張澤群，何越磊，杲 斐，楊永愛(ài)

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620; 2.中鐵二十一局集團(tuán)有限公司,蘭州 730070; 3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段,蘭州 730050)

引言

縱連板式無(wú)砟軌道是縱向連續(xù)鋪設(shè)的軌道結(jié)構(gòu),其板端預(yù)留精軋螺紋鋼筋并設(shè)置張拉鎖件進(jìn)行連接,通過(guò)板間現(xiàn)澆混凝土構(gòu)成板間接縫,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)砟軌道縱連鋪設(shè)[1]。板間接縫作為一種后澆結(jié)構(gòu),與預(yù)制軌道板及砂漿層接觸面作為新老混凝土交界以及混凝土-砂漿交界[2],在溫度荷載作用下易出現(xiàn)界面脫黏等病害,不僅影響無(wú)砟軌道縱向剛度及連接穩(wěn)定性,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致線路不平順,為列車運(yùn)行安全帶來(lái)隱患。

目前相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于縱連無(wú)砟軌道服役性能研究工作。劉昊旻等[3]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建板溫與氣象參數(shù)非線性映射關(guān)系,通過(guò)優(yōu)化預(yù)測(cè)參數(shù)提高對(duì)軌道板內(nèi)整體溫度與溫度梯度預(yù)測(cè)精度。孫澤江等[4]通過(guò)對(duì)縱連板式無(wú)砟軌道溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),分析板內(nèi)溫度場(chǎng)分布及隨時(shí)間變化特性,獲取高溫天氣下軌道板表面溫度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。趙磊等[5]通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁縮尺模型試驗(yàn),獲取高溫環(huán)境下縱連板式軌道橫向及豎向溫度分布規(guī)律。粟淼等[6]結(jié)合板式無(wú)砟軌道界面空隙率測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及有限元仿真,探究界面初始粘結(jié)缺陷對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形影響。張鵬飛等[7]基于梁-板-軌相互作用原理,搭建橋上縱連板式軌道模型,分析橋上板式軌道結(jié)構(gòu)在橫向及豎向溫度梯度下縱向力學(xué)特性。馮青松等[8]基于梁軌作用原理搭建板式無(wú)砟軌道模型,分析橋上無(wú)砟軌道在均勻與非均勻溫度荷載作用下無(wú)縫線路幾何形位變化及力學(xué)特性。

為探究縱連軌道板寬窄接縫損傷演變,CAI等[9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與仿真計(jì)算,分析板間接縫混凝土損傷過(guò)程及對(duì)結(jié)構(gòu)整體上拱失穩(wěn)影響。LIU等[10]基于混凝土塑性損傷及內(nèi)聚力理論,分析窄接縫在不同寬度、不同強(qiáng)度下?lián)p傷破壞機(jī)理,提出窄接縫斷裂是一種漸進(jìn)的壓縮損傷。周凌宇等[11]分析寬窄接縫界面開(kāi)裂與CA砂漿脫空耦合損傷對(duì)無(wú)砟軌道力學(xué)性能影響,認(rèn)為耦合損傷比單一損傷模式對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形更為不利。劉鈺等[12]分析混凝土劣化、施工溫差及初始裂紋條件下寬窄接縫損傷規(guī)律,認(rèn)為混凝土強(qiáng)度降低、施工溫差加大、含有初始裂紋會(huì)顯著增加接縫損傷程度。

既有研究多將板間接縫作為整體結(jié)構(gòu),探究接縫部位混凝土損傷及破壞機(jī)理。然而,板間接縫作為后澆結(jié)構(gòu),與軌道板及砂漿層交界面更易產(chǎn)生傷損。與混凝土自身破壞相比,接縫界面存在較為光滑、平坦界面區(qū),使得界面粘結(jié)性能更為薄弱,更易導(dǎo)致界面?zhèn)麚p[13]。同時(shí),接縫處混凝土在垂直與水平方向的形狀均不規(guī)則,且接縫-軌道板與接縫-砂漿層交界面分別為新、老混凝土交界以及混凝土與砂漿交界[14],不同界面的形狀、受力、接觸材料以及損傷規(guī)律均存在差異。因此,將板間接縫作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析較不細(xì)致,有必要對(duì)接縫界面進(jìn)行精細(xì)化建模分析。

