CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂对轨道受力的影响分析

赵华卫，任娟娟，赵　林，李　潇

(1.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；2.西南交通大学土木工程学院，成都　610031)



CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂对轨道受力的影响分析

赵华卫1，2，任娟娟1，2，赵林1，2，李潇1，2

(1.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；2.西南交通大学土木工程学院，成都610031)

摘要：为分析CRTSⅡ型板式无砟轨道假缝开裂对轨道受力性能的影响，以桥上Ⅱ型板式无砟轨道为例建立模型，应用有限元法，计算分析不同数量和不同深度的假缝裂缝在不同荷载作用下对Ⅱ型板式轨道受力性能的影响。结果表明，对比列车荷载和温度梯度的影响，正温度梯度作用下，假缝开裂对轨道结构的受力影响最大，裂缝深度小于200 mm时，裂缝处混凝土会发生局部受压破坏；裂缝深度达到200 mm时，开裂会导致底座板和砂浆层的连带破坏；随着开裂数量的增加，砂浆层和底座板的应力峰值减小。不同荷载作用下，假缝开裂都会导致裂缝处纵连钢筋应力的突变，但不会导致纵连钢筋的屈服破坏。

关键词：CRTSⅡ型板式轨道；假缝；有限单元法；温度荷载

CRTSⅡ型板式轨道是在引进德国博格板式无砟轨道基础上，经过消化、吸收、再创新而发展起来的一种新型轨道结构，在我国高速铁路系统中有着广泛的应用。CRTSⅡ型板为纵连结构，在温度荷载、桥梁伸缩及列车荷载反复作用下，CRTSⅡ型板式无砟轨道假缝位置易发生开裂。尽管CRTSⅡ型板设计理念允许假缝开裂，但在假缝开裂处，该截面成为了整个轨道结构的薄弱截面，其受力情况势必会发生改变，甚至有可能由于假缝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，对于CRTSⅡ型板假缝伤损的研究还较为缺乏，为此，本文利用有限元方法，对存在假缝开裂的CRTSⅡ型板式轨道进行力学分析，拟得到不同深度、不同数量的假缝裂缝及在不同荷载作用下对轨道结构受力的影响。

1计算模型及参数

1.1CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂计算模型

利用ANSYS有限元软件建立桥上纵连CRTSⅡ型板式轨道受力模型[1]，如图1所示。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；模型中对桥梁做适当简化，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[2]。

图1　桥上CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂受力简化模型

考虑到计算用时以及计算结果的收敛性，用弹性单元模拟混凝土，轨道结构在发生开裂的过程中，在裂缝处会释放一部分应力，使裂缝处的应力降低，弹性单元并不能很好地模拟裂缝产生的过程，这样就会出现应力过大的现象，使得裂缝处所算得的应力结果要高于结构的真实受力水平。本文主要分析假缝开裂后轨道结构受力的变化以及轨道结构是否会发生破坏，弹性单元在达到极限强度之前能反映实际受力情况，只是在破坏后不会分散应力使应力值减小，而这并不影响结构应力的变化以及对结构是否破坏的判断。

模型选取3块轨道板进行计算以消除边界效应，3块轨道板沿简支梁跨中对称布置，轨道板之间以6根纵连钢筋连接，如图2所示，取中间轨道板为研究对象[3-5]。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。模型采用生死单元模拟假缝开裂处混凝土，从而精确模拟不同位置，不同深度的裂缝。

图2　有限元模型

1.2计算参数

模型中钢轨采用CHN60钢轨；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3.55×104MPa，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7000 MPa；底座板宽度2.95 m，厚度0.19 m，C30混凝土弹性模量为3.55×104MPa，线膨胀系数10×10-6/℃，泊松比0.2；宽接缝处混凝土与轨道板相同，采用C55混凝土。

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[6]，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，本文采用常用温度梯度，45 ℃/m的正温度梯度和22.5 ℃/m的负温度梯度，列车荷载采用常用轮载150 kN，按单轴双轮加载[7]。

1.3计算工况

《高速铁路无砟轨道线路维修规则》规定，CRTSⅡ型板式无砟道床裂缝的Ⅱ级维修标准是0.3 mm[8]，因此在研究外荷载影响时，裂缝宽度统一取0.3 mm。考虑外荷载对假缝开裂产生的影响，外荷载有3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。

