CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂对轨道受力的影响分析



CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂对轨道受力的影响分析

赵林，刘学毅，赵华卫，董佳佳

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

CRTSⅡ型板式无砟轨道在我国复杂多样的地理、气候环境中，受列车高频振动及温度荷载作用，轨道板间的宽接缝较易产生开裂等伤损，部分开裂甚至在宽接缝后浇混凝土施工后就开始出现。宽接缝开裂常出现在新老混凝土界面上，裂缝宽度通常为0.1～2 mm，最宽时可达2～3 mm[1-2]。由于Ⅱ型板轨道结构整体纵连，裂缝截面成为整个纵连轨道结构的薄弱截面，其受力情况势必会发生改变，甚至有可能由于轨道板的开裂而导致砂浆层、底座板或者纵连钢筋的连带破坏。目前，我国铁路针对该伤损及维修标准尚缺乏系统的研究，为此，本文利用有限元方法，对存在宽接缝开裂的Ⅱ型板式轨道进行力学分析，拟得到不同长度、深度的宽接缝裂缝及不同荷载作用下对轨道结构受力的影响，并据此初步提出宽接缝开裂维修指标的建议值。

1计算模型及参数

1.1Ⅱ型板式轨道宽接缝开裂受力计算模型

利用ANSYS有限元软件建立桥上纵连Ⅱ型板式轨道受力模型(图1)。模型从上到下分别为钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板和桥梁。钢轨简化为弹性点支承梁，采用BEAM188单元模拟；扣件简化为弹性元件，考虑其纵、横向刚度，采用COMBIN14单元模拟；轨道板、砂浆层、底座板按实际结构尺寸，采用SOLID45实体单元模拟；为提高计算效率，模型中用宽接缝来代替纵连接缝，未考虑纵连接缝上宽下窄的结构细节，同时未对桥梁建模，仅考虑桥面支承层刚度1 000 MPa/m，支承刚度通过COMBIN14单元来实现刚度的模拟[3]；轨道板内部纵向的6根精扎螺纹钢筋，每根钢筋施加50 kN的纵向力进行纵连，钢筋和轨道板通过建立约束方程来进行连接处理；模型假定砂浆层同上下层的粘接性能完好，摩擦因数取0.3。

图1　桥上CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂受力计算模型Fig.1 Model of wide juncture of CRTSⅡ prefabricated slab track on bridge

模型选取4块轨道板进行计算以消除边界效应，4块轨道板沿简支梁跨中对称布置，取中间2块轨道板为研究对象[4]。约束桥面支承层的横向、纵向和垂向位移；约束底座板、轨道板和钢轨的端部纵向位移；约束钢轨两端除竖向以外的所有自由度。桥上CRTSII板式轨道实体有限元模型如图2所示。

1.2计算参数

模型中钢轨采用CHN60钢轨，弹性模量为2.1e5MPa，线膨胀系数11.8e-6，泊松比0.3；扣件选用WJ-8型扣件，扣件节点的垂直静刚度为50 kN/mm，间距0.65 m；轨道板尺寸6.45 m×2.55 m×0.2 m，C55混凝土弹性模量为3.55e4MPa，线膨胀系数10×10-6，泊松比0.2；砂浆层宽度与轨道板相同，厚度0.03 m，弹性模量7 000 MPa；底座板宽度2.95 m，厚度0.19 m， C30混凝土弹性模量为3.55e4MPa，线膨胀系数10×10-6，泊松比0.2；纵连精扎螺纹钢筋直径20 mm，弹性模量取值2.05 e5MPa；由宽接缝来代替宽窄接缝，宽接缝的宽度厚度与轨道板相同，采用C55混凝土。

图2　桥上CRTSII板式轨道实体有限元模型Fig.2 Finite element analysis model of CRTSⅡ prefabricated slab track on bridge

由于混凝土轨道板热传导性差，导致轨道板在厚度方向上存在温度差，不均匀温度作用下的热胀冷缩致使轨道板发生翘曲变形和翘曲应力[5]，由于最大温度梯度是历年来测得的温度梯度最大值，发生的几率较小。本文主要考虑宽接缝的开裂和轨道板的拉应力等，采用经常出现的温度梯度，45 ℃/m的正温度梯度和22.5 ℃/m的负温度梯度[6]。列车荷载采用常用轮载150 kN，按单轴双轮加载。另外考虑整体降温10 ℃。

