CRTSⅡ型板式无砟轨道板间接缝张拉力学分析

刘志彬，丁晨旭，胡　佳，龚　闯，赵坪锐

（1.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；2.重庆市轨道交通设计研究院，重庆　404100）



CRTSⅡ型板式无砟轨道板间接缝张拉力学分析

刘志彬1，丁晨旭1，胡佳2，龚闯1，赵坪锐1

（1.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；2.重庆市轨道交通设计研究院，重庆404100）

摘要CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝伤损是一种较为普遍的病害，主要表现为冬季拉裂和夏季上拱。宽接缝作为轨道纵向连接的关键部位，出现伤损后会弱化轨道板之间的连接，可能会威胁到行车安全。本文建立CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元计算模型，分析了张拉施工工艺对轨道板的影响，并结合现场轨道结构伤损情况，从宽接缝设计原理出发对其施工过程进行受力分析，得出张拉荷载对轨道板各部件的影响。研究结果表明：全长粘结和端部套管2种工况中，纵向钢筋张拉作用对窄接缝混凝土产生的预压应力并不大，且分布不均匀，在抵抗温度力方面，效果不明显。

关键词CRTSⅡ型板式无砟轨道；宽接缝；张拉施工；伤损；连接

CRTSⅡ型板式无砟轨道系统是自下而上的连续结构。在轨道板下设置连续支承层或底座板，先进行轨道板单元铺设、浇筑砂浆层和填充窄接缝，再进行纵向连接。轨道板与轨道板之间通过宽接缝处的张拉锁件与轨道板内的纵向钢筋连接，再填充宽接缝混凝土，增强了相邻轨道板间的相互作用。但无砟轨道长期暴露在不同的气候条件下，受温度荷载和列车荷载的长期作用，产生了各种伤损，其中宽接缝伤损是CRTSⅡ型板式无砟轨道较为常见的伤损［1-2］。

CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板上设有预裂缝，目的是引导轨道板在温度荷载作用下沿“假缝”开裂。宽接缝处存在新旧混凝土交界面，新旧混凝土粘结能力并不强。降温时，宽接缝混凝土与轨道板混凝土之间可能会先于预裂缝开裂［3］，进而释放了温度应力，即预裂缝并未开裂，但出现了宽接缝伤损，与设计理念不符。宽窄接缝处伤损主要受温度荷载、宽窄接缝施工工艺的影响。针对宽接缝伤损问题，本文考虑轨道板张拉工艺，利用有限元软件建立计算模型［4］，对其受力状态进行了系统的研究，并提出施工优化方案［5］。

1　CRTSⅡ型板式无砟轨道板纵向连接施工

在轨道板纵向连接前，应先在窄接缝处浇筑混凝土，用于支撑纵向连接时轨道板间的张拉力。窄接缝的模板用长5 cm、厚7 cm的硬质泡沫塑料条，将其安装到轨道板窄接缝两端，浇筑完成后进行养护。

轨道板纵向钢筋张拉前，应保证CA砂浆的强度在9 MPa以上，窄接缝混凝土强度达到20 MPa。轨道板纵向连接应以施工单元段为基本段落，轨道板的纵向连接分批进行。靠近临时端刺240 m的常规区，轨道板属于过渡段，过渡段内轨道板在临时端刺未与下一施工单元纵向连接前只浇筑窄接缝混凝土，不进行张拉锁件及宽接缝浇筑施工，其余完成精调的轨道板可进行纵向连接施工。纵向连接施工步骤如下。

1）张拉锁件安装

清理板端预留钢筋→对轨道板板端钢筋涂抹润滑黄油→安装张拉锁件，每个宽接缝处安装6个→安装绝缘垫片→安装钢垫片→安装螺母，并拧紧。

2）张拉锁件的张拉

每个宽窄接缝设有6个张拉锁件，张拉顺序是首先张拉中间2个，然后从内向外对称张拉各1个（此组称为次外侧张拉锁件），最后张拉外侧的2个［6］。张拉时，每根纵向钢筋张拉力为50 kN。