為此,基于軌道板實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)設(shè)定加載工況,建立同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋作用及接縫界面損傷的CRTSⅡ型縱連板式無(wú)砟軌道模型?；陔p線性內(nèi)聚力理論,對(duì)接縫界面在最不利溫度工況下?lián)p傷規(guī)律及分布差異進(jìn)行精細(xì)化分析,以期為鐵路工務(wù)部門(mén)精細(xì)化檢修作業(yè)提供參考。

1 軌道板溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 溫度數(shù)據(jù)分析

以華東某高鐵路基段縱連板式無(wú)砟軌道為監(jiān)測(cè)對(duì)象(線路運(yùn)營(yíng)速度300 km/h)。在軌道板板表、板中以及板底位置分別埋設(shè)接觸式溫度傳感器,采樣頻率為1次/30 min,通過(guò)數(shù)據(jù)采集主控系統(tǒng)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖1為縱連軌道板在夏季與冬季結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù),由圖可知,板內(nèi)溫度隨軌道板深度增加表現(xiàn)出不均勻性,距離軌道板板表越深,溫度變化幅度逐漸減小。結(jié)構(gòu)最高溫與最低溫均出現(xiàn)在板表位置,其中夏季高溫期間軌道板最高溫度58.59 ℃,最低溫度25.96 ℃,最大正溫度梯度92.8 ℃/m(超出高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范溫度梯度設(shè)計(jì)值90 ℃/m),最大負(fù)溫度梯度30.55 ℃/m。冬季低溫期間軌道板最高溫度15.40 ℃,最低溫度-4.34 ℃,最大正溫度梯度44.90 ℃/m,最大負(fù)溫度梯度40.55 ℃/m。

圖1 軌道板現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1.2 溫度工況設(shè)定

基于軌道板實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù),考慮縱連板式無(wú)砟軌道全生命服役周期內(nèi)結(jié)構(gòu)劣化、重現(xiàn)期以及最不利加載條件[15],選取最不利整體溫度荷載與最不利溫度梯度荷載耦合作用進(jìn)行分析。同時(shí)實(shí)際工程中整體溫度荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響作用要明顯大于溫度梯度荷載,因此,將溫度工況主要?jiǎng)澐譃檎w升溫與降溫工況,具體工況設(shè)定如表1所示(軌道板鎖定板溫25 ℃)。

表1 軌道板溫度工況設(shè)定

為實(shí)現(xiàn)對(duì)接縫界面損傷的精細(xì)化分析,將接縫分別進(jìn)行垂直與水平方向劃分:垂直方向?qū)⒔涌p與軌道板及砂漿層交界面劃分為4個(gè)接觸面,分別為接觸面A、B、C、D,接觸面A為寬接縫與軌道板縱向接觸界面,接觸面B為寬接縫與軌道板垂向接觸界面,接觸面C為窄接縫與軌道板縱向接觸界面,接觸面D為窄接縫與砂漿層接觸界面,從而由垂直方向表征接縫與結(jié)構(gòu)的實(shí)際接觸差異。水平方向按照接縫橫向位置關(guān)系將界面分別劃分為靠近側(cè)邊的板邊區(qū)域、布置鋼筋的預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域以及靠近中間的板中區(qū)域,從而由水平方向表征接縫與結(jié)構(gòu)的實(shí)際接觸差異。具體模型劃分如圖2所示。

圖2 板間接縫模型

整體溫度荷載使軌道結(jié)構(gòu)各部件由于受熱膨脹或受冷收縮而產(chǎn)生縱向伸、縮變形,升溫工況下接縫界面主要承受縱向擠壓作用,降溫工況下界面主要承受縱向拉伸作用。而溫度梯度荷載使結(jié)構(gòu)整體由于垂向溫度分布不均而產(chǎn)生垂向上拱或翹曲變形[16],此時(shí)接縫界面主要承受垂向剪切作用。但實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)并不僅受單一溫度荷載作用,而是不同溫度荷載耦合作用,因此將整體溫度荷載與溫度梯度荷載共同考慮[17]。圖3為不同溫度工況下板間接縫界面受力示意。

