温度作用下层间离缝对纵连板式无砟轨道稳定性的影响

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063;2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，湖北 武汉 430063)

CRTS II型板式无砟轨道采用纵向连续体系，主要用于设计时速350 km的高铁线路，主要分布在华北、华东地区[1]，具有高平顺性、高舒适性等优点。由于沿线路纵向连续铺设，温度荷载作用下轨道结构的纵向变形受到约束，产生较大的温度内力[2-3]。投入运营以来，随着CA砂浆粘结失效、宽窄接缝破损等病害的发展积累[3-6]，轨道结构形成分层连续体系，层间离缝的产生导致轨道结构体系偏离原设计状态，抵抗温度变形的能力逐渐下降，稳定性也随之降低。从现场调研结果可知，层间离缝高度越大的区段，往往离缝沿线路分布的长度也越长，夏季高温期间特别是持续高温期间轨道板胀板的风险及危害也更大，严重时对行车安全造成不利影响[7]。离缝的产生，一方面会影响轨道的平顺性及动力响应[8]，另一方面，也不可避免地改变了轨道板与砂浆层之间的接触状态及纵向温度力传递特性，影响轨道结构稳定性。鉴于层间离缝在线路中普遍存在，且离缝高度大小不一，对纵连轨道板稳定性的影响规律尚未形成系统性的认识，而夏季高温季节胀板的隐患日益显著，因此，在充分掌握该型无砟轨道温度分布及上拱变形特征基础上[9-12]，有必要就这一问题进行深入研究，为CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构养护维修提供参考。

1 有限元仿真模型

基于Midas Civil大型通用有限元分析软件，建立轨道结构有限元仿真模型如图1、图2所示。其中钢轨为 60 kg/m轨型，采用Timoshenko梁单元模拟；扣件系统采用线性弹簧单元模拟，弹簧单元各方向弹性刚度按照扣件系统设计参数输入；轨道板为预制件现场安装精调，原设计理念中将其作为仅受拉压的杆件单元，现场调研表明其普遍具有较为典型的拉弯构件受力特性，因此，对轨道板采用Timoshenko梁单元模拟；砂浆层仅考虑其支承效应，不考虑其粘结效应，以仅受压弹簧单元模拟；支承层原设计理念是将其和轨道板进行协同受力考虑，也是仅考虑拉压受力的杆件模型，而现场调研表明其普遍具有受弯特性，宜采用梁单元模拟，各计算参数按照设计值输入，如表1所示。

图1 轨道结构有限元分析模型

图2 轨道结构横截面组成

表1 轨道结构主要计算参数

根据现场情况，宽窄接缝与预制轨道板之间普遍存在不同程度的离缝，冬季低温季节离缝扩大，而夏季高温季节离缝缩小甚至归零，这种反复的拉压导致宽窄接缝实际性能与设计状态存在差异，由于宽窄接缝浇筑工艺较为复杂，成形质量参差不齐，受力上也较为薄弱，由此现场多存在接缝位置局部混凝土破损的情况，模型中为考虑这种病害的影响，考虑每道窄接缝存在20%(即高度方向20%的混凝土失效，如图3所示)的伤损初始缺陷。

华东地区属我国夏季连续高温典型区域，也是CRTSⅡ型板式无砟轨道铺设最多，高温胀板现象最集中的区域。为实测轨道板中温度场分布特征，对浙江海宁西站附近轨道结构温度进行测试，结果如图4所示，根据现场测试数据，温度荷载工况选取如下：轨道板整体升温55 ℃+底座升温30 ℃+钢轨升温50 ℃。

图3 宽窄接缝的模拟

图4 路基地段轨道结构温度测试曲线(浙江海宁)

2 离缝高度对轨道板稳定性的影响

CRTSⅡ型板式无砟轨道沿线路纵向连续铺设，路基、隧道以及桥上结构体系基本一致。轨道板通过CA砂浆层与路基上的支承层或桥上的底座板粘结在一起。而CA砂浆性能直接关系着轨道板与底座板是否能够实现共同受力，影响了轨道板的竖向稳定性能。CA砂浆层与轨道板之间的离缝以及与支承层(底座板)之间的离缝弱化了层间粘结，破坏了轨道板与支承层(底座板)的共同受力，尤其是砂浆层与轨道板之间的离缝，直接影响着轨道板的下部支承状态与粘结状态。

图5 轨道板下离缝示意

2.1 轨道板下与CA砂浆层间离缝的模拟

调研结果表明，运营状态下，轨道板下与CA砂浆层之间存在不同程度的离缝，如图5所示。

线路当中离缝的状态多种多样，为了简化分析，假定存在离缝的区段在横截面方向是贯通的。以此为前提，线路当中存在的离缝大致可以分为2类：一类是在一定长度范围内离缝的高度大致相同，即高度均匀离缝区域；一类是在个别的一处或几处轨道板下存在显著高于别处的离缝，其它轨道板离缝均很小或水平相当，即高度不均匀离缝。对于均匀离缝的模拟如图6所示，不均匀离缝模拟如图7所示。

