双线桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构涂刷反射隔热涂层影响分析

2019-06-13刘学毅杨吉龙姜恒昌康维新杨荣山李振庭

中南大学学报（自然科学版） 2019年4期

刘学毅，杨吉龙，姜恒昌，康维新，杨荣山，李振庭

(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.上海铁路局，上海，200000)

CRTS Ⅱ型板式无砟轨道是一种纵连式轨道结构，已被广泛应用于京津、京沪、沪昆等高速铁路线路[1–2]。但近年来，我国部分地区夏季极端高温天气频发，特别是华东地区。轨道板在这种极端持续高温作用下，聚集了过大温度应力无法释放，当压应力达到一定程度时，会造成宽接缝处混凝土挤碎，从而使CRTS Ⅱ型板式无砟轨道产生上拱现象。铁路路基的温度稳定性好，路基及其上的轨道结构较稳定；而大跨桥上纵连板式轨道结构的梁轨相互作用复杂[3–5]，且桥梁受温度荷载的影响较大，温度应力为主要控制荷载。因此，CRTS Ⅱ型纵连板式无砟轨道的离缝、上拱病害更容易发生在桥梁地段[6–7]。目前植筋锚固是解决轨道板上拱的常用方法，但植筋锚固技术复杂、费用高，并且会在一定程度上破坏轨道原有结构。反射隔热涂层是一种通过增强结构物表面对太阳光反射能力和降低太阳辐射吸收系数进而达到改变无砟轨道温度场和温度应力的新型复合材料[8–10]。美国、日本、澳大利亚等国家对反射隔热涂料的研究已取得了令人瞩目的成果，但主要集中于军事、航空及民用建筑节能[11–14]。反射隔热涂层在无砟轨道结构上的应用尚无先例；且反射隔热涂层引起的局部降温，是否会对桥梁–轨道系统产生不利影响，目前缺乏相关研究。因此，本文作者基于有限元法，建立桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道模型，对比分析反射隔热涂层涂刷前后及不同涂刷次序下桥梁–轨道系统的纵向受力特性，对反射隔热涂层在铁路双线桥CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构上的适用性及施工过程提供参考。

1 计算模型及参数选取

1.1 计算模型

桥上 CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构由上到下分别为钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、连续底座板、“两布一膜”滑动层、梁体等，纵向传力部件有剪力齿槽、台后路基上的摩擦板及端刺等，这些部件在建模时都考虑在内[15–17]。力学模型如图1所示，该模型以12跨32 m双线简支梁为研究对象，摩擦板长度取50 m，两侧考虑250 m路基段。建模时将钢轨、轨道板、连续底座板、简支梁体采用杆单元模拟，不考虑垂向荷载。扣件、CA砂浆、“两布一膜”滑动层按照实际阻力用非线性弹簧进行模拟；剪力齿槽、端刺、墩台也根据实际受力特性，采用非线性弹簧进行模拟。双线铁路桥建模时，不考虑2条轨道结构之间的横向作用。

1.2 轨道结构参数选取

参考文献[1]和[6]，扣件纵向阻力无列车荷载时力和位移曲线如图2所示，且扣件极限阻力所对应的位移为2～3 mm；根据6.45 m长轨道板的推板试验，CA砂浆层破坏时，剪力为412 kN，弹塑性临界点在位移为0.5 mm处；“两布一膜”滑动层和摩擦板的摩擦因数分别取0.2和0.7，且摩擦力随位移的变化规律与扣件、砂浆等相似，均在位移为 0.5 mm时达到最大值；剪力齿槽的刚度取 1 000 MN/mm；端刺的刚度取100 MN/mm；路基地段轨道板与下部基础纵向阻力计算时取每股轨道质量乘以摩擦因数 1作为最大纵向阻力。