1.3计算工况

1)考虑外荷载对宽接缝开裂可能产生的影响，在《高速铁路无砟轨道线路维修规则》中规定Ⅱ型板式无砟道床板间接缝的Ⅱ级维修标准是0.3 mm[7]，因此在研究外荷载影响时，裂缝宽度取0.3 mm，裂缝深度取0.1 m(轨道板厚度之半)，裂缝长度取1.275 m(轨道板半宽)。外荷载有4种情况：①列车竖向荷载150 kN；②正温度梯度45 ℃/m；③负温度梯度22.5 ℃/m；④整体降温10 ℃。

2)研究裂缝深度的影响时，裂缝长度取1.275 m。裂缝深度分别为33.3，66.7，100，133.3，166.7和200 mm(裂缝深度贯穿)。

在诊断妊娠合并甲状腺功能异常疾病时，需要对孕妇的临床表现进行观察，同时对孕妇血清促甲状腺激素、游离甲状腺素（FT4）、TT4、TT3、游离三碘甲状腺原氨酸（FT3）等数据进行监测，从而有效诊断妊娠合并甲状腺功能异常[19]。

3)研究裂缝长度的影响时，裂缝深度取为0.133 m。裂缝长度分别为1.275，1.913和2.55 m(裂缝横向贯穿)。

4)研究温度梯度和宽接缝开裂条件下，轨道板翘曲变形随板下CA砂浆脱空距离的变化时，宽接缝裂缝在垂向和横向完全贯通，开裂宽度0.3 mm。板下脱空距离分别至1-10号扣件(全脱空)。

2Ⅱ型板式轨道受力特性分析

2.1宽接缝开裂时荷载对轨道结构受力的影响

本小节主要计算分析4种荷载作用，即列车竖向荷载、正温度梯度、负温度梯度和整体降温，宽接缝开裂对轨道结构受力变化的影响。轨道结构(轨道板，砂浆层，底座板)的最大拉应力和纵连钢筋应力如表1和图3~4所示。

表1轨道结构最大拉应力计算结果

Table 1 Calculation of the maximum tensile stress of track structure

MPa

图3　轨道结构最大拉应力Fig.3 Maximum tensile stress of track structure

由计算结果可见，仅列车荷载作用下，轨道结构的受力影响较弱，而在轨道结构整体降温10 ℃的温度荷载作用下，宽接缝受拉，其开裂对轨道结构受力影响最为不利，且纵向应力要明显大于横向应力，因此在下文的分析中，重点研究整体降温下轨道结构的纵向应力。

图4　纵连钢筋最大应力Fig.4 Maximum stress of longitudinally continuous steel

根据上节的分析，在整体降温10 ℃时，宽接缝开裂对轨道结构受力最为不利。本节在轨道结构整体降温10 ℃时，改变宽接缝开裂的深度和长度，分析不同大小的裂缝对轨道结构受力的影响，对轨道结构进行力学分析。本节计算中仅研究轨道结构的纵向拉应力，宽接缝开裂宽度取0.3 mm。

2.2.1裂缝深度的影响

根据前文的分析，本节宽接缝开裂宽度取0.3 mm，长度取1.275 m(轨道板半宽)。研究宽接缝开裂深度分别为33.3(轨道板1/6厚)，66.7，100，133.3，166.7和200 mm(裂缝深度贯穿)时，裂缝深度对轨道结构受力特性的影响，如图5和图6所示。

图5　轨道结构最大拉应力Fig.5 Maximum tensile stress of track structure

由图5和图6可知，在裂缝深度小于100 mm范围内，轨道结构和纵连钢筋的受力增加较为缓慢，且均未超过其各自的抗拉强度；而裂缝深度超过125 mm时，轨道结构和纵连钢筋的受力增加较快，对宽接缝开裂较为敏感，且在125 mm处产生一个突变，这是由于当裂缝深度超过125 mm，轨道板里的纵连钢筋暴露，退出工作，轨道板的受力完全由混凝土承担，最大应力出现在宽接缝附近，并且当裂缝深度达到166 mm时，轨道板受力达到2.76 MPa，超过混凝土C55的强度标准值2.74 MPa[8]，此时混凝土被拉坏；此外宽接缝未开裂时，底座板受力1.95 MPa，当开裂深度达200 mm(深度贯穿)时，底座板受力3.05 MPa，增幅达56%，同时已超过其容许应力。钢筋应力在裂缝深度超过125 mm后，从166 MPa增加到230 MPa，增幅达39%，但并没有达到钢筋屈服应力。分析计算结果可得，随宽接缝开裂深度增加，轨道结构受力变化较明显，当开裂深度超过125 mm时，轨道结构受力极为不利，严重时轨道板和底座板被拉坏，致使轨道结构带裂缝工作。

