宽窄接缝破损对CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路受力的影响

高　亮，刘亚男，钟阳龙，尤明熙，辛　涛

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京　100044）



宽窄接缝破损对CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路受力的影响

高亮，刘亚男，钟阳龙，尤明熙，辛涛

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

摘要现场调研表明，CRTSⅡ型板式无砟轨道宽窄接缝处存在严重破损情况，极大地影响轨道结构的受力和变形。为了明确宽窄接缝破损的影响，本文基于有限元理论，利用ANSYS软件建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路计算模型，研究了温升和持续高温荷载作用下，宽、窄接缝分别破损对无缝线路受力和变形的影响。研究结果表明：在温度荷载作用下，与宽窄接缝完好时相比，宽窄接缝破损造成钢轨受力和变形增大，钢轨的垂向不平顺较为明显；宽窄接缝破损处两侧轨道板与砂浆层脱粘，轨道板出现上拱，并在持续高温作用下脱粘范围向板中蔓延，上拱位移不断增大。其中，宽接缝完全破损时脱粘长度可达到1. 438 m，上拱位移达到0. 612 mm，窄接缝完全破损时脱粘长度可达到1. 625 m，上拱位移达到1. 438 mm；宽窄接缝破损处的纵向压应力较大，超过混凝土抗压强度，导致混凝土被挤碎，破损程度加剧。

关键词CRTSⅡ型板式轨道；宽窄接缝；破损

CRTSⅡ型板式无砟轨道是我国高速铁路的主要轨道结构形式，由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、水泥乳化沥青砂浆层、底座板（或支承层）等部分组成［1］。轨道板之间通过6根φ20精轧螺纹钢筋进行纵向连接，形成纵连结构体系。两块轨道板间通过现浇混凝土进行连接，称为宽窄接缝。季节变换时期，气温昼夜温差加大，轨道板内温度应力骤然变化，导致轨道板内应力极度不均，从而造成宽窄接缝反复拉压受力而破损。此外，板间接缝质量不达标或接缝张拉锁件安设不标准时，也会加剧接缝处发生挤碎现象。宽接缝破损如图1所示。若轨道结构温度升高，宽窄接缝破损使得轨道板处于一种偏心受压状态，会引起轨道板出现上拱，导致线路不平顺，甚至危及行车安全。目前，国内外对于轨道板与宽接缝界面开裂研究较多［2-4］，仅有少量关于板间接缝伤损维修整治的探索［5-6］，缺乏宽窄接缝破损对轨道结构受力变形影响的研究，故本文针对宽窄接缝破损进行研究。

图1　宽接缝破损

本文通过ANSYS有限元软件，建立CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路分析模型，计算分析了温度荷载作用下，宽窄接缝破损对无砟轨道无缝线路受力变形的影响，为宽窄接缝破损的整治维修提供理论基础。

1　有限元模型

1. 1计算模型及参数

基于弹性地基梁体理论与有限元方法［7］，建立路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路模型，见图2。钢轨看作无限长点支承梁，采用Beam 188梁单元模拟；扣件可等效为线性弹簧；轨道板、支承层形状比较规则，计算时离散为八节点的六面体实体单元；路基采用连续均匀的线性弹簧模拟，其刚度由地基系数等效得到。为了模拟水泥乳化沥青砂浆层与轨道板脱粘产生与发展情况，采用杆单元模拟砂浆层的竖向粘结及支撑作用。宽窄接缝破损的模拟则采用生死单元法杀死破损部分。轨道结构计算参数如表1所示。

图2　弹性地基梁体力学模型

表1　无砟轨道无缝线路计算参数

1. 2计算假定及荷载条件

计算时仅考虑温度荷载的作用，取钢轨升温65℃，无砟轨道升温45℃。假设宽窄接缝的破损贯穿轨道板整个宽度方向，计算时取宽、窄接缝分别无破损、部分破损和完全破损3种工况。图3为破损示意。建模时考虑到纵连板式无砟轨道为连续结构，取15块轨道板长度，模型的端部采用固定约束，计算结果取中间轨道板，可忽略边界的影响。在模拟路基的弹簧底部时约束3个方向的自由度，使其符合CRTSⅡ型板式轨道的实际边界情况。

图3　接缝破损图示

2　宽接缝破损结果及分析

2. 1温升作用下破损的分析

计算时选取宽接缝无破损、部分破损以及全部破损3种工况进行对比分析，计算结果如图4以及表2所示。

图4　宽接缝钢轨与轨道板纵向应力及位移

表2　无砟轨道应力及变形的计算结果

由计算结果可知，宽接缝的破损影响了轨道板的连续性，造成了钢轨、轨道板、支承层受力变形在破损附近出现突变。在温升荷载作用下，相较于宽接缝完好时，宽接缝破损将造成钢轨在破损宽接缝处下沉，破损附近短距离内上拱，纵向力增大，且随破损程度的加剧，计算结果增大，钢轨的垂向不平顺更为明显。同未破损时相比，破损宽接缝处位移下沉，附近的轨道板板端垂向位移增大，出现上拱，并随着破损程度的加剧而增大，部分破损时上拱位移为0. 326 mm，完全破损时为0. 359 mm。