(1)研究假缝开裂数量的影响时，裂缝深度取为200 mm(裂缝深度贯穿轨道板)，裂缝开裂位置在轨道板中间。裂缝数量分别为0条(假缝处未开裂)、1条、3条。

(2 )研究假缝开裂深度的影响时，假设轨道板中间1条假缝发生开裂。裂缝深度分别为0、50、100、150、200 mm(裂缝深度贯穿轨道板)。

2假缝开裂对结构受力分布的影响

CRTSⅡ型板是纵连结构，假缝未开裂时，轨道结构均匀受力，假缝开裂后，结构将不再是均匀结构，受力分布也必然发生变化。本节计算中间假缝贯通开裂后，正温度梯度作用下，轨道板、砂浆层和底座板上表面中轴线处的应力变化，见图3。

由于假缝的存在，各结构表面应力波动较剧烈。假缝开裂导致了轨道板、砂浆层、底座板上的应力局部出现峰值，其中，轨道板和砂浆层应力峰值出现在假缝开裂位置，底座板应力峰值出现在裂缝两侧。由图3可以看出，由于开裂导致的应力峰值远远大于轨道结构其他位置处的应力，并且轨道结构的伤损和破坏也是由这些应力峰值决定的。所以在下文的分析中，重点考虑不同开裂工况下，各结构应力峰值的变化。

3假缝开裂数量对轨道结构受力的影响

本节在轨道结构不同外荷载作用时，改变假缝开裂数量，分析不同数量的裂缝对轨道结构受力的影响，对轨道结构进行力学分析。本节计算中考虑轨道结构的纵向应力，假缝开裂位置在轨道板中间，开裂深度为200 mm(裂缝深度贯穿轨道板)，开裂宽度取0.3 mm。

图3　轨道板、砂浆层、底座板上表面中轴线处应力变化

3.1列车荷载的作用

列车荷载作用在轨道板中间扣件位置。列车荷载作用下，轨道结构各部件(轨道板，砂浆层，底座板，纵连钢筋)主要承受拉应力作用。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图4所示。

图4　各结构受力变化(一)

在列车荷载的作用下，不同开裂数量下轨道板和底座板的最大应力基本不变，轨道板拉应力维持在0.44 MPa左右，底座板拉应力在0.48 MPa左右。而砂浆层的最大应力产生了较大变化，开裂1条时砂浆层的最大拉应力由0.01 MPa增大到0.52 MPa，开裂3条时增大到0.57 MPa。当假缝处发生开裂后，开裂位置钢筋应力发生突变，而且随着假缝开裂数量的增多，应力变化幅值降低，这是由于随着开裂数量的增加，钢筋应变向周边分散导致。当轨道板中间3条假缝发生贯通开裂时，中间假缝处钢筋应力下降较小，由158.22 MPa变至154.12 MPa，变化幅度为4.10 MPa；两侧的钢筋应力变化相对较大，由159.23 MPa变至153.11 MPa，变化幅度为6.12 MPa。

分析出现上述变化的原因，需要对假缝开裂前后轨道结构的传力情况加以分析，在列车荷载→钢轨→扣件→轨道板这条传力路径上，列车荷载施加在钢轨上，钢轨上的力通过扣件以点荷载的形式作用在轨道板上，再通过轨道板将力传递至下部结构，假缝开裂与否完全不会影响到扣件的传力，因此对轨道板受力影响非常小。但是假缝贯通开裂后，轨道板成为“宽轨枕”，不同位置处的扣件受力不均，因此各“宽轨枕”变形不一，导致纵连钢筋将会承担剪应力，同时假缝位置处的砂浆层也不同程度地承担剪应力。

由规范[9]可知，轨道板C55混凝土的抗拉强度为2.74 MPa，抗压强度为35.5 MPa；高弹模砂浆的抗拉强度为3.4 MPa左右，抗压强度为4.5 MPa[10]；纵连钢筋的屈服强度为500 MPa，可知轨道板、砂浆层和纵连钢筋都可以正常工作，底座板的抗拉强度为2.01 MPa，所以底座板也可以正常工作。

3.2正温度梯度作用

正温度梯度作用下，由于轨道板和砂浆层在正温度梯度作用下的外张趋势受阻，导致在裂缝处发生较大的变形，轨道板和砂浆层裂缝处由于裂缝面之间的相互挤压导致裂缝处产生较大压应力，出现应力峰值。底座板和纵连钢筋主要承受拉应力作用。轨道结构的最大应力和纵连钢筋应力如图5所示。

图5　各结构受力变化(二)

