铁路钢桥环氧沥青柔性保护层在特种活载作用下的力学响应

钱振东，刘 云，王江洋，戴胜勇，艾宗良，郑 彬

(1.东南大学 智能运输系统研究中心，南京 210096;2.中铁二院工程集团有限公司，成都 610000)

防水保护层是铁路钢桥的重要组成部分，其质量的优劣直接影响到钢桥结构使用的耐久性。保护层在使用过程中长期承受疲劳荷载作用往往会出现不同程度的裂缝、破碎等现象。保护层一旦破坏，便会造成防水层的损坏，进而直接影响钢桥的使用寿命。刚性防水保护层由于材料自身的特点，其抗拉性能和变形协调能力较差，较易产生裂缝类病害而使水分侵入到钢桥面板。随着铁路钢桥的跨径不断增大，铁路钢桥采用柔性保护层的研究受到研究者重视。

环氧沥青混凝土作为钢桥柔性保护层材料，成功应用于国内外多座大跨径公路钢桥桥面，与刚性防水保护层材料及其他柔性保护层材料相比，具有强度高、抗疲劳性能好，尤其在高温下具有较好的抗变形能力，且对钢板变形追从性好。本文从理论分析的角度出发，采用有限元方法研究铁路钢桥环氧沥青柔性保护层在列车活载作用下的主要受力控制指标值。以往的钢桥面柔性保护层力学性能研究多集中在大跨径斜拉桥或悬索桥等公路桥面系［1-4］，或者是公铁两用大桥的公路桥面［5-6］，车辆荷载直接作用在铺装层表面。铁路钢桥的柔性保护层铺设在道碴与桥面板之间，如图1所示。因此，需要从铁路钢桥桥面系的结构组成及荷载传递特点出发，建立铁路钢桥环氧沥青柔性保护层体系分析模型，研究在列车荷载作用下保护层的力学响应及其分布规律，并通过室内试验检验环氧沥青柔性保护层体系的强度性能，为设计提供理论依据。

图1 铁路钢桥面环氧沥青柔性保护层结构体系Fig.1 Epoxy asphalt flexible layer system of railway steel bridge deck

1 环氧沥青柔性保护层体系分析模型

环氧沥青柔性保护层体系的力学行为可看成高速列车-轨道-环氧沥青柔性保护层-桥梁各结构组成部分的相互作用问题。

1.1 耦合体系力学模型

采用有限元方法建立耦合体系模型，用梁单元对钢轨进行离散，轨枕用实体单元模拟轨枕，对道碴和保护层采用实体单元离散，对防水层结构用二维板壳单元离散［7-8］，纵肋用板壳模拟，横隔板用实体单元模拟。并用一次梁(单层)轨道模型来模拟轮轨相互作用，认为钢轨和轨枕之间是紧密接触的。钢轨与轨枕之间采用离散支撑模型，考虑了轨枕的间隔，更能反映钢轨下轨枕分布和由于轨枕间距造成的列车通过频率。铁路钢桥道砟槽耦合体系有限元模型如图2所示。

图2 铁路钢桥面环氧沥青柔性保护层结构体系耦合模型Fig.2 Epoxy asphalt flexible layer system coupling system model of railway steel bridge deck

1.2 列车荷载模型

根据《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》［9］，选用ZK特种活载作为外载施加在钢轨表面，ZK特种活载的作用方式如图3所示。

图3 ZK特种活载图式Fig.3 Schema of ZK special live load

图4 考虑制动力作用下的列车荷载Fig.4 Train load considering braking force

1.3 计算工况

列车在桥梁上制动或牵引时产生的制动力或牵引力是引起桥梁附加载荷的主要原因，它对铁路桥梁的正常使用与安全具有重要的意义。在列车刹车或减速状态下，作用于轨面上的制动力通过轨枕结构和道碴结构的荷载传递，间接作用于柔性保护层。