图6　纵连钢筋最大应力Fig.6 Maximum stress of longitudinally continuous steel

2.2.2裂缝长度的影响

根据上节的计算结果，轨道结构的受力在深度超过125 mm时有突变，同时深度超过166 mm时轨道板被拉裂，为保证轨道结构受力较为明显且轨道结构不被破坏，本节选取宽接缝开裂深度133 mm，开裂宽度0.3 mm。研究宽接缝开裂长度分别为1.275 m，1.913 m，2.55 m(裂缝横向贯穿)时，裂缝长度对轨道结构受力特性的影响，如图7和图8所示。

由计算结果可见，随着裂缝开裂长度的增加，轨道结构所受纵向拉应力整体呈现缓慢增加的趋势，但增幅均不足3%，影响较小，这是由于裂缝长度的变化是沿轨道结构横向方向的开裂，主要影响轨道结构的横向应力，而对轨道结构的纵向应力影响不大；而纵连钢筋最大应力呈现减小的趋势，但幅度很小，这是由于随着裂缝长度的增加，如超过1.35 m时，纵连钢筋开始一个个逐渐暴露出来，钢筋条数增加，共同承担轨道结构的拉应力，因此最大应力逐渐减小。

图7　轨道结构最大拉应力Fig.7 Maximum tensile stress of track structure

图8　纵连钢筋最大应力Fig.8 Maximum stress of longitudinally continuous steel

2.3宽接缝开裂对轨道板翘曲变形的影响

根据前文的分析，在宽接缝开裂处轨道板所受应力最大，即在板边处轨道板和CA砂浆承受较大的拉(负温度梯度)、压(正温度梯度)反复作用，随着荷载作用次数的增多，板边处的砂浆与轨道板间的黏结将首先遭到破坏，形成板下脱空，无法保证砂浆对轨道板翘曲变形的跟随性与约束能力。本节将研究在温度梯度和宽接缝开裂的情况下，轨道板的翘曲变形和纵连钢筋最大拉应力随板下脱空距离的变化，其中宽接缝裂缝在垂向和横向完全贯通，开裂宽度取0.3 mm，如图9和图10所示。

图9　轨道板最大翘曲位移Fig.9 Maximum warping displacement of track slab

图10　纵连钢筋最大应力Fig.10 Maximum stress of longitudinally continuous steel

由图9可以看出，随着板下CA砂浆脱空距离的增加，轨道板最大翘曲位移不断增加。相比于没有温度梯度的情况下，正温度梯度增大了轨道板的最大翘曲位移，这是由于轨道板没有了宽接缝和CA砂浆的约束，仅在自重的作用下轨道板下沉，最大位移出现在板边位置，正温度梯度是轨道板上表面温度高，下表面温度低，增大了轨道板下翘位移；对比负温度梯度和无温度梯度2种情况，表面上看负温度梯度对轨道板的最大翘曲位移影响不大，但两者出现最大翘曲位移的位置不同，负温度梯度使轨道板中部下翘，轨道板板边上翘，最大翘曲出现在脱空轨道板的中部，而在自重作用下的轨道板最大翘曲位移出现在板边处。

由图10可以看出，在负温度梯度的作用下，随着板下CA砂浆脱空距离的增加，纵连钢筋的最大拉应力不断增加，从163 MPa增加到331 MPa，增加了1倍多，但没有达到钢筋的屈服应力500 MPa，因为纵连钢筋在轨道板中间层偏下2.5 cm，在负温度的作用下，轨道板下部受拉，并且随着翘曲位移的增大，钢筋应力不断增大；相反，在正温度梯度的作用下，轨道板内纵连钢筋应力主要受压应力，但在宽接缝处纵连钢筋由于轨道板边下翘位移的不断增加，使得纵连钢筋受拉，但拉应力变化不大。

3Ⅱ型板式无砟轨道宽接缝开裂的修补时机

根据前文所述，宽接缝开裂长度的变化对轨道结构和纵连钢筋的受力影响不大，但开裂深度对轨道结构受力影响较大。当开裂深度大于125 mm时，伤损发展较为迅速，因此，裂缝深度的变化对修补的及时性要求最高。开裂深度小于50 mm时，轨道结构较稳定，可以不用进行修补；宽接缝开裂深度在50 ~125 mm时，轨道结构受力增加但比较缓慢；宽接缝开裂深度在125~200 mm时，轨道结构受力快速增加；且当深度超过166 mm时轨道板受力达2.76 MPa，此时混凝土已被拉坏。

