双块式无砟轨道轨枕与道床交界面损伤特性分析

马永磊，霍春阳，陈进杰，王建西，3

（1. 石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；3. 石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄 050043）

1 概述

近年来，高速铁路在我国得到突飞猛进的发展，为适应高速度、高密度、高平顺性和高稳定性的运营要求，高速铁路采用混凝土代替散体道砟的轨道结构，即为无砟轨道。CRTSⅠ型双块式作为无砟轨道主要结构形式之一，在我国得到广泛应用。在高速铁路个别地段双块式无砟轨道暴露出一些问题：在道床板与轨枕交界处新旧混凝土粘结性差、易开裂等[1-3]。从材料本质上讲，双块式无砟轨道轨枕与道床板交界面的研究属于新旧混凝土粘结问题。许金泉[4]建立了基于力学理论的界面模型，确定了界面力学行为参数及其分析方法，介绍了复合材料粘结面的力学特征，新旧混凝土的粘结本质上属于复合材料的粘结问题；李泽雷[5]通过界面剪切试验对比界面凿毛与界面去皮、界面钢筋采用焊接U形箍筋和植筋2种情况下界面的抗剪性能；韩菊红[6]考虑新老混凝土交界面存在初始裂缝，用混凝土断裂力学理论和试验方法研究新老混凝土交界面的力学特性，并提出新老混凝土粘结的工程应用建议；姜浩[7]开展复合试件拉伸及剪切力学性能试验，探讨复合试件破坏模式，并得到轨枕与道床交界面的力学参数，通过有限元软件ABAQUS建立内聚力模型，对试件进行劈拉和剪切试验的数值模拟，通过对比仿真结果与试验结果，确定试验准确性，并证明断裂能取值的可靠性；邢强[8]设计新老混凝土连接试件，并以混凝土抗拉强度、界面面积、钢筋面积和屈服强度为参量，根据所得试验数据提出新老混凝土界面抗剪承载力公式。

以上新老混凝土界面粘结研究大都是在试验数据基础上，拟定影响抗剪强度的因素，对于新旧混凝土之间一些基本的剪切强度、抗拉强度力学参数做出一定试验研究，对结果进行统计分析并得出结论。但对于双块式无砟轨道运营阶段轨枕与道床板交界面的受力研究相对较少。以大西高铁为工程背景，针对轨枕与道床交界面在运营阶段的受力情况及损伤趋势进行研究，基于有限元软件ABAQUS建立内聚力模型，用cohesive单元模拟运营期轨枕与道床交界面的受力，分析在运营阶段的列车荷载和温度荷载对轨枕与道床交界面受力状态的影响，为高速铁路维修养护提供理论参考。

2 建立双块式无砟轨道有限元模型

CRTSⅠ型双块式无砟轨道由上而下依次由钢轨、弹性扣件、带桁架钢筋的双块式轨枕、现浇混凝土道床板、支撑层、路基层组成。建立路基直线段双块式无砟轨道模型，总长19.5 m，支撑层沿线路纵向每隔4.55 m设置1条深度为支撑层厚度1/3的横向预裂缝（见图1）。

图1 CRTSⅠ型双块式无砟轨道有限元模型

2.1 参数选取

2.1.1 边界条件

在双块式无砟轨道结构中，假设道床板与支撑层粘结完好，且在轨道纵向方向设置支撑层和道床板的纵向位移约束，将基础简化为地基弹簧。

2.1.2 轨枕与道床交界面层间关系模拟

假设道床与轨枕交界面光滑，分析结构三维空间面受力时cohesive单元所需关键参数：界面垂直刚度KⅠ、抗拉强度σmax、断裂能GⅠ和界面剪切刚度KⅡ及KⅢ、剪切强度τmax、断裂能GⅡ。具体参数见表1。

表1 cohesive单元关键参数及取值

2.1.3 判断损伤相关准则

选用二次名义应力准则（Quads Damage）为起始损伤判据，采用power准则为损伤演化。二次名义应力准则：类似于二次名义应变准则，当3个方向各自的名义应力与破坏应力比的平方和等于1时，损伤开始。当计算结果CSQUADSCRT数值达到1时界面单元开始出现刚度退化，当代表刚度退化的数值（CSDMG）达到0.8～1.0时认为界面单元已经完全损伤。