1.3 温度荷载选取

2017年7月份开始，在上海动车段CRTS II型板式无砟轨道路基试验段对反射隔热涂层的实际性能进行了系统的现场测试。图3所示为轨道板涂刷反射隔热涂层后的CRTS II型板式无砟轨道路基试验段，图4所示为2017–07–20的轨道板和底座板中心位置测试数据。测试结果表明：温度最高时，轨道板温度比底座板温度高约 10℃；涂刷反射隔热涂层后，轨道板降温明显，降低8～10℃；支承层内降温效果不明显，仅降低3～4℃。

图1 梁轨相互作用模型Fig.1 Interaction model of beam and rail

图2 常阻力WJ-7和WJ-8扣件纵向阻力Fig.2 longitudinal resistance of constant resistance wj-7 and wj-8 fasteners

图3 涂刷反射隔热涂层的路基试验段Fig.3 Roadbed test section coated with reflective insulation coating

图4 2017–07–20 测试结果Fig.4 Test results of 2017–07–20

受条件限制未能在桥上进行相关试验，故本文在计算时温度荷载参考路基上试验结果。按最不利情况取温度荷载[18–19]，即计算纵向力时忽略反射隔热涂层对底座板的降温效果：材料参考温度取 10℃；桥梁升温30℃；底座板和HGT层升温30℃；未涂刷情况下轨道板升温40℃，涂刷情况下轨道板升温30℃。

2 涂刷反射隔热涂层对桥梁–轨道系统的影响

桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道系统中，轨道结构和梁体通过滑动层和剪力齿槽共同传力。在涂刷反射隔热涂层后，轨道板的局部降温会改变轨道结构的纵向受力，同时也会对梁体纵向受力产生影响。因此，为研究反射隔热涂层在桥上CRTS II型板式无砟轨道结构上的适用性，还需要分析施工过程中轨道板局部降温对桥梁系统的影响。

为研究反射隔热涂层对桥梁–轨道系统受力的影响，分析未涂刷、仅在桥上轨道板涂刷和桥上及其两侧路基轨道板都涂刷3种工况下桥梁和轨道结构的受力。分析两侧路基各150 m范围内桥梁–轨道系统的受力情况，计算结果如图5所示。计算结果符号规定如下：坐标原点取在左侧桥台，即横坐标0～384 m对应12跨梁的位置；纵坐标代表各结构在温度荷载下的伸缩力或附加伸缩力，拉为正，压为负。

由图5(a)可知：未涂刷和桥上及其两侧路基轨道板涂刷反射隔热涂层时，钢轨附加伸缩力基本接近于0 kN；仅桥上轨道板涂刷反射隔热涂层时，钢轨附加伸缩力有70.6 kN的变化；说明反射隔热涂层的涂刷对钢轨受力影响不大。由图5(b)可知：桥上及其两侧路基轨道板涂刷反射隔热涂层时，轨道板的伸缩压力减小幅度最大，此时，轨道板的最大伸缩压力由未涂刷时的7 254.9 kN减小为5 444.4 kN，即轨道板的压应力由14.23 MPa减小为10.7 MPa，减少了3.53 MPa，这说明涂刷反射隔热涂层后，可以有效减小持续高温情况下轨道板的伸缩压力。仅桥上轨道板涂刷反射隔热涂层时，桥上轨道板伸缩压力的减小幅度依然明显，但略小于路、桥轨道板都涂刷反射隔热涂层的情况，而其他没有涂刷反射隔热涂层位置轨道板的伸缩压力变化幅度不大。由图5(c)可知：未涂刷和桥上及其两侧路基轨道板涂刷反射隔热涂层时，底座板的伸缩压力基本一致，最大伸缩压力均为5 783.1 kN；仅桥上轨道板涂刷反射隔热涂层时，桥上底座板伸缩压力约增加200 kN，即涂刷反射隔热涂层位置底座板的压应力约增加0.36 MPa；摩擦板范围内底座板伸缩压力有所减小。图5(c)中，伸缩力的突变发生在端刺处，主要是由于底座板和HGT层的弹模差异造成的，HGT层的弹模约是底座板弹模的1/5，所以，HGT层的伸缩压力约是底座板伸缩压力的 1/5。由图5(c)可知：涂刷反射隔热涂层前后，HGT层的伸缩压力基本不变。总体说明涂刷反射隔热涂层对 HGT支承层和底座板的受力影响较小。由图5(d)可知：未涂刷、仅在桥上轨道板涂刷和桥上及其两侧路基轨道板涂刷3种情况下，梁体伸缩力变化趋势基本一致，其最大伸缩压力分别为246.7，250.2和246.7 kN，说明涂刷反射隔热涂层对梁体伸缩力的影响可以忽略。

