CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂及修补材料对轨道板的影响分析

徐 浩，谢铠泽，陈 嵘，王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

CRTSⅡ型板式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、水泥沥青砂浆调整层、连续底座板(桥梁)或支承层(路基)、滑动层(桥上)、侧向挡块(桥上)等部分组成［1－3］。两块轨道板的连接处称为宽接缝，为现浇的混凝土。在外部温度荷载作用下，应力超过混凝土抗拉强度，产生温度裂缝［4］。当宽接缝处出现开裂后，如果不及时修补裂缝将不断发展，一旦雨水进入有可能甚至使钢筋锈蚀，影响无砟轨道的质量和耐久性，因此对于裂缝宽度超过标准的裂缝需要采取修补措施。图1为宽接缝处出现开裂以及修补过后的效果图。

图1 宽接缝处出现开裂及修补后的效果图

用于混凝土构件裂缝修补的浆液材料目前主要使用的是环氧树脂，其最大的特点是:材料强度高、粘结力强、收缩小，可在常规室温下固化;其缺点是:黏度高，当配方不当时脆性大即抗冲击性能差［5-7］。由于环氧树脂与混凝土的线膨胀系数存在差异，在温度荷载作用下两者的伸缩会不一致，造成挤压可能会引起轨道板上拱变形加剧，将导致钢轨的不平顺加剧，甚至危及行车安全。

通过ANSYS有限元软件，建立CRTSⅡ型板式轨道轨道板温度分析模型，通过分析在不同裂缝宽度、深度及不同弹性模量的修补材料在温度荷载作用下轨道板的翘曲变形及所受的压应力，为CRTSⅡ型板式无砟轨道裂缝修补提供参考。

1 模型的建立及参数选取

1.1 计算模型

基于弹性地基梁体有限元理论［10］，建立 CRTSII型板式轨道弹性地基梁体有限元模型，分析当CRTSII型板式无砟轨道的宽接缝处开裂后，采用环氧树脂修复后对轨道板的影响。

(1)钢轨属于细长结构，采用弹性点支承梁单元(beam4)模拟;

(2)扣件采用弹性模型，计算时取动刚度，采用线性弹簧单元(combin14)模拟;

(3)砂浆层、轨道板、底座或支承层等为了计算取值的方便建立实体模型，采用实体单元(solid45)模拟;

(4)路基起竖向支承作用，采用连续均匀的线性弹簧单元(combin14)模拟，其刚度值由地基系数等效得到。

弹性地基梁体的力学模型如图2所示。

图2 弹性地基梁体力学模型

1.2 计算参数

钢轨采用CHN60钢轨，扣件采用WJ－8扣件，其刚度取动刚度50 kN/m，扣件的间距为0.65 m;轨道板采用实际尺寸，宽度为2.55 m，厚度为0.2 m，采用C55混凝土［8］，其弹性模量为35 500 MPa，线膨胀系数为1×10－5/℃，为了消除边界的影响取等效4块轨道板的长度26 m的长度考虑;水泥乳化沥青砂浆层也采用实际尺寸，其长度、宽度均与轨道板相同，厚度为30 mm，弹性模量取7 000 MPa;混凝土支承层也采用实际尺寸，其长度与轨道板的长度相同，宽度为3.25 m，厚度为0.3 m，弹性模量取7 000 MPa，线膨胀系数为1×10－5/℃［9］;路基的刚度取为75 MPa/m［10-11］;用来修补的材料现场一般采用环氧树脂等材料，其弹性模量为3 GPa左右，计算中取 3 GPa，线膨胀系数为6×10－5/℃ 。

2 计算结果与分析

2.1 计算假定及约束条件

为了计算方便，假定在轨道板中产生的裂纹均是直线形的裂纹，且裂纹沿轨道板横向全开裂，计算中仅考虑温度荷载和自重的作用，轨道板与底座板板边为自由约束，考虑到纵连板式无砟轨道是连续结构，计算时取4块轨道板长度，模型的端部约束其纵横向位移，在模拟路基的弹簧底部约束3个方向的自由度，在这样的边界条件下，符合CRTSⅡ型板式轨道的实际边界情况。建模过程中坐标原点在轨道结构的端部。