2.2 参考点选取

为分析不同工况下轨枕与道床交界面不同位置的受力情况及破坏趋势，在交界面上选取A、B、C三个系列点作为关键参考点，反映交界面整体的受力情况。将轨枕与道床短边交界面作为A系列点，轨枕角交界面点作为B系列点，轨枕与道床交界面长边作为C系列点（见图2）。

3 整体降温对交界面受力情况及损伤趋势影响分析

双块式无砟轨道在1整年的气温变化中，会出现整体升温及降温情况，针对整体降温下的作用面受力情况进行分析。轨道降温前期交界面的CSQUADSCRT云图、交界面CSDMG云图见图3。

图2 交界面关键分析点

由图3可知，在整体降温3.0 ℃作用下，交界面长边首先为受力不利面，交界面中部位置开始出现交界面刚度退化；轨枕底部交界面在与长边界面相交的局部CSQUADSCRT值达到0.4左右，因此还未开始产生交界面刚度退化，但长边为受力不利面。长边方向受拉应力，最大值为1.96 MPa；2个短边及底面受压应力，最大值为0.37 MPa。在降温7.5 ℃时，长边界面CSDMG值达到1，说明长边界面已经完全损伤，并有逐渐向轨枕角方向发展趋势。轨枕角同时受交界面法向拉应力及面内剪切应力共同作用。

降温30.0 ℃应力云图及交界点应力曲线见图4。可见，在整体降温30.0 ℃作用下，交界面整个长边CSQUADSCRT值为1，CSDMG值也为1，说明交界面长边刚度完全退化，损伤已发展到轨枕角，并向交界面短边延伸，短边损伤沿道床深度方向逐渐变小，交界面底部无损伤。交界面长边C1点应力值随着降温荷载的增加，垂向剪切应力几乎为0，而法向拉应力和横向剪切应力呈线性增长，在降温3.0 ℃时达到峰值，最大拉应力为1.96 MPa，最大横向剪切应力为0.48 MPa。交界面长边C1点主要在法向拉应力作用下首先出现损伤，随着温度的继续降低，在降温为4.5 ℃左右时，法向拉应力和横向剪切应力值发生突变，应力突然降到0，主要是因为交界面长边刚度逐渐退化，长边损伤导致主要受力区域转移到轨枕角交界面。降温8.0 ℃左右时，在法向拉应力和轨道剪切应力共同作用下，伤损逐步扩展到轨枕角界面B处，轨枕角发生破坏，伤损向交界面短边A处延伸。当降温9.0 ℃时，交界面短边在法向压应力与剪切应力作用下，界面发生破坏，降温持续到14.0 ℃左右时，A点处刚度完全退化，界面退出工作。

图4 降温30.0 ℃应力云图及交界点应力曲线

4 温度梯度荷载对交界面受力情况及损伤趋势影响分析

4.1 正温度梯度荷载

在露天运营环境中，轨道板暴露在空气中，上表面直接接受太阳照射，造成表面温度高于轨道板底部温度，致使混凝土轨道板沿厚度方向产生温度梯度，从而产生温度应力，使轨道板发生翘曲[9-10]。

在正温度梯度荷载作用下，交界面的CSQUADSCRT云图及应力曲线见图5。

由图5可知，轨枕角交界面法向压应力随温度梯度荷载的增加而增加，呈线性上升。剪应力缓慢上升，在正温度荷载53.0 ℃/m左右达到峰值时，又缓慢减小为0。当温度荷载达到53.0 ℃/m时，轨枕角上部CSQUADSCRT值达到1，轨枕角交界面上部首先出现损伤，交界面轨枕角受垂直交界面方向的压应力、轨道横向及纵向剪切应力，此时横向剪切应力为3.21 MPa，纵向剪切应力为1.92 MPa，可见交界面轨枕角损伤主要受剪切应力影响。

图5 正温度梯度荷载53.0 ℃/m应力云图及应力曲线

交界面在100.0 ℃/m的正温度梯度作用下的CSQUADSCRT云图、交界面CSDMG云图及应力曲线见图6。

图6 正温度梯度荷载100.0 ℃/m应力云图及应力曲线

由图6可知，当正温度梯度达到100.0 ℃/m时，伤损主要集中在4个轨枕角处及长边中上部，损伤由轨枕角上部发展到整个交界面轨枕角，交界面长边上部区域虽然有损伤，但还未完全破坏。交界面短边受整体降温影响较小，交界面长边处C系列点和短边交界面B系列点的法向压应力随时间增大而增大，接触面上的剪切应力沿轨枕厚度方向由上到下依次减小。但交界面长边沿轨枕厚度方向由上到下压应力逐渐变小，而短边交界面B系列点法向压应力沿轨枕厚度方向由上到下压应力逐渐变大。交界面长边C点最大横向剪切应力为2.93 MPa，最大垂向剪切应力为2.08 MPa。