在每一个施工单元段纵向连接中，施工顺序：①张拉中间的2个宽窄接缝（下文称中间缝）张拉锁件；②对称张拉靠近中间缝的2个宽窄接缝中间的2个张拉锁件，张拉步以2块轨道板阶梯进行；③当施工段完成6个宽窄接缝的中间张拉锁件后，再张拉中间缝的次外侧张拉锁件；④继续对称张拉外侧各2个中间缝的中间张拉锁件，并同步张拉②中的宽窄接缝次外侧张拉锁件；⑤当施工段完成6个宽窄接缝次外侧锁件的张拉后，张拉中间缝的外侧张拉锁件。依此类推，直到纵向连接施工段中的张拉连接完成。轨道板纵向钢筋连接张拉顺序如图1所示。

图1　轨道板纵向钢筋连接张拉顺序

2　计算模型和计算参数

利用ABAQUS选择实体单元对CRTSⅡ型板式无砟轨道建模，为消除边界效应，模型长度取4块板长。主要研究对象是宽接缝结构的受力状态。有限元计算模型如图2所示。

图2　有限元计算模型

为了减少计算量，模型中对计算结果影响不大的承轨台样式、轨道板端部形状、张拉锁件形状进行简化，张拉锁件有限元模型如图3所示。简化后的张拉锁件为图中内空长方体结构，在有限元计算中，将其嵌入宽接缝混凝土中。

图3　张拉锁件有限元模型

本文有限元计算中轨道板混凝土与宽接缝混凝土强度等级均为C55。支承层、CA砂浆和钢筋采用线弹性材料模拟。有限元模型部分参数见表1。

表1　有限元模型部分参数

3　宽接缝纵向施工受力分析

拧紧张拉锁件时，宽接缝两侧轨道板受拉，而预先浇筑的窄接缝混凝土会受到轨道板的挤压作用。单根纵向钢筋提供50 kN的拉力，张拉力可用降温进行模拟。等效公式为

式中：Δt为降温幅度；Δl为降温前后宽接缝长度变化量；l为宽接缝长度；α为线膨胀系数；F为张拉荷载；A为纵向钢筋截面面积；E为纵向钢筋弹性模量。

纵向钢筋对轨道板的起始作用位置可能有2种情况：①纵向钢筋作用范围是轨道板全长；②因在轨道板端部至第1个“假缝”之间预埋了套管，所以纵向钢筋在第1个预裂缝位置才对轨道板有张拉作用。为了方便对比，将2种情况分别定义为全长粘结、端部套管。

3. 1轨道板受力分析

轨道板应力如图4所示。

图4　轨道板应力（单位：MPa）

在全长粘结工况下，轨道板中最大拉应力为2. 85 MPa，而C55混凝土极限抗拉强度为2. 74 MPa［7］，混凝土会出现拉裂，可能引起轨道板伤损。纵向钢筋与轨道板的交接处出现应力集中。

在端部套管工况下，轨道板的最大拉应力为1. 53 MPa，小于混凝土抗拉极限强度。张拉施工过程中不会引起轨道板伤损。

3. 2轨道板纵向钢筋受力分析

纵向连接钢筋应力如图5所示。全长粘结工况中纵向钢筋最大拉应力为108. 7 MPa。应力较大区域均集中在宽接缝位置附近，轨道板内的纵向连接钢筋应力较小，说明在宽接缝处张拉施工过程中，纵向钢筋受力不均匀。而轨道板与钢筋交接处应力较大，钢筋与轨道板接触位置附近会产生损伤。在端部套管工况下，最大拉应力仅为38. 5 MPa。

图5　纵向连接钢筋应力（单位：MPa）

对比图5（a）和5（b）中纵向钢筋的受力情况可以看出：2种工况中作用在轨道板内的钢筋应力都不大，钢筋应力较大的区域主要集中在宽接缝处；端部套管工况中轨道板受力情况优于全长粘结工况。

3. 3宽接缝受力分析

宽接缝混凝土应力如图6所示。

图6　宽接缝混凝土应力（单位：MPa）

全长粘结工况中宽接缝混凝土受到的最大纵向压应力为1. 24 MPa，宽接缝内部的纵向应力分布不均匀，最大压应力多集中在边角处。而宽接缝的压应力是由轨道板施加的，故轨道板受到的纵向钢筋张拉力也是不均匀的。

