寬窄接縫縱向應(yīng)力的影響

由圖7可知，隨著窄接縫寬度不斷增加，縱向應(yīng)力最大值線性減小，而最小值非線性增加。窄接縫寬度為50 mm時(shí)，縱向應(yīng)力最大值和最小值相差最大，為18.33 MPa；窄接縫增至與寬接縫等寬（210 mm）時(shí)，縱向應(yīng)力最大值和最小值基本相等。

在采用柔性材料時(shí)，為使寬窄接縫受力均勻，在工程允許的情況下，可適當(dāng)增加窄接縫的寬度。

5 柔性材料對(duì)軌道板上拱的抑制作用

5.1 寬窄接縫彈性模量對(duì)軌道板上拱量的影響

在整體升溫50℃、寬窄接縫傷損高度為80 mm工況下，分別計(jì)算寬窄接縫彈性模量為35 500.0，17 750.0，3 550.0，1 775.0，710.0，355.0，177.5，88.8，35.5，17.8 MPa時(shí)軌道板上拱位移，見圖8。

圖8 柔性材料彈性模量對(duì)軌道板上拱量的影響

由圖8可知：隨著柔性填充材料的彈性模量從35 500.0 MPa降至1 775.0 MPa，寬窄接縫喪失了對(duì)軌道板上拱的抑制作用，而溫度力尚未得到釋放，反而加劇了軌道結(jié)構(gòu)的上拱變形；彈性模量小于177.5 MPa后，軌道板溫度力得到了足夠的釋放，軌道板上拱位移小于原始彈性模量下的上拱位移；彈性模量降至17.8 MPa時(shí)，軌道板基本不會(huì)出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。

5.2 傷損高度的影響

在整體升溫50℃，寬窄接縫傷損高度從60 mm逐漸增至100 mm工況下，計(jì)算填充不同彈性模量的柔性材料時(shí)軌道板的上拱位移，見圖9。

圖9 不同傷損高度及彈性模量下軌道板上拱位移變化云圖

由圖9可知：隨著傷損高度的增加，軌道板上拱位移明顯有增大趨勢(shì)但非線性增大；對(duì)于不同傷損高度，柔性填充材料彈性模量變化對(duì)軌道板上拱位移的影響基本類似。彈性模量降至17.8～35.5 MPa時(shí)軌道板上拱位移均小于1 mm。此時(shí)軌道板服役狀態(tài)良好[11]，基本不會(huì)出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。

6 結(jié)論

1）采用柔性材料填充寬窄接縫可有效釋放軌道板的溫度力。寬窄接縫產(chǎn)生1 mm的彈性變形可釋放整體升溫30℃產(chǎn)生的溫度力。

2）隨著柔性填充材料彈性模量降低，寬窄接縫縱向應(yīng)力最大值先增大后減小。在柔性材料彈性模量為17.8 MPa、整體升溫50℃工況下，寬窄接縫縱向應(yīng)力最大值僅為1.37 MPa。

3）增加窄接縫的寬度可使寬窄接縫受力更加均勻，減小寬窄接縫應(yīng)力峰值。在工程允許條件下，可適當(dāng)增加窄接縫寬度。

4）在傷損狀態(tài)下，隨著柔性填充材料彈性模量的降低，軌道板上拱位移先增大后減小。彈性模量小于17.8 MPa時(shí)，軌道板基本不會(huì)產(chǎn)生上拱變形。

5）采用彈性模量適當(dāng)?shù)娜嵝圆牧线M(jìn)行填充，可改善寬窄接縫服役狀態(tài)，抑制軌道板上拱。