橡胶粉改性CA砂浆对轨道板受力的影响分析

杨 洋，韦红教，覃 峰

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

由水泥、细骨料、沥青乳液、水以及多种添加剂等原材料组成的CA砂浆，目前广泛应用于板式无砟轨道结构中。位于底座与轨道板之间的CA砂浆可以有效地起到减震缓冲的作用，是CRTSI型板式无砟轨道的核心技术之一，其性能的好坏直接影响到整个轨道结构的耐久性、列车行驶的舒适性和安全性［1］。不过，由于我国幅员辽阔，不同地区的气候特点对CA砂浆结构有较大影响，CA砂浆在设计阶段中必须考虑地区气候的差异。以此同时，在我国铁路发展逐渐实现高速、重载的趋势下，开发适用于各类气候条件下工作性和耐候性有显著提高和改善的CA砂浆已迫在眉睫。

目前针对橡胶粉改性研究主要集中在应用橡胶粉替代集料配制成的CA砂浆、橡胶粉水泥混凝土、橡胶粉改性沥青混合料等领域［2－4］，课题组结合长期从事橡胶粉改性混凝土、橡胶粉改性沥青、半柔性复合路面材料的研究成果与广西高铁修建实际需求，开展橡胶粉改性CA砂浆配制与力学性能研究，得到的橡胶粉改性CA砂浆其抗压强度、弹性模量均比普通CA砂浆有所增大。

本文在前人对于橡胶粉改性CA砂浆研究的基础上，采用大型有限元软件ANSYS模拟橡胶粉改性CA砂浆支撑下CRTSI型板式无砟轨道轨道板在温度荷载与列车荷载作用下的受力情况，更加真实地模拟废橡胶粉代替乳化沥青量与轨道板受力情况之间的关系，对橡胶粉改性CA砂浆应用于实际中所产生的影响进行进一步研究并对今后推广应用提供重要依据。

1 CA砂浆支撑下轨道板应力状态

1.1 模型的建立

CRTSI型板式无砟轨道轨道结构主要由钢轨、弹性分开式扣件、填充式垫板、轨道板、CA砂浆调整层、混凝土底座、凸形挡台及其填充砂浆组成，如图1所示。在运用ANSYS进行轨道板受力分析过程中，主要考虑一个单元板长度范围内的轨道板受力状况，建模中轨道板、CA砂浆垫层、底座与地基均采用实体单元solid65进行模拟，钢轨简化为工字钢，并采用截面参数基本相同的beam单元进行模拟，弹性扣件应用弹簧单元模拟。由于只进行一个单元板范围内的力学分析，凸形挡台予以简化，轨道结构有限元模型如图2所示，其各部分参数见表1，其中扣件间距为650mm，节点刚度30kN／mm；轨道板采用C60混凝土材料；底座为C40混凝土材料［4－8］。

图1 CRTSI型板式无砟轨道结构图

图2 CRTSI型板式无砟轨道ANSYS有限元模型图

表1 CRTSI型板式无砟轨道主要部件参数表

1.2 不同荷载作用下轨道板应力状态

由混凝土材料制成的板式无砟轨道轨道板在实际环境中受到多种荷载的作用，现仅就不同含量橡胶粉改性CA砂浆支撑下的轨道板在温度荷载与列车荷载单独作用下的应力状态进行计算［9－10］。

（1）温度荷载作用下轨道板应力状态

在实际环境中，温度的骤然变化施加于热传导性能差的混凝土材料轨道板，便会产生沿轨道板厚度方向变化的温度梯度，从而产生轨道板翘曲变形［9］。其中，白天阳光直射于轨道板上表面，而下表面温度则相对较低；傍晚开始上表面温度急剧下降，而下表面温度则相对较高。这种情况会造成轨道板“上热下冷”“上冷下热”两种情况。这种上下表面温度差值最大可以达到15℃。有限元模型中，轨道板沿厚度方向的温度梯度取75℃／m，应用ANSYS模型进行计算，考虑温度荷载作用下轨道板应力计算结果见表2。

表2 温度荷载下轨道板应力计算结果表

由表2可以看出：轨道板应力集中主要发生在轨道板边角处，轨道板受到正温度梯度作用时，轨道板上部纤维伸长、下部纤维收缩，轨道板板顶中部受到拉应力作用、板底中部受到压应力作用；轨道板受到负温度梯度作用时，轨道板顶部纤维收缩、底部纤维伸长，受力情况与正温度梯度时正好相反。其中温度分别在±15℃时，最大应力的代数值相近而方向相反。

（2）列车荷载作用下轨道板应力状态

当列车运行通过轨道板上方钢轨时，轨道板将受到列车荷载作用，由于单元板长度为4 950mm，所以不可能同时有多组轮对作用于单元板区域内，单元板最不利工况示意图见图3。利用ANSYS计算标准轴载（300kN）作用下轨道板应力状态，计算结果见表3。

图3 标准轴载作用位置示意图

表3 标准轴载下轨道板力学计算结果表

分析表3可知，对于同一种工况，轨道板横向最大应力均大于纵向最大应力。对比两种工况，当轮载作用于轨道板边缘时，轨道板最大应力值、最大位移均大于轮载作用于轨道板中时的应力值，工况一的板中最大位移小于工况二的板中最大位移，而对于板角最大位移来说，两种工况的大小关系则正好相反。