4.2 负温度梯度荷载

强冷空气的侵袭作用及突然降雨降冰雹现象会使环境温度迅速下降，在降温荷载作用下，轨道板表面温度低于板底温度，导致轨道板沿厚度方向产生负温度梯度，从而使轨道板产生温度应力。在负温度梯度荷载作用下，交界面的二次应力云图（CSQUADSCRT）及应力曲线见图7。

图7 负温度梯度荷载应力云图及应力曲线

由图7可知，当负温度梯度荷载达到-16.5 ℃/m时，CSQUADSCRT云图显示交界面长边有首先出现损伤的趋势。负温度梯度荷载加载到-17.0 ℃/m时，垂向剪切应力变化幅度较小，几乎为0。交界面法向拉应力和横向剪切应力随荷载增加呈线性增长，法向拉应力增长幅度较大，在荷载-17.0 ℃/m时拉应力达到1.92 MPa，横向剪切应力达到1.30 MPa，因此可以看出损伤破坏发生在整个长边交界面，主要是由于交界面法向拉应力造成的。随着继续加载，当负温度梯度荷载超过-17.0 ℃/m时，应力值发生突变，主要是因为长边损伤导致主要受力区域转移到轨枕角交界面。负温度梯度荷载达到-25.0 ℃/m时，轨枕角交界面在交界面法向拉应力及2个方向剪切应力共同作用下出现损伤，主要发生在轨枕交界面上部，最大拉应力为1.50 MPa，纵向最大剪切应力为1.30 MPa，垂向最大剪切应力为1.60 MPa。随着荷载的继续增加，损伤主要受力区域转移到短边，当荷载为-39.5 ℃/m时，短边交界面主要在轨道纵向剪切应力作用下产生损伤，发生损伤部位在短边纵向两端的上方部位，最大纵向剪切应力为3.20 MPa。

5 列车荷载对交界面受力情况及损伤趋势影响分析

在列车荷载作用下，交界面CSQUADSCRT云图及应力曲线见图8。

由图8可知，在列车荷载作用下交界面的CSQUADSCRT数值最大为0.29，远远没有达到界面破坏的条件，因此交界面在列车荷载作用下是安全的。交界面长边中上部应力图显示，其法向压应力与垂向剪切应力在加载初始阶段变化很小，几乎为0，当荷载达到17 kN左右时，随着荷载的进一步增大，法向压应力与垂向剪切应力呈线性增大趋势，最大压应力为3.0 MPa，最大垂向剪切应力为1.8 MPa。横向剪切应力在整个过程中基本为0。从分析结果来看，静轮载对交界面影响不大。

6 结论

利用有限元仿真软件ABAQUS建立有限元模型，研究运营过程中，整体降温荷载、正负温度梯度荷载和列车荷载对道床板与轨枕交界面的力学影响。得到以下结论：

（1）在整体降温30.0 ℃作用下，道床板与轨枕交界面长边首先出现损伤，然后扩展到交界面轨枕角，最后扩展到交界面短边端部位置。整个交界面长边和轨枕角完全破坏，交界面短边端部沿道床深度方向损伤逐渐减小，交界面底部无伤损。

（2）在正温度梯度作用下，轨枕与道床交界面主要不利受力区域为4个轨枕角及长边上部区域。轨枕角主要在剪切应力和法向压应力共同作用下发生损伤破坏；交界面长边上部主要受法向压应力及剪切应力共同作用时产生伤损，但没完全破坏。在负温度梯度作用下，最先出现受力不利区域为交界面长边，整个长边交界面主要在法向拉应力作用下发生破坏，并向轨枕角扩展。轨枕角交界面在交界面法向拉应力及2个方向的剪切应力共同作用下出现损伤破坏，主要发生在轨枕交界面上部。短边交界面两端上部产生损伤，但基本没发生破坏。

（3）在列车荷载作用下，轨枕与道床板交界面远没有达到破坏条件，列车荷载对交界面影响较小。