以ZK特种活载作为竖向计算荷载，并且根据规范，列车制动力在与竖向动力作用同时计算时，制动力系数按列车竖向荷载的7%计算。因此，在ZK特种活载作用下，列车制动力为17.5 kN，考虑列车制动力作用下的计算荷载如图4所示。

2 算例

选取某一典型大跨度双桁结构连续钢桁梁桥梁，桥面采用纵横梁、正交异性钢桥面板，纵肋采用倒T形肋，线路等级为新建时速200 km客运专线铁路，I级标准铁路，正线数目为四线。

2.1 计算参数及有限元模型

在有限元建模时选取的结构各组成部分材料计算参数如表1所示。主要几何计算参数选取如下:道床厚度为40 cm，道床顶面宽度为360 cm，道砟槽采用1∶1.75的缓坡，横隔板跨距为2.0 m，桥面钢板厚度为16 mm，柔性保护层厚度为60 mm。柔性保护层环氧沥青混凝土的材料参数均是指在常温25℃状态下。

表1 铁路桥面系结构材料计算参数［9－12］Tab.1 Material indices of railway bridge deck［9－12］

2.2 铁路钢桥环氧沥青柔性保护层力学响应

进行柔性保护层力学响应分析时，选取环氧沥青柔性保护层横向拉应力、纵向拉应力、钢板与保护层之间的层间剪应力和竖向挠度作为力学分析的主要研究对象。

由图5可见，在ZK特种活载的作用下，① 柔性保护层表面的最大竖向位移出现在沿桥面纵向荷载中心线距离横隔板1/4跨处，分布在荷载作用的中心区域。② 横向拉应力和纵向拉应力的最大值均出现在沿纵桥向列车荷载中心线距横隔板1/4跨处。最大横向拉应力出现在轨枕两侧以及纵肋上方对应的区域，这些区域是保护层出现纵向开裂的危险区域。最大纵向拉应力出现在轨枕下方对应的保护层区域，这些区域是保护层出现横向开裂的危险区域。横向拉应力明显大于纵向拉应力，因此柔性保护层更易发生纵向开裂，横向拉应力是控制开裂破坏的主要控制指标。③钢板与保护层间横向和纵向剪应力最大值均出现在荷载中心线距离横隔板1/4跨处。横向层间剪应力的最大值出现在荷载下方轨枕两侧对应的保护层区域，纵向剪应力集中分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域，从计算结果看，这些区域倾向于发生钢板和保护层的横向层间滑移及剪切破坏。

图5 考虑列车制动力作用的柔性保护层力学指标值分布Fig.5 Mechanical indices values of flexible layer considering braking force

综合环氧沥青柔性保护层力学响应分布规律分析可以看出，沿桥面纵向荷载中心线距离横隔板1/4跨处，沿桥面横向荷载下方轨枕对应的保护层区域，是保护层受力变形最不利的位置，也是最有可能发生病害的危险位置。

考虑列车制动力作用的柔性保护层力学响应各指标峰值见表2，并且与国内典型的大跨径正交异性公路钢桥环氧沥青桥面铺装体系的受力指标值［13］进行对比。

通过对比铁路钢桥桥面环氧沥青柔性保护体系在列车荷载作用下与公路钢桥桥面环氧沥青铺装层在汽车荷载作用下的力学指标响应峰值可以看出，铺设于铁路钢桥桥面之上的柔性防水保护体系的竖向变形、表面拉应力和层间剪应力指标的峰值均显著小于公路钢桥桥面铺装体系。这是由于铁路钢桥列车荷载并非直接作用于保护层层顶，通过轨道、轨枕、道碴等结构的层层分散传递作用，大大减弱了传递至防水保护体系的荷载应力强度。因此，在大跨径公路钢桥铺装工程中取得良好使用效果的环氧沥青铺装体系，完全可以承担铁路钢桥桥面防水保护结构受力变形的作用。

表2 铁路钢桥桥面柔性保护体系和公路钢桥面铺装体系力学响应峰值Tab.2 Peak values of mechanical response of railway steel bridge deck flexible layer and highway steel bridge deck pavement

