温度作用下桥上CRTSⅡ型轨道离缝及变形分析

周敏，戴公连，闫斌

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

温度作用下桥上CRTSⅡ型轨道离缝及变形分析

周敏1，戴公连2，闫斌2

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

采用实体单元模拟轨道结构、接触单元模拟层间约束关系、仅受压的杆单元模拟桥梁对轨道的支撑和非线性弹簧单元模拟扣压型侧向挡块的约束作用，建立高速铁路简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构空间有限元模型，采用相关文献案例验证本模型的准确性，分析温度作用下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝发展规律及变形。研究结果表明：整体升温对轨道板与砂浆层界面纵向剪应力影响较大，温度越高，纵向剪应力越大，但在正常使用范围内，界面不会发生纵向剪切破坏；温度梯度主要引起界面竖向拉裂破坏，进而产生砂浆离缝，离缝从轨道板边缘开始出现，在正负温度梯度交替作用下，沿横向深度加深，深度可达50 cm；当界面黏结强度为0.02 MPa时，砂浆离缝产生的临界正温度梯度为5.3℃，临界负温度梯度为-4.8℃，且二者呈线性关系，黏结强度越高，临界温度梯度越大。轨道板板端接缝缺陷引起接缝位置及纵向一定范围内界面拉裂破坏，沿横向贯通，导致砂浆离缝和轨道板板端上拱；提高砂浆层施工质量和加强轨道板板端接缝施工控制有利于抑制砂浆离缝和轨道板上拱变形。

高速铁路；简支梁；无砟轨道；砂浆离缝；有限元分析；温度梯度

桥上CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道结构在我国京津城际、京沪和沪昆等高速铁路线上得到了广泛应用[1]，由于其轨道板和底座板纵向连续，当环境温度发生变化时，纵连的轨道结构中存在巨大的轴向力。此外，在太阳辐射及对流换热的作用下，轨道板和底座板竖向还存在着非线性温度梯度，导致轨道结构承受着较大的弯矩作用，进一步削弱了轨道结构的竖向稳定[2]。对我国某高速铁路线上CRTSⅡ型板式无砟轨道的现场调查发现，多处工点轨道板与砂浆层之间出现了不同程度的离缝；个别工点轨道板板端接缝部位甚至出现不同程度的上拱变形，直接影响列车运行的安全舒适。无砟轨道结构的界面离缝和变形问题已受到国内学者的广泛关注[3～8]，如刘钰等[3]对CRTSⅡ型轨道结构早期离缝产生的原因进行了分析，王雪松等[4]提出了几点抑制CRTSⅡ型轨道结构砂浆离缝的技术措施，王继军等[5]对单元板式无砟轨道结构轨道板翘曲变形进行了分析与现场测试。但现有研究多针对于路基上轨道结构，其计算模型并不适用于桥上CRTSⅡ型无砟轨道；所采用的温度梯度荷载仅通过短期试验获得，难以反映现实情况。本文针对既有研究中的不足，采用接触单元模拟层间非线性约束关系，建立简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道空间有限元模型，基于课题组前期研究中获得的桥上无砟轨道非线性温度荷载模式[9-10]，研究温度作用下，轨道板板端部位上拱变形及砂浆离缝，并探讨关键参数的影响。

1 桥上CRTSⅡ型轨道结构体系

以高速铁路双线32 m简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为例，其轨道结构主要由钢轨、轨道板、砂浆层、底座板及滑动层组成，如图1所示，通过在梁面和底座板间设置摩擦系数极小的滑动层来减小桥梁伸缩变形对轨道结构的影响；在桥上固定支座处设置剪力齿槽和锚固螺栓保证轨道结构与桥梁纵向的可靠连接[11-13]。

图1 简支梁桥上CRTSⅡ型轨道截面示意图Fig.1 Section of CRTSⅡtrack on simply-supported beam

为了提高轨道结构的竖向稳定性，沿纵向两侧设置扣压型侧向挡块，侧向挡块通过预埋件与梁体相连，如图2所示。

单位:mm图2 扣压型侧向挡块布置图Fig.2 Layout of pigeonhole type lateral blocks

2 有限元模型及计算参数

基于大型通用有限元软件ANSYS建立32 m简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构空间有限元模型。将简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构分析模型简化成长度为32.7 m(约为连续5块轨道板长度)、两端固结的实体模型，见图3。

单位:m(a)纵向受力体系；(b)约束关系图3 简支梁桥上CRTSⅡ型轨道结构分析模型Fig.3 Analysis model of CRTSⅡtrack structure on simply-supported beam bridges

其中，轨道板、砂浆层和底座板采用实体单元模拟，主要计算参数如表1所示。

表1 轨道结构计算参数Table 1 Calculation parameters of track structure

轨道板与砂浆层、砂浆层与底座板之间的接触关系采用面-面接触单元模拟：法向接触刚度取砂浆的竖向抗压刚度2 000 N/mm3，接触分离刚度取接触面的抗拉刚度232.6 N/mm3，砂浆层的切面刚度为0.05 N/mm3，层间摩擦因数取0.35。

