组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝影响分析

娄平，赵晨，宫凯伦

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075；2.重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙410075)

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构是由我国自主研发、自主设计的新型高速铁路轨道形式，已成功运用在成灌线、武汉城际、郑徐、京沈等高速铁路[1]。经过长时间、高强度的通车运营，在成灌线降水丰富及排水不畅地段，CRTSⅢ型无砟轨道结构部分出现了层间离缝现象，影响了无砟轨道使用寿命，形成高低不平顺，影响乘坐舒适性和行车安全性[2-3]。许多学者对板式无砟轨道伤损及层间离缝进行了研究，刘珏等[4]分析了CRTSⅡ型板式无砟轨道施工时轨道板温度梯度作用下层间离缝，对轨道板翘曲变形和应力的影响。杨政[5]利用有限单元法，分析在列车荷载和温度梯度作用下，不同位置和长度的层间离缝对轨道结构受力的影响进行研究，并对离缝伤损提出了维修限值。文戈戈[6]利用现场调查数据，建立CRTSⅢ型板式无砟轨道简化力学模型，分析了自密实混凝土层间离缝界面对列车荷载下自密实混凝土层受力特性。曾志平等[7]通过CRTSⅢ型板式无砟轨道未离缝工况和离缝工况的对比分析，研究了轨道板与自密实混凝土层间离缝对无砟轨道结构动力特性的影响规律。然而，有关车辆与温度组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土层与底座板层间离缝对轨道结构受力变形的研究较少。本文以层间离缝状态下CRTSⅢ型板式无砟轨道为研究对象，建立车辆-CRTSⅢ型板式无砟轨道空间耦合振动系统和考虑组合荷载的CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元分析模型，研究层间离缝宽度和长度对轨道结构受力变形的影响规律，旨在为CRTSⅢ型板式无砟轨道伤层间离缝养护维修工作提供指导。

1 离缝成因分析与研究方法

1.1 离缝成因分析

层间离缝产生的原因较为复杂，主要由车辆荷载、温度作用、施工缺陷和不良环境条件等4 种因素作用下的结果产生。层间离缝区域在列车荷载和正温度梯度共同作用下，易在横向中间位置出现轨道板和自密实混凝土层上拱或翘曲，在降水丰富和排水不畅地段，雨水渗入离缝内部，将层间磨损的粉末颗粒带到外面形成渗浆，反复列车动荷载作用使自密实混凝土层与支承层间的相互拍打，层间离缝沿轨道板横向和纵向发展至左右钢轨正下方区域，甚至横向贯穿[8-9]。

1.2 研究方法

车-轨空间耦合振动分析理论通过对车轨动力学系统进行简化计算，对分析车轨耦合振动及各部件动力响应很有优势，可以得到各层间离缝工况下较为准确的轮轨力变化情况，但也存在由于单元划分较大，无法准确计算应力集中和应力分布情况，无法分析将车辆荷载与温度荷载组合作用下层间离缝条件对轨道结构的变形和受力影响；而ABAQUS 有限元分析软件在此方面具有优势，可以将温度梯度荷载和车辆荷载共同作用于无砟轨道结构，且网格划分更为密集，计算结果更为准确，所以本文取二者优势，由车-轨空间耦合振动求取离缝工况轮轨力，作为ABAQUS 有限元模型的输入条件与温度场耦合计算，技术路线如图1所示。

根据弹性系统动力学势能不变原理[10]，建立系统的振动方程，轨道不平顺采用中国高速轨道谱，车速取为300 km/h，运用wilson-θ法求解系统的振动方程，得到在各离缝工况下，轮轨竖向力时程曲线，计算竖向力最大值和此时刻车体位置。

2 组合荷载下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝有限元分析模型

2.1 模型建立

CRTSⅢ型板式无砟轨道各部件尺寸参照文献[11]，钢轨、轨道板、自密实混凝土层、底座板采用C3D8 的完全积分单元模拟，扣件采用connector 连接单元模拟，将自密实混凝土层与轨道板间用tie 绑定关系连接，自密实混凝土层和底座板间接触关系设为面-面接触，土工布在二者接触中考虑，不以实体单元模拟，路基土体采用D-P 塑性本构关系，模型首尾两端及路基下表面采用完全固结方式处理，车辆模型车体、转向架和轮对均采用离散刚体，不考虑其变形，仅作为传力结构。研究模型取8 块轨道板长度，离缝设置于车辆运行方向第4 块板板端位置。