随着宽接缝破损程度加剧，宽接缝破损周围的轨道板、支承层应力随之增大，其余位置应力则没有变化。温度荷载作用下，无破损、部分破损及完全破损时轨道板压应力分别为16. 3，32. 7，49. 2 MPa。由于轨道板和宽窄接缝为C55混凝土，抗压强度为35. 5 MPa，宽接缝破损处的压应力已经接近或已达到了混凝土的抗压强度，会导致宽窄接缝处混凝土挤碎，加重伤损。此外，宽接缝破损时轨道板板端处的砂浆层应力增大，部分破损和完全破损时其最大值分别为0. 74 MPa 和1. 87 MPa，接近或超过砂浆的粘结能力0. 18～0. 78 MPa［8］（本文取0. 5 MPa），致使砂浆层与轨道板板端产生脱粘，进而会导致轨道板的上拱位移增大。

2. 2持续高温作用下的分析

由上述计算知，宽接缝完全破损时轨道板与砂浆层将产生脱粘，计算分析持续高温荷载的影响时，采用荷载步分阶段施加持续温度荷载。本文2个荷载步为1个阶段，只计算了6个阶段。计算时用生死单元法杀死脱粘的砂浆层杆单元，并利用ANSYS重启动分析方法在上一步的计算结果上继续进行计算［9-10］。

持续高温荷载作用，宽接缝完全破损状态下无砟轨道无缝线路第6阶段垂向位移如图5所示，轨道板与砂浆层脱粘长度计算结果如图6所示，无砟轨道无缝线路受力变形计算结果如图7所示。由计算结果可知，持续高温作用下，宽接缝附近轨道板与砂浆层之间脱粘开裂范围不断增大，导致轨道板板端上拱范围及位移也增大。在持续加温的第6阶段，脱粘长度达到1. 438 m，上拱位移达到0. 612 mm。

图5　第6阶段轨道板垂向位移（单位：m）

图6　轨道板与砂浆层脱粘长度计算结果

图7　宽接缝无砟轨道无缝线路受力变形计算结果

当无砟轨道出现宽接缝破损时，在持续高温荷载作用下，宽接缝破损处周围钢轨最大纵向力、垂向位移不断增大，钢轨的垂向不平顺明显增加。宽接缝破损周围轨道板的最大纵向应力不断增大，轨道板的最大垂向位移也增大，并且砂浆层与轨道板板端脱粘范围不断扩大，上拱范围及位移也不断增大。在持续温升荷载作用下，轨道板未破损部分的压应力超过抗压强度，也会被压碎，增大破坏范围。此外，随着脱粘长度的增大，破损周围轨道板对支承层影响减小，宽接缝破损周围支承层的最大纵向应力减小。

3　窄接缝破损结果及分析

3. 1温升作用下破损的分析

计算时选取窄接缝无破损、部分破损以及全部破损3种工况进行对比分析，计算结果如图8以及表3所示。从计算结果可以看出，窄接缝破损影响了轨道板连续性，造成了钢轨、轨道板、支承层受力变形在破损附近出现突变。

图8　窄接缝钢轨与轨道板纵向应力及位移

表3　无砟轨道应力及变形计算结果

在温度荷载作用下，相较于窄接缝完好时，窄接缝发生破损后，钢轨纵向力增大，但是增大幅度较小；钢轨垂向位移在破损宽接缝处出现上拱，板端附近出现下沉，垂向不平顺较为明显。

与窄接缝完好时相比，破损窄接缝处的轨道板板端垂向位移增大，出现上拱，并且随着破损程度的加剧而增大，部分破损时上拱位移为0. 369 mm，完全破损时为0. 513 mm。支承层位移也随着窄接缝破损程度的加剧而增大。

在温度荷载作用下，随着窄接缝破损程度的增加，在窄接缝破损周围轨道板、支承层的最大应力随之增大，其余位置应力则没有变化。温度荷载作用下，无破损、部分破损及完全破损时，轨道板压应力分别为16. 3，44. 3，65. 6 MPa。由于轨道板和宽窄接缝为C55混凝土，抗压强度为35. 5 MPa，窄接缝破损处的压应力已经接近或已达到了混凝土的抗压强度，会导致窄接缝处混凝土挤碎破损，加重伤损。

窄接缝破损时轨道板板端处的砂浆层应力增大，部分破损和完全破损时其最大值分别为1. 27 MPa和3. 28 MPa，超过砂浆的粘结能力0. 18～0. 78 MPa（本文取0. 5 MPa），致使砂浆层与轨道板板端脱粘，进而导致在温升作用下轨道板板端出现上拱。

3. 2持续高温作用下的分析

在持续高温作用下，窄接缝破损状态下无砟轨道无缝线路第6阶段垂向位移如图9所示，轨道板与砂浆层脱粘长度计算结果如图10所示，无砟轨道无缝线路受力变形计算结果如图11所示。