圖3 板間接縫界面受力示意

2 無(wú)砟軌道板間接縫分析模型

2.1 無(wú)砟軌道計(jì)算模型

CRTS II型板式無(wú)砟軌道作為縱連鋪設(shè)結(jié)構(gòu),主要包括鋼軌、扣件、接縫、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿以及支承層等。本文主要研究板間接縫損傷規(guī)律,因此,對(duì)軌道模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化,不考慮鋼軌、扣件等影響。其中軌道板、砂漿層、支承層以及板間接縫均采用實(shí)體單元CPT215進(jìn)行模擬;橫、縱向鋼筋采用桿單元LINK8模擬;軌道板與砂漿層界面,以及寬窄接縫與軌道板界面通過(guò)CONTACT174和TARGET170單元模擬。模型整體包括4塊軌道板,取結(jié)構(gòu)中部板間接縫作為研究對(duì)象,如圖4所示。

圖4 軌道板中部板間接縫有限元模型

2.2 模型參數(shù)

縱連板式無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)部位尺寸均按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定[18],軌道板長(zhǎng)6 450 mm,寬2 550 mm,厚200 mm;砂漿層厚30 mm;支承層寬2 950 mm,厚300 mm;寬接縫寬210 mm,厚100 mm;窄接縫寬50 mm,厚100 mm。此外,模型考慮橫、縱鋼筋作用,其中預(yù)應(yīng)力鋼筋6根,每根鋼筋張拉力50 kN,模型各項(xiàng)材料參數(shù)如表2所示。

表2 板式無(wú)砟軌道材料參數(shù)

本文引入雙線性內(nèi)聚力模型[19]分析接縫界面損傷破壞機(jī)理,內(nèi)聚力模型認(rèn)為在裂紋尖端存在一定內(nèi)聚區(qū),內(nèi)聚區(qū)中界面兩側(cè)內(nèi)聚力主要是物質(zhì)原子之間相互作用力提供,且內(nèi)聚力大小與脫黏界面兩側(cè)相對(duì)位移有關(guān)。當(dāng)內(nèi)聚區(qū)受外荷載時(shí),其界面張力隨相對(duì)位移的增加而增大,當(dāng)張力超過(guò)材料強(qiáng)度極限時(shí)界面出現(xiàn)損傷,此時(shí)應(yīng)力隨張開(kāi)位移的增大而逐漸減小。當(dāng)張開(kāi)位移達(dá)到最大時(shí),應(yīng)力減小為0,界面出現(xiàn)脫黏且損傷繼續(xù)擴(kuò)展。其中界面損傷程度用損傷變量D(Damage)表示,D為0時(shí)界面未出現(xiàn)傷損,D大于0時(shí),界面損傷開(kāi)始出現(xiàn),隨著D不斷增大,損傷進(jìn)一步發(fā)展,D達(dá)到1時(shí)界面出現(xiàn)脫黏破壞,此時(shí)脫黏區(qū)域由界面粘結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|摩擦狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)[20]板式無(wú)砟軌道內(nèi)聚力模型參數(shù)設(shè)定,其中板間界面為軌道板與板間接縫交界面,層間界面為CA砂漿層與軌道板以及板間接縫交界面,內(nèi)聚力模型參數(shù)如表3所示。

表3 內(nèi)聚力模型參數(shù)

模型整體包括4塊軌道板及板間澆筑的寬窄接縫,將無(wú)砟軌道支承層底部設(shè)置為全約束,軌道結(jié)構(gòu)兩端部設(shè)置為對(duì)稱約束。此外,軌道板-砂漿層以及軌道板-板間接縫界面設(shè)置為綁定約束,取模型整體中部板間接縫為研究對(duì)象,分析其界面損傷規(guī)律及分布差異。

3 板間接縫界面損傷分析

3.1 接縫界面損傷分布

圖5為接縫界面在升溫工況下?lián)p傷分布云圖,如圖5所示,升溫工況下接縫界面損傷分布基本一致。損傷由接觸面兩側(cè)向中部擴(kuò)展,兩側(cè)界面損傷嚴(yán)重,板邊區(qū)域與預(yù)應(yīng)力鋼筋部分區(qū)域損傷因子趨近于1,界面發(fā)生局部脫黏,且界面脫黏后損傷繼續(xù)向預(yù)應(yīng)力鋼筋以及板中區(qū)域擴(kuò)展。其中,正溫度梯度工況下接觸面A損傷界面約占A界面39.17%;接觸面B損傷因子整體趨近0.9,界面損傷嚴(yán)重但未發(fā)生脫黏破壞;接觸面C損傷界面達(dá)45.32%;接觸面D損傷界面達(dá)92.24%。負(fù)溫度梯度工況下界面損傷面積有所增加,接觸面A損傷界面達(dá)46.05%;接觸面B全部損傷但未發(fā)生脫黏破壞;接觸面C損傷界面達(dá)47.36%;而接觸面D損傷界面達(dá)92.47%。