2.2 计算工况

考虑裂缝的宽度及裂缝的深度以及用来修复裂缝的材料的弹性模量等可能对轨道板产生影响，因此在分析的过程中考虑裂缝宽度的影响时，裂缝的深度取为0.1 m时，裂缝的宽度则分别考虑无裂缝、开裂0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、3、4 mm 9 种情况;由于在设计中检算裂缝宽度时是以0.2 mm为限值，因此在考虑裂缝的深度的影响时，取裂缝的宽度为0.2 mm，其深度则分别取为 0.06、0.08、0.1、0.12、0.16 m 和 0.2 m(即整个板的厚度开裂)6种情况，分析修复材料弹性模量对轨道板的影响时，裂缝的宽度也取0.2 mm，裂缝的深度取0.1 m，而修补材料的弹性模量则取200、500、700、1 000、3 000、5 000、7 000 MPa和10 000 MPa 8种工况，对于温度荷载则仅考虑温度梯度的影响，按设计时的90℃ /m 取值［10］。

2.3 结果分析

当裂缝深度为0.1 m时，修补材料采用环氧树脂，其弹性模量为3000 MPa时，轨道板板中的翘曲位移及轨道板最大的纵向应力随裂缝宽度变化的情况如图3、图4所示。

图3 轨道板板中的翘曲位移

图4 轨道板裂缝处所受的纵向压应力随裂缝宽度变化曲线

从图3、图4中可以看出，轨道板开裂后采用环氧树脂对其修复，轨道板的受力及轨道板板中的变形都会发生变化。轨道板的板中的最大翘曲值随着裂缝宽度的增加先增大然后减小再增大，当裂缝宽度达到4 mm时，轨道板的上拱位移达到0.058 2 mm，而轨道板未开裂时，轨道板的位移仅为0.027 mm;轨道板裂缝处所受的压应力随着裂缝宽度的增大不断减小，当裂缝宽度为4 mm后进行修补，轨道板所受的压应力为6.37 MPa，轨道板所受的纵向压应力减小可能是由于用来修补裂缝的环氧树脂是柔性材料能够缓解轨道板内的压应力，所以随着裂缝宽度的增加，轨道板所受的压应力减小。

当裂缝宽度为0.2 mm时，修补材料采用环氧树脂，其弹性模量为3 000 MPa时，轨道板板中的翘曲位移及轨道板最大的纵向应力随裂缝深度变化的情况如图5、图6所示。

图5 轨道板翘曲位移随裂缝深度的变化

图6 轨道板裂缝处所受的纵向压应力随裂缝深度变化

从图5、图6中可以看出，轨道板的翘曲位移和裂缝处轨道板所受的压应力均随裂缝深度的变化不大，这可能是由于轨道板裂缝的宽度较小导致裂缝的深度对轨道板的翘曲位移及轨道板所受的压应力影响较小。

当裂缝宽度为0.2 mm，裂缝深度为0.1 m，修补材料采用环氧树脂时，轨道板的翘曲位移及板缝处所受的应力随环氧树脂的弹性模量的变化情况如图7、图8所示。

图7 轨道板翘曲位移随弹性模量的变化

图8 板缝处轨道板所受的纵向应力随弹性模量的变化图

从图7、图8可以看出，轨道板板中的翘曲位移随着修补材料弹性模量的增大而增加，当修补材料的弹性模量达到10 000 MPa时，轨道板的翘曲位移达到0.050 mm;裂缝处轨道板所受的压应力随着弹性模量的增加而增大，最后趋于稳定。

3 结论与建议

(1)计算结果表明，轨道板开裂后采用环氧树脂进行修补后，轨道板的变形和应力均会发生改变，且在同样的裂缝深度且采用同样弹性模量的环氧树脂进行修复时，轨道板板中的最大翘曲值随着裂缝宽度的增加先增大然后减小再增大，而轨道板裂缝处所受的压应力随着裂缝宽度的增大不断减小，这可能是由于采用的修补材料属于柔性材料减小了轨道板内的压应力。

(2)当裂缝宽度一定，且采用相同弹性模量的环氧树脂修补时，裂缝的深度对轨道板板中的最大翘曲位移及开裂处轨道板所受的压应力影响均较小，这可能是由于裂缝宽度较小的原因。

(3)当开裂的宽度和深度一定时，采用不同弹性模量的环氧树脂对其修补后，发现轨道板板中的翘曲位移随着弹性模量的增加而增大，而轨道板所受的压应力也相应增大，并趋于稳定。

裂缝采用环氧树脂填补修复后对轨道板的变形有影响，主要可能是因为环氧树脂和原混凝土的材料性质不一样，由于其在温度荷载作用下伸缩不均匀而引起轨道板变形增大，且轨道板变形最大的地方在裂缝所在位置或者其附近。从以上分析中可以看出，修补材料应该选择弹性模量较小的环氧树脂，但是修补后可能在温度拉力的作用下更容易出现开裂，需要根据现场的温度环境及修补时间确定。这是因为当在夏季修补时，温度较高，修补后在冬季时突然降温可能导致拉裂，而在冬季修补时，温度较低，修补后在夏季时突然升温则可能导致轨道板被挤碎。

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