由上面计算结果可以看出，持续高温荷载作用下，窄接缝破损两侧轨道板与砂浆层之间脱粘开裂范围不断增大，逐渐向板中蔓延。轨道板连同宽接缝出现上拱现象，并且随着轨道板与砂浆层脱粘范围的慢慢扩大，上拱范围及上拱位移也不断增大。在持续加温的第6阶段，脱粘长度达到1. 625 m，上拱位移达到1. 438 mm。

无砟轨道出现窄接缝破损，在持续高温荷载作用下，窄接缝破损处周围钢轨最大纵向力、垂向位移不断增大，钢轨的垂向不平顺继续增大，钢轨垂向位移最大达到0. 703 mm。窄接缝破损周围轨道板的最大纵向压应力不断增大，破损处的宽接缝拉应力也不断增大，轨道板的最大垂向位移也增大。在持续温升荷载作用下，破损处的宽接缝压应力持续增大，且超过其抗压强度被压碎，增大破坏范围。破损处的宽接缝拉应力最大值也达到了36. 9 MPa，超过了其抗拉强度。此外，窄接缝破损周围支承层的最大纵向应力不断减小，垂向位移先增大然后减小。这是因为轨道板与砂浆层的脱粘范围在不断增大，轨道板的上拱对支承层的影响开始减小，当脱粘长度达到0. 650 m时，支承层的最大垂向位移开始减小。

图9　第6阶段轨道板垂向位移（单位：m）

图10　轨道板与砂浆层脱粘长度计算结果

图11　窄接缝无砟轨道无缝线路受力变形计算结果

4　结论

基于弹性地基梁体理论以及有限元方法，建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路模型，系统研究了温度荷载作用下宽、窄接缝破损对无砟轨道无缝线路结构的影响，得到如下结论与建议。

1）在温度荷载作用下，与宽接缝未破损时相比，宽接缝破损使得钢轨受力、垂向位移增大，钢轨的垂向不平顺较为明显；宽接缝破损处周围轨道板与砂浆层脱粘，轨道板板端附近出现上拱，并在持续高温作用下向板中蔓延。计算结果表明，持续高温作用下，轨道板与砂浆层脱粘长度可达到1. 438 m，上拱位移达到0. 612 mm。此外，宽接缝破损处混凝土的纵向压应力增大，超过混凝土的抗压强度，导致宽接缝处混凝土挤碎破损，伤损加重。

2）在温度荷载作用下，窄接缝破损使得钢轨受力、垂向位移增大，钢轨的垂向不平顺较为明显；窄接缝破损导致两侧轨道板与砂浆层脱粘，轨道板连同宽接缝出现上拱，并在持续高温作用下向板中蔓延。计算结果表明，持续高温作用下，轨道板与砂浆层脱粘长度可达到1. 625 m，上拱位移达到1. 438 mm。此外，窄接缝破损处混凝土的纵向压应力增大，超过混凝土的抗压强度，其余混凝土会被挤碎。窄接缝破损处出现拉力，且不断增大，超过混凝土的抗拉强度，混凝土从上面被拉裂。

3）根据宽、窄接缝破损对CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的影响，建议对宽、窄接缝破损病害及时进行整治维修，并考虑温度荷载的影响，提出最佳的养护维修时机。

参考文献

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［10］龚曙光，谢桂兰，黄云清. ANSYS操作命令与参数化编程［M］.北京：机械工业出版社，2004.

（责任审编赵其文）

Influence of Damage of Wide and Narrow Joints on Mechanical Performance of CRTSⅡSlab-type Ballastless Track CWR

GAO Liang，LIU Yanan，ZHONG Yanglong，YOU Mingxi，XIN Tao
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

AbstractField research demonstrated that there were some serious damages of wide and narrow joints in CRT SⅡslab-type ballastless track，which greatly influenced the stress and deformation of track structure. In order to ascertain the effect of the wide and narrow joint damage，a CW R（Continuous W elded Rail）computing model of CRT SⅡslab-type ballastless track on the subgrade was built by the finite element method theory and ANSYS software，and the effect of wide and narrow joint damage on the stress and deformation of CRT SⅡslab-type track CW R under the condition of temperature rise and continuous high temperature was discussed respectively. T he results show that the rail stress and deformation due to the wide and narrow joint damage increase and rail vertical irregularity is obvious under temperature load compared with the intact joints，the joint damage causes debonding between track slab and CA mortar and the arching of track slab，the debonding spreads to the center slab and the displacement of arching increases under continuous high temperature. Debonding length is 1. 438 m and the displacement of arching is 0. 612 mm when wide joint is completely damaged，while debonding length is 1. 625 m and the displacement of arching is 1. 438 mm when narrow joint is completely damaged，the longitudinal compressive stress at joint damage is large，the concrete will be crushed and the damage will be more serious when stress exceed the concrete compressive strength.

Key wordsCRT SⅡslab-type ballastless track；W ide and narrow joint；Damage

中图分类号U213. 2+44

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 13

文章编号：1003-1995（2016）05-0058-06

收稿日期：2015-12-31；修回日期：2016-03-01

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划（2014G001-F，2012G008-A，Z2013-G001）

作者简介：高亮（1968—），男，教授，博士。