图5 不同工况下桥梁–轨道系统伸缩力Fig.5 Contractility of bridge–rail system under different working conditions

综上可以得出：涂刷反射隔热涂层可以有效降低持续高温情况下轨道板的温度压应力，减小轨道板上拱风险；涂刷反射隔热涂层对底座板和钢轨受力的影响较小；全桥涂刷反射隔热涂层对梁轨相互作用的影响可以忽略。

3 不同施工过程对桥梁-轨道系统的影响

由于反射隔热涂层涂刷工序相对复杂，加上人力、物力、场地等资源的限制，反射隔热涂层在双线铁路桥CRTS II型板式无砟轨道结构上的施工并不能一次性完成，就需要分析施工工况对桥上CRTS II型板式无砟轨道各结构受力的影响。

根据路基试验段反射隔热涂层的施工情况，在配备相应器具情况下，1个技术熟练的10人小队从轨道板表面粗清理、精细清洁到钢轨和扣件防护，再到涂料搅拌和反射隔热涂层涂刷完毕，天窗时间内预计能涂刷10块轨道板，即两跨32 m梁桥上的轨道板。基于此情况，建模计算时的具体施工工况划分见表1。

3.1 梁体受力分析

表2所示为不同工况下梁体最大伸缩压力。由表2可知：不同工况下梁体最大伸缩压力相差较小，说明涂刷反射隔热涂层并不会对梁体受力产生太大影响，因此，采取哪种涂刷工况，只需对比分析其他轨道结构的受力情况即可。

表1 反射隔热涂层施工工况Table 1 Construction conditions of reflective insulation coating

表2 不同工况下梁体最大伸缩压力Table 2 Maximum contractility of beam body under different construction conditions

3.2 钢轨受力分析

表3所示为不同工况下钢轨最大附加伸缩力。由表3可知：不同工况下钢轨附加伸缩力都比较小，说明涂刷反射隔热涂层对钢轨受力的影响不大。

表3 不同工况下钢轨最大附加伸缩力(取绝对值)Table 3 Absolute value of maximum additional contractility of rail under different construction conditions

3.3 轨道板受力分析

3.3.1 单线上不同涂刷位置及涂刷长度对本线的影响

图6所示为工况I和II各左线轨道板伸缩力。由图6(a)可知：涂刷反射隔热涂层轨道板的伸缩压力明显小于不涂刷轨道板的伸缩压力。由工况I-1和I-3、工况I-2和I-4、工况I-5和I-6这3组对比工况可以得出：单线上反射隔热涂层涂刷位置不同时，轨道板伸缩力的最大值与最小值一样，且轨道板伸缩压力的减小幅度也一样，说明从桥中间位置还是从桥的一侧开始涂刷反射隔热涂层，对轨道板伸缩力的影响没有太大区别。由工况I-1，I-2和I-3及工况I-4，I-5和I-6这2组对比工况可以得出：反射隔热涂层涂刷范围越长，轨道板伸缩压力越小。由图6可知：同一条线上未涂刷涂层的轨道板也会受到涂刷涂层轨道板的影响，且距离涂刷反射隔热涂层近的轨道板伸缩压力降低明显，降低约400 kN；距离约120 m时，轨道板伸缩压力基本不变，降低效果减弱。