根据2003年德国博格公司的现场试验数据[11]，轨道板与砂浆层界面所能承受纵向极限剪应力为0. 025 MPa；基于现场试验数据，界面所能承受的竖向极限抗拉强度为0.020 MPa。

采用仅受压的杆单元模拟桥梁对轨道结构的支撑作用；采用非线性弹簧单元模拟侧向挡块对底座板的约束作用。侧向挡块为普通钢筋混凝土结构，设计容许混凝土开裂，开裂后不考虑混凝土抗拉强度，其竖向刚度主要由受拉钢筋提供，采用理想弹塑性模型，图4所示。

图4 竖向抗拉刚度力学模型Fig.4 Mechanical model of vertical tensile stiffness

参照文献[3]，分析温度梯度作用下桥上轨道板温度翘曲变形，计算得到：当竖向温度梯度为81.375 ℃/m时，轨道板温度最大翘曲变形为0.450 mm；温度梯度取-40.600 ℃/m时，最大温度翘曲变形为0.401 2 mm；与文献[3]实测结果比较相差分别为4.2%和1.9%，验证了本有限元模型的有效性。

温度荷载包括整体升降温和竖向非线性温度梯度，本文所采用的竖向非线性温度梯度为课题组前期研究得到我国中部地区桥上CRTSⅡ型轨道结构温度梯度荷载模式[10]，如图5所示。

图5 竖向温度梯度荷载模式Fig.5 Load mode of vertical temperature gradient

3 砂浆离缝机理及影响因素分析

3.1 砂浆层离缝产生机理

温度作用下，由于轨道板与砂浆层之间材料性能的差异，界面上存在纵向的剪应力和竖向的正应力：界面上的剪应力大于其极限剪应力时，界面则被剪切破坏；界面上的拉应力大于其极限拉应力时，界面则被拉裂破坏。轨道板与砂浆层界面的破坏导致砂浆离缝的产生。

整体升温作用下，轨道板与砂浆层界面竖向拉应力变化不大，且均在0.020 MPa以下，界面不会产生竖向拉裂破坏，但温度升高，界面上的纵向剪应力却不断增大。当轨道结构升温到82 ℃时，界面上部分区域的剪应力达到极限剪应力，界面开始滑移，主要集中在轨道板边缘，如图6所示。证明正常使用状态下，轨道板与砂浆层界面不会发生纵向剪切破坏。

图6 整体升温82 ℃界面接触状态Fig.6 Interface contact state overall temperature 82 ℃

正温度梯度作用下，界面上纵向最大剪应力仅为0.001 2 MPa，界面不会发生剪切破坏，但竖向正应力(拉应力为正，压应力为负)却较大，其分布云图如图7所示。

单位:MPa图7 正温度梯度作用下界面竖向正应力Fig.7 Interface vertical normal stress under positive temperature gradient

界面上大部分区域的竖向正应力在0.02 MPa以下，而在轨道板整个边缘区域(深度约为20 cm)拉应力大于0.020 MPa(图7中灰色区域)，沿线路纵向连续。轨道板边缘因界面竖向拉裂破坏，进而产生离缝，计算结果与现场调查情况相吻合。

负温度梯度作用下，界面纵向最大剪应力仅为0.000 99 MPa，界面不会发生纵向剪切破坏，但竖向正应力较大，其分布云图如图8所示。

单位:MPa图8 负温度梯度作用下界面竖向正应力Fig.8 Interface vertical normal stress under negative temperature gradient

界面上大部分区域的竖向正应力在0.020 MPa以下，而在轨道板距边缘约为20～50 cm区域，拉应力大于0.020 MPa，沿纵向连续，另外在侧向挡块位置，轨道板中间部分区域拉应力超过0.020 MPa(图8中灰色区域)，这些区域的界面出现拉裂破坏。

以上分析表明，轨道结构整体升温对界面的纵向剪应力影响较大，但在一定温升范围内，界面不会发生纵向剪切破坏；温度梯度主要引起界面竖向拉裂破坏，进而产生砂浆离缝，离缝从轨道板边缘开始出现，沿纵向基本一致，正负温度梯度交替作用下，离缝沿横向加深；在极端温度梯度作用下，离缝横向深度达到50 cm。

3.2 主要影响因素分析

由于砂浆层现场大面积铺设，砂浆层施工质量差异较大，导致轨道板和砂浆层界面黏结强度离散性较大。本文研究不同黏结强度下，轨道板边缘开始产生砂浆离缝的临界温度梯度，见图9。

(a)正温度梯度；(b)负温度梯度图9 砂浆层离缝产生的临界温度梯度Fig.9 Critical temperature gradient of mortar gap

由图9可知，随着轨道板与砂浆层界面黏结强度的提高，砂浆层产生离缝的临界温度梯度增大，且二者几乎呈线性变化；相同的黏结强度条件下，负温度梯度作用更容易产生砂浆离缝；当界面黏结强度为0.02 MPa时，砂浆离缝产生的临界正温度梯度为5.3 ℃，临界负温度梯度为-4.8 ℃。