圖5 升溫工況下板間接縫界面損傷云圖

圖6為接縫界面在降溫工況下?lián)p傷分布云圖,其界面損傷擴(kuò)展規(guī)律與升溫工況類似,但降溫工況下界面損傷更為嚴(yán)重。正溫度梯度中板邊及預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域界面出現(xiàn)大面積脫黏,僅有板中區(qū)域未完全破壞,接觸面A損傷界面達(dá)87.32%;接觸面B整體損傷因子均趨近于1,界面完全脫黏破壞;接觸面C損傷界面達(dá)87.22%;接觸面D損傷界面達(dá)84.71%。負(fù)溫度梯度下界面損傷尤為嚴(yán)重,各接觸面損傷因子均趨近于1,破壞界面占比超過(guò)99%,表明接縫各接觸面全部脫黏破壞。

圖6 降溫工況下板間接縫界面損傷云圖

在界面損傷分析中,寬接縫與軌道板垂向接觸界面以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷尤為嚴(yán)重,此外,界面在降溫工況下?lián)p傷更為明顯,特別是整體降溫與負(fù)溫度梯度耦合作用下各接觸面全部脫黏,此時(shí)界面由粘結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|摩擦狀態(tài)。

3.2 接縫界面平均損傷分析

圖7為升溫工況下接縫界面平均損傷分布,正溫度梯度中各接觸面平均損傷分別為0.499、0.817、0.480以及0.829,其中A、C界面損傷程度較小,B、D界面損傷程度較大。負(fù)溫度梯度工況與正溫度梯度工況平均損傷分布一致,同樣表現(xiàn)為接觸面A、C損傷程度較小,平均損傷均為0.499,接觸面B、D損傷程度較大,平均損傷分別為0.762與0.824。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于接縫界面剪切強(qiáng)度、切向剛度均小于法向抗拉強(qiáng)度及法向剛度,在升溫過(guò)程中,軌道板及砂漿層縱向變形使B、D界面產(chǎn)生較大剪切應(yīng)力,導(dǎo)致B、D界面受損嚴(yán)重。

圖7 升溫工況下板間接縫界面平均損傷

圖8為降溫工況下接縫界面平均損傷分布,正溫度梯度中接觸面A、C、D平均損傷較為一致,分別為0.819、0.799以及0.821,界面損傷嚴(yán)重,但未全部脫黏破壞。而接觸面B平均損傷已趨近于1.000,表明B界面已全部脫黏破壞。負(fù)溫度梯度工況下接縫界面損傷最為嚴(yán)重,各接觸面平均損傷均趨近于1.000,表明界面全部脫黏破壞。

圖8 降溫工況下板間接縫界面平均損傷

上述接縫界面平均損傷分析中,寬接縫與軌道板垂向接觸界面以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷較為嚴(yán)重。與升溫工況相比,接縫界面在降溫工況下脫黏破壞更為突出。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于接縫界面屬于新、老混凝土交界以及混凝土-砂漿交界,其黏結(jié)性能本就小于混凝土內(nèi)部骨料之間粘結(jié)能力。而混凝土材料抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,可見(jiàn)界面抗拉強(qiáng)度更弱,因而接縫界面在降溫工況下由于受拉作用更易導(dǎo)致脫黏破壞。

圖9為板間接縫界面損傷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,由圖可知,板間接縫在寬接縫與軌道板垂向接觸界面、窄接縫與砂漿層接觸界面損傷嚴(yán)重,其界面脫黏位置及損傷擴(kuò)展規(guī)律與仿真計(jì)算中B、D界面平均損傷較大,界面脫黏嚴(yán)重相對(duì)應(yīng),本文所建立的板間接縫界面損傷模型與實(shí)際損傷情況相吻合。