图6 工况I和II各左线轨道板伸缩力Fig.6 Contractility of left track plates in construction condition I and II

3.3.2 单线上不同涂刷位置及涂刷长度对邻线的影响

图7所示为工况I各右线轨道板伸缩力。由图7可知：工况I各右线轨道板并没有涂刷反射隔热涂层，但右线轨道板伸缩力的变化趋势却不一样，说明单线上轨道板的不同涂刷位置及涂刷长度会影响邻线轨道板的受力。工况I各右线轨道板伸缩力的变化趋势与左线相反，即涂刷反射隔热涂层位置所对应邻线轨道板的伸缩力会变大；由工况I-1，I-2和I-3及工况I-4，I-5和I-6这2组对比工况可以得出：单线涂刷长度越长，邻线轨道板的最大伸缩压力增加越多；未涂刷时，轨道板的最大伸缩压力为 7 254.9 kN，工况 I下各右线轨道板的最大伸缩压力分别为7 352.6，7 411.3，7 420.7，7 348.9，7 408.8和7 418.5 kN，轨道板伸缩压力最大增加了165.8 kN，说明单线涂刷情况下，邻线轨道板的最大伸缩压力会增大，但增加有限，相比涂刷反射隔热涂层处轨道板伸缩压力的减小幅度，可以忽略这种影响。

图7 工况I各右线轨道板伸缩力Fig.7 Contractility of right track plates in construction condition I

3.3.3 单线涂刷与双线涂刷对轨道板受力的影响

表4所示为不同工况桥上轨道最大伸缩压力。由表4可以得出：双线涂刷时轨道板的最大伸缩压力要比单线涂刷时的小。

综上可以得出：反射隔热涂层施工时，既可以从桥中间位置开始施工，也可以从桥一侧开始施工；轨道板涂刷范围越长，轨道板受力越有利；双线同时涂刷，轨道板受力越有利。

3.4 底座板受力分析

3.4.1 单线上不同涂刷位置及涂刷长度对本线的影响

图8所示为不同工况下底座板的伸缩力。由图8(a)和8(b)可以看出：涂刷反射隔热涂层位置底座板的伸缩压力明显大于其他位置底座板的伸缩压力；未涂刷时，底座板的最大伸缩压力为5 783.1 kN，工况I中6种子工况下底座板的最大伸缩压力为6 116.8 kN，增加约333.7 kN，但依然小于涂刷反射隔热涂层后轨道板伸缩压力的减小幅度。由工况I中6种子工况与III-1工况对比可知：全线涂刷时，底座板受力更均匀。由图8(c)和8(d)可得出相同结论。

表4 不同工况桥上轨道板最大伸缩压力Table 4 Maximum contractility of track plates under different construction conditions

3.4.2 单线上不同涂刷位置及涂刷长度对邻线的影响

图9所示为不同工况下右线底座板伸缩力。将图9(a)和9(b)与图8(a)和8(b)对比可以发现：工况I各子工况左、右线底座板伸缩力的变化趋势相近。说明涂刷反射隔热涂层对应位置的邻线底座板伸缩压力大于未涂刷反射隔热涂层对应位置邻线底座板的伸缩压力；由工况I中6种子工况与III-1工况对比可知：全线涂刷时，邻线底座板所受的伸缩压力更均匀。

3.4.3 单线涂刷与双线涂刷对底座板受力的影响

表5所示为不同工况下桥上底座板最大伸缩压力。由表5可以得出：双线涂刷时，涂刷反射隔热涂层处底座板伸缩压力比单线涂刷时的大，比单线涂刷时增加约为200 kN。

综上可以得出：涂刷反射隔热涂层处底座板伸缩压力会增大，涂刷位置所对应邻线底座板的伸缩压力也会增大，且双线涂刷时底座板伸缩压力增加最多；但底座板伸缩压力增加200～400 kN，远小于轨道板伸缩压力的减小幅度。全线涂刷时，底座板受力更均匀。