由此可见，砂浆层的施工质量对离缝的产生影响很大，施工质量越差，即黏结强度越低，越容易产生砂浆离缝。

4 轨道板竖向变形分析

CRTSⅡ型板式无砟轨道长期暴露在自然环境下，在环境与列车的反复作用下，可能出现损伤及劣化。现场调研发现，由于板端宽、窄接缝分2阶段浇筑，受施工控制精度、收缩差异等因素的影响，部分轨道板存在宽接缝顶紧、窄接缝裂开的情况。

采用刚度折减的方法来模拟轨道板接缝缺陷，取窄接缝刚度折减90%进行计算。考虑整体升温20℃和极端正温度梯度作用，轨道结构无缺陷和有缺陷时的竖向变形分别见图10。

轨道结构无缺陷时，轨道板中间部位的竖向变形较大，沿纵向基本一致，最大竖向变形为0.66 mm。考虑轨道板接缝缺陷之后，轨道板的竖向变形发生了较大变化，轨道板板端的竖向变形增大，最大值达到1.01 mm，此时，轨道板与砂浆层界面的竖向正应力如图11所示。

单位:mm(a)无缺陷时轨道竖向变形；(b)有缺陷时轨道竖向变形图10 缺陷对轨道结构竖向变形的影响Fig.10 Impact of the defect on vertical deformation of track structure

单位:MPa图11 轨道结构有缺陷时界面竖向正应力Fig.11 Interface vertical normal stress of track structure with the defect

轨道板接缝位置及纵向一定范围内界面上的竖向拉应力超过极限拉应力(图11中灰色区域)，这些区域的界面将发生拉裂破坏，并沿横向贯通，进而导致轨道板板端上拱。

5 结论

1)轨道结构整体升温对轨道板与砂浆层界面上的纵向剪应力影响较大，温度越高，界面上的纵向剪应力越大，但在正常环境条件下，界面并不会发生纵向剪切破坏。

2)温度梯度是引起界面竖向拉裂破坏并产生砂浆层界面离缝的主要原因。正负温度梯度交替作用下，界面离缝从轨道板边缘向内发展，极端温度梯度作用下离缝深度可达50 cm。

3)随着界面黏结强度的提高，产生界面离缝的临界温度梯度增大，且二者呈线性关系；当界面黏结强度为0.02 MPa时，砂浆离缝产生的临界正温度梯度为5.3 ℃，临界负温度梯度为-4.8 ℃。

4)考虑轨道板板端接缝缺陷后，温度荷载作用下，轨道板接缝位置及纵向一定范围内界面拉裂破坏，并沿横向贯通，将导致砂浆离缝及轨道板板端上拱。

建议采取以下技术措施防止砂浆离缝及轨道板上拱：禁止在温差较大时进行砂浆的灌注施工；砂浆灌注完成后，应尽快完成轨道板的纵连作业，减少由于温度荷载引起的板端砂浆黏结损伤；加强轨道板板端窄接缝施工过程的控制，确保窄接缝灌注质量；施工完成之后，对于低温条件下部分板端出现裂缝较宽的情况，应及时进行修复；尽量延长扣压装置和精调千斤顶的拆除时间；优化砂浆的性能，保证其与轨道板之间可靠的黏结强度。

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Analysis of gap and deformation of CRTSⅡtrack on bridges under temperature

ZHOU Min1, DAI Gonglian2, YAN Bin2

(1. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

An entity CRTSⅡslab ballastless track structure on simply-supported beam bridges of high-speed railway finite element model (FEM) was established. In this model, the solid finite elements were used to simulate track structure, the contact elements were applied to simulate the contact relationship between adjacent layers, the compression bar elements were used to simulate the bridges and the nonlinear spring elements were applied to simulate the pigeonhole type lateral blocks. The results of finite element and related literature case verified each other. Research shows that: Overall heating has large effect on the longitudinal shearing stress between the interface of track slab and mortar. The stress rises as the temperature increases, but interface longitudinal shear failure will not occur within the normal operating range of the structure. Temperature gradient mainly influences the vertical positive stress of the interface, it can lead to vertical tensile failure and then produce mortar open joint. The open joint appears at the edge of track slab, under the alternate effect of increases and decreases of temperature the open joint progresses along the horizontal depth which could reach as deep as 50 cm. When the bonding strength of the interface is 0.02 MPa, the positive and negative critical temperature gradient is 5.3 ℃and -4.8 ℃respectively for the appearance of mortar open joint. There is a linear relationship between temperature and strength, the critical temperature gradient becomes larger as the bonding strength grows. The fault in seam at the edge of track slabs causes tensile failure of interface in certain longitudinal range near the seam and transfixes along the transverse direction and finally result in mortar seam and upwarp at the end of track slab. Advancing the construction quality of mortar and enhancing the control of seam construction are beneficial to restrain mortar seam and upwarp deformation.

high-speed railway; simply-supported beam; ballastless track;mortar gap; finite element analysis

2016-02-02

国家自然科学基金资助项目(51478483)；高速铁路基础研究联合基金资助项目(U1334203)；中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015G001-G)

闫斌(1984-)，男，河南郑州人，讲师，博士，从事桥上无砟轨道相关研究；E-mail：binyan@csu.edu.cn

U213

A

1672-7029(2016)12-2341-06