尽管宽接缝沿横向长度的开裂不会影响无砟轨道结构的整体正常使用，但是宽接缝长度的开裂尤其当其长度超过1.35 m时，纵连钢筋裸露在空气中，雨水进入后可使板间纵连钢筋锈蚀速度的加快[9-10]，宽接缝开裂区域将成为薄弱区域，会对轨道结构的耐久性产生较大影响。

因此，参考宽接缝开裂区域裂缝大小对轨道结构受力安全性的影响，确定维修时机的缓急程度，考虑安全系数为2，建议将Ⅱ型板式轨道宽接缝开裂的维修标准等级分为3级，见表2。

表2Ⅱ型板式轨道宽接缝开裂维修级别建议值

Table 2 Suggested value of maintenance level for wide juncture cracking of Ⅱprefabricated slab

判定项目评定等级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级沿轨道垂向深度/mm≤2525~60≥60沿轨道横向长度/m≤0.50.5~1.0≥1.0

4结论

1)仅在列车荷载作用下，宽接缝的开裂对轨道结构受力的影响较弱；而在整体降温10 ℃的温度荷载作用下，开裂对轨道结构的受力影响最为不利。

2)宽接缝开裂深度(垂向)的变化对轨道结构受力影响最明显。当宽接缝开裂深度小于100 mm时，轨道结构和纵连钢筋受力的增加较为缓慢；当宽接缝开裂深度达到125 mm后，轨道结构受力产生一个突变，且之后轨道板，底座板和纵连钢筋的受力增加较快，轨道结构对宽接缝开裂较为敏感，最大应力出现在宽接缝附近；当开裂深度达到166 mm时，轨道板所受拉应力达到2.76 MPa，超过其抗拉极限，导致轨道板被拉坏，使轨道板带裂缝工作，影响正常使用，同时在列车荷载的反复作用下会影响行车安全；当开裂深度达到200 mm时，底座板所受拉应力达到3.05 MPa。

3)宽接缝开裂长度(横向)的变化对轨道结构受力影响不明显，但是当宽接缝开裂长度超过1.35 m时，纵连钢筋裸露在空气中，雨水进入后可使板间纵连钢筋锈蚀速度的加快，宽接缝开裂区域将成为薄弱区域，会对轨道结构的耐久性产生较大影响。

4)当宽接缝开裂和板下CA砂浆脱空时，正温度梯度增加了轨道板的最大翘曲位移，但对纵连钢筋所受拉应力影响不大；负温度梯度作用下轨道板的最大翘曲位移位置出现在脱空轨道板的中部，同时纵连钢筋所受拉应力增加1倍多，达到331 MPa，但并没有达到钢筋的屈服应力。

5)参考宽接缝开裂区域裂缝大小对轨道结构受力安全性的影响，提出了Ⅱ型板式轨道宽接缝开裂维修标准建议值。

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(编辑阳丽霞)

摘要:为分析CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝开裂对轨道受力性能的影响，以桥上Ⅱ型板式轨道为例建立计算模型，应用有限元法，计算分析在不同荷载作用下宽接缝的开裂对Ⅱ型板式轨道受力性能的影响。研究结果表明，整体降温条件下开裂对轨道结构的受力影响最大，正温度梯度增加了轨道板的最大翘曲位移；宽接缝开裂深度对轨道受力影响最为明显，当开裂深度达到200 mm时，底座板所受拉应力达到3.05 MPa；提出了Ⅱ型板式无砟轨道宽接缝开裂的修补标准建议值。

关键词：CRTSⅡ型板式轨道；宽接缝；温度荷载；维修标准

The study of influence on track stress caused by the cracking at wide juncture of CRTSⅡ prefabricated slab trackZHAO Lin， LIU Xueyi， ZHAO Huawei， DONG Jiajia

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：In order to analyze the influence of the cracking at wide juncture of CRTSⅡprefabricated slab track on slab track，the numerical model is setup. Through finite element method, different loads influence on slab track is calculated and analyzed. The result shows that the overall cooling has the largest influence on track structure stress and the positive temperature gradient increases the maximum warping displacement of track slab; the effect of the depth of cracking at wide juncture on track stress is the most obvious, and the tensile stress of bed slab will reach 3.05 MPa and the crack depth is 200 mm; the suggested value of maintenance standard for wide juncture cracking of CRTSⅡ prefabricated slab track has been provided.

Key words：CRTSⅡ prefabricated slab track; wide juncture; temperature load; maintenance standards

中图分类号：U213.9+12

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0009-06

通讯作者：刘学毅(1962-)，男，四川中江人，教授，博士，从事高速、重载轨道结构与轨道动力学的研究；E-mail:xyliv@home.swjtu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51208438)；高铁联合自然基金重点资助项目(U1424208)

收稿日期：*2015-06-07