假缝没有开裂时，轨道板的最大压应力为30.50 MPa，未达到C55混凝土的抗压强度。开裂后轨道板压应力变小，而且随着开裂数量的增多，轨道板的最大应力呈减小的趋势。砂浆层和底座板最大应力在开裂后有所增大，但随着裂缝数量的增多，同样呈现减小的趋势。假缝开裂数量为1条和3条时，砂浆层的最大压应力分别为9.4 MPa和4.5 MPa，底座板的最大拉应力为4.24 MPa和2.93 MPa，超过了它们的极限强度，说明此时砂浆层和底座板已经发生了破坏。由于模型选用弹性单元，使得最大应力得以积累，实际结构开裂后，应力能得以释放而不会产生4.24 MPa的拉应力，这是模型的局限，但对本文的分析不会产生根本的影响。

假缝的开裂会造成假缝处纵连钢筋应力的突变。当1条假缝开裂时，开裂处的钢筋应力突变幅值为89 MPa；当有3条假缝开裂后，两侧裂缝处的钢筋应力突变幅值为101.2 MPa，中间裂缝处的钢筋应力突变幅值为51.2 MPa。纵向钢筋应力的下降是由轨道板在温度力作用下的相对位移以及轨道板翘曲对开裂处假缝的挤压造成的。随着假缝开裂数量的增多，钢筋应变向周边分散，使得应力突变幅值逐渐降低。而且由图5可以看出，假缝处周围钢筋应力下降的同时，其他位置处的钢筋应力却有一定程度的上升。这是由于假缝开裂后，假缝处钢筋应力向两侧钢筋转移导致的。

3.3负温度梯度作用

负温度梯度作用下，由于假缝开裂，使得轨道板和纵连钢筋的拉应力出现峰值，砂浆层和底座板压应力则发生较大变化。轨道结构(轨道板，砂浆层，底座板)的最大应力和纵连钢筋应力如图6所示。

图6　各结构受力变化(三)

假缝未发生开裂时，轨道板上最大拉应力为1.30 MPa。假缝的开裂使轨道板的受力减小，并且不同数量的假缝开裂，轨道板的最大拉应力基本相同，维持在1.20 MPa左右，轨道板不会破坏。砂浆层最大压应力在开裂后有所增大，但随着裂缝数量的增多，呈现减小的趋势。当1条假缝发生开裂时，砂浆层的最大压应力由0.82 MPa增大到3.80 MPa，当3条假缝发生开裂时，砂浆层的最大压应力减小为3.41 MPa。轨道板上假缝是否开裂以及开裂的数量对于底座板的受力基本没有影响，底座板上最大压应力维持3.95 MPa左右。砂浆层和底座板都能正常工作，不会破坏。

负温度梯度作用下，假缝开裂处钢筋也会发生应力突变。随着假缝开裂数量的增多，纵连钢筋应力突变幅值降低，特别是板中间假缝处的应力突变幅值降低明显，这同样是由于假缝开裂数量的增多导致应变向两边分散导致。钢筋应力没有达到500 MPa的屈服强度，钢筋可以正常工作。

4假缝开裂深度对轨道结构受力的影响

根据上节的分析，在正温度梯度45 ℃/m时，假缝的开裂对轨道结构受力最为不利。本节在轨道结构正温度梯度45 ℃/m作用下，改变假缝开裂深度，分析不同深度的裂缝对轨道结构受力的影响。本节计算中考虑轨道结构的纵向应力，假缝开裂宽度取0.3 mm。

由于轨道板和砂浆层在正温度梯度作用下的外张趋势受阻，导致它们主要承受压应力作用。底座板和纵连钢筋主要承受拉应力作用。轨道结构的最大应力和纵连钢筋应力如图7所示。

图7　各结构受力变化(四)

开裂后轨道板最大压应力出现在假缝开裂位置。开裂使得轨道板裂缝处的最大压应力由30.52 MPa增大到44.15 MPa，超过了C55混凝土抗压强度标准值35.5 MPa，这是由于开裂使得轨道板的变形增大，在轨道板裂缝底端微小的接触面上产生了较大的压应力。当裂缝深度没有达到200 mm(裂缝深度贯通轨道板)时，随着裂缝深度的增加，轨道板变形趋势变大，轨道板压应力也随之增加，此时开裂会使得假缝处混凝土发生局部破坏。当假缝处裂缝深度达到200 mm时，轨道板的最大压应力突然减小至28.9 MPa，此时轨道板不会继续破坏。砂浆层和底座板开裂后最大应力增大，而且随着开裂深度的增加，最大应力也随之增大。开裂深度为150 mm时，砂浆层最大压应力为3.22 MPa，底座板最大拉应力为2.68 MPa，没有达到它们的屈服强度。但裂缝深度达到200 mm时，砂浆层和底座板应力急剧增长，砂浆层最大压应力达到9.4 MPa，底座板最大拉应力达到4.24 MPa，说明贯通开裂后，砂浆层和底座板已经发生破坏。