2 橡胶粉改性CA砂浆对轨道板应力状态的影响

根据前文所述，橡胶粉改性CA砂浆在其力学性能方面已经大大提高，目前的研究主要集中在橡胶粉改性CA砂浆试验性能上，由于一些客观原因，并没有现场数据证明改性砂浆应用于现场时将表现出何种优势，针对这一情况，课题组试图利用ANSYS软件分析橡胶粉改性CA砂浆支撑下轨道板在列车荷载、温度应力作用下的应力情况，并进一步推测实际状况下橡胶粉改性CA砂浆对轨道板应力状态的影响。

表4列出本课题组制备的橡胶粉改性CA砂浆主要力学性能，现将不同橡胶粉含量的改性CA砂浆应用于CRTSI型板式无砟轨道中，分别模拟温度梯度荷载和列车荷载作用下轨道板的受力情况。

表4 橡胶粉改性CA砂浆主要力学性能表

2.1 温度荷载作用下橡胶粉改性CA砂浆层对轨道板应力状态的影响

为了更好地分析橡胶粉含量对于轨道板应力状态的改善情况，现分别计算不同含量橡胶粉改性CA砂浆支撑下轨道板受到温度梯度作用时的应力状态，由于本文着重研究橡胶粉改性CA砂浆中橡胶粉含量对于轨道板力学状态的影响，故只考虑轨道板受到“上热下冷”温度梯度作用时的情况，计算结果如图4～9所示。

分析图4～9可知，温度荷载下轨道板横向最大应力始终大于纵向最大应力，与此同时，轨道板各项应力最大值随着改性CA砂浆中橡胶粉含量的增大而减小；轨道板板中位移、板角位移也随着橡胶粉含量的增大而逐渐减小。这说明增加橡胶粉改性CA砂浆橡胶粉含量可以减小轨道板在温度荷载下的翘曲应力以及翘曲位移。

图4 轨道板横向拉应力随橡胶粉含量变化趋势图

图5 轨道板横向压应力随橡胶粉含量变化趋势图

图6 轨道板纵向拉应力随橡胶粉含量变化趋势图

图7 轨道板纵向压应力随橡胶粉含量变化趋势图

图8 最大板中位移随橡胶粉含量变化趋势图

图9 最大板角位移随橡胶粉含量变化趋势图

2.2 列车荷载作用下橡胶粉改性CA砂浆层对轨道板应力状态的影响

由前文计算得知，当列车荷载有一轮对作用于单元板边缘时，轨道板出现病害的几率最大，故只计算在列车荷载作用于最不利位置时不同质量橡胶粉改性CA砂浆对轨道板应力状态的影响。带入表4中参数，计算结果如图10～15所示。

图10 轨道板纵向压应力随橡胶粉含量变化趋势图

图11 轨道板纵向拉应力随橡胶粉含量变化趋势图

图12 轨道板横向压应力随橡胶粉含量变化趋势图

图13 轨道板横向拉应力随橡胶粉含量变化趋势图

图14 最大板中位移随橡胶粉含量变化趋势图

图15 最大板角位移随橡胶粉含量变化趋势图

由图10可知，当橡胶粉含量由0逐渐增加到20%过程中，橡胶粉改性CA砂浆支撑下轨道板纵向最大拉应力由0.788 MP降低到0.787 3 MP，变化趋势不是非常明显。不过随着橡胶粉含量的增加，改性CA砂浆对于轨道板纵向最大压应力、横向拉、压应力的降低作用是非常明显的：图11～13中轨道板最大纵向压应力随着橡胶粉含量的增大显著降低，当橡胶粉含量增加到20%时，降低的幅度达到0.034 MP；与此同时轨道板横向拉应力、横向压应力也降低明显，其中横向压应力更是降低了0.17 MP；同时，如图14～15所示，轨道板板角、板中位移也显现出逐步减小的趋势。这充分说明了列车荷载作用下CRTSI型板式无砟轨道轨道板最大应力与最大位移会随着橡胶粉改性CA砂浆层中橡胶粉含量的增加而降低。

3 结语

（1）轨道板在实际环境中受到温度荷载的作用下将会发生翘曲变形，板顶与板底温差越大，翘曲变形越明显。橡胶粉改性CA砂浆支撑下的轨道板，在温度荷载作用时，其应力状态有所改善，轨道板纵向拉、压应力，横向拉压应力，板中、板角位移均会随着橡胶粉含量的增大而逐渐减小从而改善温度荷载下轨道板翘曲变形，减小翘曲变形对轨道板的不利影响。

（2）列车荷载作用下，轨道板顶面受压而底面受拉，拉应力会导致轨道板底面出现裂缝，随着时间的推移，如不及时进行修整，裂缝会导致其他病害的出现。利用橡胶粉改性CA砂浆进行模拟时，可以看出，轨道板应力状态尤其是横、纵向拉应力的最大值会随着橡胶粉含量的增大而逐渐减小，这大大降低了轨道板裂缝出现甚至扩展的几率，使轨道结构更加稳定、安全。

［1］王 涛.高速铁路板式无砟轨道CA砂浆的研究与应用［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

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