图6 均匀离缝模拟

图7 不均匀离缝模拟

如图5、图6所示，拟对由12块板组成的轨道区段进行不同离缝高度模拟。均匀离缝的模拟采取中间10块板输入相同离缝数值的方式进行，不均匀离缝的模拟采取中间两块板输入离缝数值而其它轨道板不输入离缝的方式进行。

2.2 高度均匀离缝的影响

在通过现场测试所确定的温度荷载条件下，分别输入均匀离缝值1 mm 、2 mm 、3 mm、4 mm，在有限元模型中以改变轨道板节点竖向坐标的方式进行模拟，轨道板的竖向温度变形结果如图8～图10所示。

图8 均匀离缝下轨道板竖向变形特征

图9 均匀离缝中部区段轨道板竖向变形特征

图10 均匀离缝对轨道板竖向变形的影响

计算结果表明，均匀离缝条件下，随着离缝量值的增加，在离缝变化位置附近的轨道板竖向变形变化明显。计算模型中由于1#、2#轨道板，11#、12#轨道板之间存在离缝变化，而它们之间宽窄接缝位置附近的竖向变形也最大。另一方面，在均匀离缝的中间区段部分，也就是3#～10#轨道板的竖向变形则变化相对缓慢。从单块轨道板的变形特征分析，在温度荷载条件下，轨道板的端部上翘较为显著，板中部的竖向位移及变形相对较小，这与现场胀板破坏所表现出的基本特征是一致的。由此可见，大多数情况下，宽窄接缝的受力是纵连轨道体系的薄弱环节，是轨道上拱变形的易发位置，同时也是后期采取相应限位加强措施的重点位置。

综合以上分析可知：随着均匀离缝值的增加，均匀离缝区段两端离缝变化位置附近的轨道板竖向变形越来越大，轨道板上拱的范围也越来越大；而均匀离缝中间区段的轨道板竖向变形则变化相对缓慢。

2.3 高度不均匀离缝的影响

为模拟高度不均匀离缝，在6#、7#轨道板下分别输入离缝值1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，在有限元模型中以改变轨道板节点竖向坐标的方式进行模拟，轨道板的竖向温度变形结果如图11、图12所示。

图11 不均匀离缝下轨道板竖向变形特征

图12 不均匀离缝对轨道板竖向变形的影响

计算结果表明，不均匀离缝条件下，随着离缝量值的增加，不均匀离缝位置对应的轨道板竖向变形明显增大，且呈现出非线性增大的变化特征。计算模型中由于6#、7#轨道板下存在大于其它位置的不均匀离缝，而它们之间宽窄接缝位置对应的竖向变形也最大。另一方面，除不均匀离缝位置的轨道板外，其它轨道板的变化则相对缓慢。综合以上分析可知：随着不均匀离缝值的增加，对应轨道板的竖向变形越来越大，在宽窄接缝处存在上拱变形；而其它轨道板竖向变形则变化相对缓慢。

从竖向位移、变形量值分析，无论是均匀离缝还是不均匀离缝条件下，在离缝发生变化的位置轨道板的竖向变形将发生对应性的显著变化，而且变形的峰值都在宽窄接缝位置。由此可见，无论是存在均匀离缝，还是不均匀离缝，宽窄接缝始终是Ⅱ型板式纵连无砟轨道竖向变形的薄弱环节，而宽窄接缝出现较大的竖向位移及变形后，意味着其混凝土内部也发生了剧烈的应力重分布过程，当应力水平达到材料承载能力时，宽窄接缝不可避免地将发生局部破坏，而宽窄接缝的破损与离缝的影响存在耦合效应，将导致轨道结构在下一个升温周期中的变形进一步增大从而引起宽窄接缝完全挤碎，严重时或可导致轨道板板端局部劈裂。

3 结论

通过对温度荷载条件下轨道板在高度均匀和不均匀离缝状态下的竖向位移及变形仿真计算分析，可得到以下几点结论。

(1)轨道板下离缝状态影响轨道板的温度变形特征及变化趋势，进而影响轨道板稳定性。

(2)仿真计算结果表明，随着均匀离缝值的增加，离缝区段中部轨道板的竖向变形相对缓慢，但离缝区域两端竖向变形显著。

(3)随着不均匀离缝值的增加，不均匀离缝上方对应位置轨道板的竖向变形显著增大，可以预见将对运营产生不利影响。