在裂缝深度小于100 mm范围内，假缝处纵连钢筋应力变化幅度较小，裂缝深度为100 mm时，变化幅度为15 MPa；当裂缝深度超过125 mm时，纵连钢筋应力变化较大，这是由于当裂缝深度超过125 mm，裂缝处混凝土退出工作，开裂截面上仅有纵连钢筋承担应力。开裂深度150 mm时，钢筋应力由162.8 MPa突变到95.6 MPa，突变幅度为67.2 MPa；开裂深度200 mm(贯通开裂)时，钢筋应力由170.3 MPa突变到81.2 MPa，突变幅度为89.1 MPa，远没有达到纵连精轧螺纹钢筋的屈服强度500 MPa，但纵连钢筋裸露在空气中，雨水进入裂缝后会使纵连钢筋锈蚀速度加快[11-12]，影响其耐久性。

5结论

通过建立桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道静力学模型，假设假缝处发生了开裂，分析了裂缝出现后轨道结构各部件的应力变化，得出了以下结论。

(1)正温度梯度作用下，假缝开裂对轨道结构受力的影响最为不利，当裂缝深度未达到200 mm(贯穿轨道板)时，轨道板裂缝处会发生受压破坏。裂缝深度达到200 mm时，开裂数量为1条和3条时，砂浆层的最大压应力达到9.4 MPa和4.5 MPa，底座板的最大拉应力达到4.24 MPa和2.93 MPa，说明假缝的开裂导致了砂浆层和底座板的连带破坏。

(2)随着裂缝深度的增加，轨道结构的受力在增加，当裂缝达到200 mm(贯穿轨道板)时，轨道板的应力会突然降低，而砂浆层和底座板的应力会急剧增加，例如，当裂缝深度由150 mm贯穿轨道板厚度时，轨道板压应力由50.2 MPa减小到28.9 MPa，砂浆层压应力由3.22 MPa增加到9.4 MPa，底座板拉应力由2.86 MPa增加到4.24 MPa。考虑开裂数量的影响，温度荷载作用时，随着开裂数量的增加，轨道板的最大应力没有明显变化，而砂浆层和底座板的受力有所减小。

(3)假缝的开裂会导致纵连钢筋应力的突变，当裂缝深度超过125 mm后，在假缝开裂截面上仅有纵连钢筋承担应力，钢筋应力的变化幅度迅速增加。综合对比正温度梯度、负温度梯度和列车荷载作用对纵连钢筋受力性能的影响，正温度梯度的影响最大，列车荷载的影响最小，但都不会使钢筋应力达到其屈服强度，钢筋都能正常工作，但假缝的开裂必然导致纵连钢筋锈蚀速度的加快，假缝开裂区域也成为薄弱区域，会对轨道结构的耐久性产生较大影响。

参考文献：

[1]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

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The Impact of Dummy Joint Cracking in CRTSⅡSlab Track

ZHAO Hua-wei1，2， REN Juan-juan1，2， ZHAO Lin1，2， LI Xiao1，2

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：In order to analyze the impact of the dummy joint cracking on CRTSⅡ slab track， the model of CRTS II slab track on bridge is built. Through finite element method， the influences of different quantity and depth of the dummy joint cracking on CRTS II slab track under different loads are calculated and analyzed. The results show that the track structure is most adversely affected under positive temperature gradient in comparison so far as train load and temperature gradient are concerned. When the crack depth is less than 200mm， the local concrete at the crack fails under pressure. When the crack depth reaches 200mm， the cracking will lead to the destruction of the concrete base and the mortar layer. With the increase of the cracking， the maximum stress of the concrete base and mortar layer decreases. The cracking of the dummy joint will result in prompt change of reinforcing bar stress， but not in the yield failure of the longitudinal reinforcing bar．

Key words：CRTSⅡslab track; Dummy joint; Finite element method; Temperature load

中图分类号：U213.9+12

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.007

文章编号：1004-2954(2016)04-0025-05

作者简介：赵华卫(1992—)，男，硕士研究生，E-mail：1719166653@qq.com。

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划(2015G001-F)，国家自然科学基金(51208438，51278431)

收稿日期：2015-08-19； 修回日期：2015-08-29