圖9 板間接縫界面損傷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

3.3 起始損傷溫度分析

圖10、圖11為接縫各接觸面在板邊、預(yù)應(yīng)力鋼筋以及板中區(qū)域起始損傷溫度分布,即界面各區(qū)域出現(xiàn)損傷的臨界溫度。整體升溫超過(guò)35 ℃或整體降溫超過(guò)-30 ℃表明該區(qū)域在最大升、降溫過(guò)程中未出現(xiàn)損傷,圖中用虛線表示。

圖10 升溫工況下板間接縫界面起始損傷溫度

圖11 降溫工況下板間接縫界面起始損傷溫度

由圖10可知,升溫工況下接觸面B、D與接觸面A、C起始損傷位置不同。正溫度梯度中接觸面B、D在板邊區(qū)域首先損傷,起始溫度為7.13 ℃與9.93 ℃,并在8.73 ℃與23.92 ℃時(shí)損傷由板邊擴(kuò)展到板中區(qū)域。而接觸面A、C在預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域首先損傷,起始溫度為19.12 ℃與8.73 ℃,且損傷由預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域只擴(kuò)展到板邊區(qū)域,板中區(qū)域未出現(xiàn)損傷。負(fù)溫度梯度下界面起始損傷位置及擴(kuò)展規(guī)律與正溫度梯度一致,但負(fù)溫度梯度中界面損傷出現(xiàn)更早。接觸面B、D板邊區(qū)域首先損傷,起始溫度分別為6.33 ℃與9.13 ℃。接觸面A、C在預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域首先損傷,起始溫度為18.72 ℃與7.93 ℃。其中,預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域最先受損是由于該區(qū)域布置預(yù)應(yīng)力鋼筋,每根鋼筋施加50 kN張拉力,使得布筋區(qū)域更易出現(xiàn)應(yīng)力集中,導(dǎo)致該位置最先受損。

由圖11可知,降溫工況下界面起始損傷位置均為板邊區(qū)域,正溫度梯度中界面板邊區(qū)域起始損傷溫度分別為-5.44 ℃、-5.06 ℃、-4.56 ℃以及-2.44 ℃。在最大降溫工況下接觸面B、D在各區(qū)域均有損傷出現(xiàn),而接觸面A、C在板中區(qū)域未損傷,其余區(qū)域均有損傷。負(fù)溫度梯度工況與正溫度梯度工況起始損傷位置及擴(kuò)展規(guī)律一致,但負(fù)溫度梯度下界面各區(qū)域均有損傷出現(xiàn),板邊起始損傷溫度為-3.37 ℃、-3.93 ℃、-3.20 ℃和-2.96 ℃,負(fù)溫度梯度中界面起始損傷相對(duì)更早。

垂直方向上,寬接縫與軌道板垂向接觸界面,以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷程度要明顯大于寬接縫與軌道板縱向接觸界面以及窄接縫與軌道板縱向接觸界面;且寬接縫與軌道板垂向接觸界面損傷擴(kuò)展速度最快,界面整體最先受損。水平方向上預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域是升溫工況下接縫各接觸面首先均出現(xiàn)界面受損的區(qū)域,即平均升溫18.92 ℃時(shí)接縫各接觸面均在預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域出現(xiàn)損傷。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵縱連無(wú)砟軌道板間接縫界面損傷的精細(xì)化研究,將接縫界面按照垂直方向與水平方向進(jìn)行劃分;分析板間接縫在實(shí)際溫度工況下不同接觸面的界面損傷程度以及不同區(qū)域的起始損傷溫度分布,確定接縫界面最不利溫度工況及最不利受力位置,主要結(jié)論如下。

(1)無(wú)論是垂直方向還是水平方向,接縫界面發(fā)生損傷脫黏的最不利溫度工況均為整體降溫荷載與負(fù)溫度梯度荷載耦合作用。

(2)在垂直方向上,寬接縫與軌道板垂向接觸界面以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷更加突出,這與實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的接縫界面損傷情況相符。

(3)在水平方向上,接縫界面在預(yù)應(yīng)力鋼筋區(qū)域最早出現(xiàn)全界面受損,平均升溫幅度18.92℃,建議工務(wù)部門(mén)加強(qiáng)在預(yù)應(yīng)力鋼筋位置的檢查工作。