为了验证环氧沥青柔性保护层体系能够胜任铁路钢桥桥面的工作状态，本文通过柔性保护层混合料的弯曲试验和防水保护体系的复合结构剪切试验，得到柔性防水保护层材料表面抗弯拉强度和“钢板+防水层+柔性保护层”复合结构整体抗剪切强度，并与力学响应分析结果进行对比。在复合结构斜面剪切试验中，试件受力面与加载方向取成a=60°夹角，这与减速或刹车情况相似，能够模拟保护层在有侧面压力情况下的剪切强度，为实际最不利情况。图6与图7分别是常温条件下的弯曲和剪切试验，试验结果如表3所示。

图6 小梁弯曲试验Fig.6 The beam bending test

图7 柔性保护层复合结构剪切试验Fig.7 Shear test of the flexible layer compound structure

表3 环氧沥青柔性保护层材料弯曲试验和环氧沥青柔性保护体系复合结构剪切试验结果Tab.3 Results of epoxy asphalt flexible layer bending test and epoxy asphalt flexible layer compound structure shear test

由小梁弯曲试验结果可以看出，环氧沥青柔性保护层材料抗弯拉强度达到11.76 MPa，是刚性保护层材料C50混凝土抗弯拉强度的1.5倍以上(养护28d抗弯拉强度为7.8 MPa)，完全满足理论分析结果最大拉应力0.260 7 MPa的要求和文献［14］中规定的保护层材料抗拉强度不小于5.0 MPa的要求;同时由复合结构剪切试验结果可以看出，环氧沥青柔性保护层复合体系的抗剪切强度达到3.24 MPa，完全满足理论分析结果层间最大剪应力0.157 4 MPa的要求。因此，通过室内试验验证，表明环氧沥青柔性保护层满足铁路钢桥桥面的力学控制指标值和规范的要求。此外环氧沥青柔性保护层总厚度仅为60 mm，与刚性保护层相比大大减轻了桥面自重，可以作为一种新型的高性能柔性防水保护体系在铁路钢桥，特别是跨径较长的铁路钢桥上使用，前景广阔。

3 结论

本文建立了梁单元与实体单元混合的高速列车-轨道-环氧沥青柔性保护体系-桥梁耦合体系有限元模型，其中轨道模型采用一次梁(单层)轨道模型和离散支撑体系。通过典型铁路钢桥面系结构受力特点分析以及环氧沥青柔性防水保护层体系的室内试验，结论如下:

(1)在ZK特种活载作用下，柔性保护层的最大竖向位移、最大拉应力、最大钢板和保护层层间剪应力值均出现在沿桥面纵向荷载中心线距离横隔板1/4跨处。最大竖向位移发生在荷载作用的中心区域;最大横向拉应力出现在轨枕两侧以及纵肋上方对应的区域;钢板和保护层层间最大纵向剪应力分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域。

(2)通过对比铁路钢桥桥面环氧沥青柔性保护体系在列车荷载作用下与典型的公路钢桥桥面环氧沥青铺装体系在汽车荷载作用下的力学指标响应峰值，铁路钢桥桥面柔性防水保护体系的竖向变形、表面拉应力和层间剪应力指标的峰值均小于公路钢桥桥面铺装体系。因此，在大跨径公路钢桥铺装工程中取得良好使用效果的环氧沥青柔性保护体系，完全可以承担铁路钢桥桥面防水保护结构受力变形的作用。另外通过室内试验结果也可以表明环氧沥青柔性保护层材料和复合结构的抗拉、抗剪强度能够满足理论分析结果的要求，可作为一种新型柔性防水保护体系供铁路钢桥桥面保护选择。

本文在计算荷载方面考虑了列车竖向荷载和制动力的组合，未考虑其他轨道纵向力(包括伸缩力、挠曲力、断轨力等)的作用以及道碴铺设影响等工况，未来研究中尚需考虑柔性保护体系抗渗透、抗刺破等力学性能试验，以确保环氧沥青柔性保护层在铁路钢桥上的成功应用。

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