端部套管工况中，宽接缝混凝土所受的压应力更小，最大值为0. 24 MPa，受力分布情况与全长粘结工况类似。

3. 4 CA砂浆受力分析

在CRTSⅡ型板式无砟轨道中，砂浆层起着填充、承力和传力的作用，是保证列车在高速运行下平稳、舒适的关键构件。在轨道板纵向连接时，轨道板受拉，砂浆层与轨道板之间的受力若超过其粘结强度就会出现损伤。砂浆层与轨道板之间的剪切粘结强度为0. 8 MPa［8］（界面破坏），拉伸粘结强度为1. 0 MPa（砂浆破坏）。

水泥乳化沥青砂浆层应力如图7所示。在轨道板纵向张拉连接过程中，CA砂浆是受拉的，而在宽接缝下部的砂浆层是受压的。全长粘结工况下，砂浆层最大拉应力为0. 29 MPa，最大压应力为0. 19 MPa，未超过砂浆层与轨道板之间的粘结强度。因此张拉后不会对轨道板与砂浆层的界面产生破坏。

图7　水泥乳化沥青砂浆层应力（单位：MPa）

端部套管工况下，砂浆层最大拉应力为0. 16 MPa，不会破坏轨道板与砂浆层之间的粘结状态。

4　结论

本文对宽接缝施工过程进行了受力分析，考虑不同的纵向钢筋张拉位置和不同的窄接缝混凝土浇筑顺序对轨道结构主要部位的影响，得到以下结论：

1）张拉纵向钢筋对窄接缝混凝土的预压效果不明显，张拉后纵向钢筋受力不均。对比分析2种工况发现，在宽接缝施工过程中，对6根纵向筋的张拉并不合理。

2）在全长粘结工况中，从张拉力角度来说，单根钢筋50 kN的张拉力可能会对轨道板产生局部损伤，建议减小张拉力。

3）2种张拉作用位置对窄接缝混凝土产生的预压应力并不大，且分布不均匀，在抵抗温度力方面并不会有太明显的效果；2种张拉作用位置均不会破坏轨道板与砂浆层之间的连接。

参考文献

［1］刘学毅，赵坪锐，杨荣山，等.客运专线无砟轨道设计理论与方法［M］.成都：西南交通大学出版社，2010

［2］赵国堂.高速铁路无砟轨道结构［M］.北京：中国铁道出版社，2006.

［3］何华武.京津城际铁路科技创新［J］.中国铁路，2009，11 （1）：12-18.

［4］江见鲸，陆新征.混凝土结构有限元分析［M］. 2版.北京：清华大学出版社，2013.

［5］李昌宁，戴宇，曹广. CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板预制与铺设技术［M］.北京：中国铁道出版社，2012.

［6］沪昆铁路客运专线江西有限责任公司. CRTSⅡ型板式无砟轨道施工作业指南［M］.北京：中国铁道出版社，2014.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民国家质量监督检验检疫总局. GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［8］赵坪锐. CRTSⅡ型板式无砟轨道温度变形与控制措施阶段性研究报告［R］.北京：中国铁路总公司，2014.

（责任审编郑冰）

第一作者：刘志彬（1990—），男，硕士研究生。

Tension Force Analysis of CRTSⅡSlab-type Ballastless Track Caused by Widening Joint Between Track Slabs

LIU Zhibin1，DING Chenxu1，HU Jia2，GONG Chuang1，ZHAO Pingrui1
（1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute，Chongqing 404100，China）

AbstractT he damage of wide joint in CRT SⅡslab-type track is common，including tension crack in winter and arch in summer. As the key part of CRT SⅡslab-type track，the wide joint will weaken the connection of track slabs and threaten the driving safety when it become serious. T his article analysed the effect of track slabs by the pull construction technology on basis of CRT SⅡslab-type track finite element model. Based on site track structure damage and the design principles of wide joint，the stress of construction process was analysed and the effect of tensile load on the components of slab-type track was deduced. T he results show that in the working condition of full-length bonding and casing pipe at end，the effect of tensioning longitudinal reinforcement on narrow joint is not obvious and stress distribution is uneven. T here is no significant effect on resistance to temperature force.

Key wordsCRT SⅡslab-type ballastless track；W ide joint；T ension construction；Damage；Connection

中图分类号U213. 2+44

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 15

文章编号：1003-1995（2016）05-0069-04

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-03-14

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB036202）；国家自然科学基金（U1434208）；中国铁路总公司科技研究开发计划（Z2013-G001；2014G001-A）

作者简介：赵坪锐（1978—），男，副教授，博士。