图1 技术路线图Fig.1 Technology roadmap

2.2 荷载条件

以车轨空间耦合振动模型计算各层间离缝宽度和离缝长度工况条件下，列车驶过离缝区域时，取车辆竖向轮轨力最大时刻作为该工况最不利时刻，得到该时刻轮轨竖向力和横向力和及车辆与轨道板相对位置，作为各离缝工况下对应的车辆荷载输入有限元分析模型，横向、竖向轮轨力加载于轮对左右车轮的中心点，如图2所示。

图2 车辆荷载示意图Fig.2 Vehicle load diagram

根据《高速铁路设计规范》[12]，考虑分析最不利情况下，轨道结构的应力变形状态。所以本文选取正温度梯度为+90 ℃/m 及负温度梯度为-45 ℃/m，作用于轨道板和自密实混凝土层上，设置“列车荷载”、“列车荷载+正温度梯度”、“列车荷载+负温度梯度”3 种荷载组合形式。

2.3 模型验证

本文模型验证采用文献[13]的计算条件：1)模型本身自重荷载；2)两侧钢轨中点轮轨力集中荷载255 kN；3)正温度荷载梯度值取+90 ℃/m，作用于轨道板和自密实混凝土层。得到的计算结果与文献[13]对比结果如表1所示，二者差别较小，因此本文模型具有较高可信度。

表1 CRTSⅢ型板式无砟轨道模型计算结果验证Table 1 Verification of calculation results of CRTS III slab ballastless track model

3 计算结果与分析

3.1 层间离缝宽度影响

根据层间离缝产生原理，离缝横向发展工况模拟为在轨道板一端纵向中心线向两侧发展，如图3所示。沿轨道板纵向离缝长度b取为1.2 m[14]，沿轨道板横向离缝宽度a分别取为0，0.5，1.0，1.5和2.0 m 以及2.5 m(横向贯穿)等6 种工况，离缝高度取为5 mm。

由图4(a)可知，离缝宽度小于1.5 m 时，离缝对轨道板变形影响很小，也几乎不受温度梯度荷载的影响，当离缝发展达到轨下区域(离缝宽度大于1.5 m)时，轨道板变形随离缝发展明显增大，温度梯度荷载对轨道板的变形有明显的促进作用，且正温梯度荷载的影响明显大于负温度梯度。

由图4(b)可知，离缝宽度小于1.0 m 时，各组合荷载下，纵向拉应力几乎不受离缝影响；当离缝宽度大于1.0 m，各组合荷载作用下，纵向拉应力均增大显现，并在离缝横向贯穿后，小幅减小，主要由于负温度梯度荷载使轨道板内部产生较大拉应力，与离缝导致的弯折处拉应力形成叠加(如图4(c))，离缝横向贯穿后，最大应力区域沿离缝横向边缘均匀分布，应力集中情况有所减小，所以在离缝宽度等于2.0 m 时，离缝区域边缘中间部分上拱严重，最大纵向拉应力达到5.42 MPa，较正常状态增大了1.65 倍，已远大于轨道板C60 混凝土所能承受的2.85 MPa 抗拉强度标准值[15]，弯折处混凝土出现裂缝。

图3 层间离缝横向发展示意图Fig.3 Diagram of lateral development of interlayer separation

图4 不同荷载组合作用下，离缝宽度度对轨道板变形应力的影响Fig.4 Influence of width of interlayer separation on deformation stress of track slab under different load combination

由图5(a)可知，离缝宽度小于1.5 m 时，自密实混凝土层竖向变形很小，主要集中于轮轨下方中部区域发生变形(如图5(c))，离缝覆盖轨下区域后，迅速增大，且正温度梯度对自密实混凝土层变形促进作用最为明显，最大变形达到2.95 mm，较正常状态增大了14.46 倍。

由图5(b)可知，自密实混凝土层在不同组合荷载作用下，纵向拉应力随离缝宽度变化规律基本相同，但不同荷载组合对内部拉应力影响与轨道板截然不同，其中“正温度梯度+列车荷载”对纵向拉应力影响最大，且在离缝宽度等于1.5 m 时，已超过限值达到3.97 MPa ，超过限值2.39 MPa，自密实混凝土出现裂缝，主要原因是自密实混凝土层和轨道板为一个整体受力的复合结构，自密实混凝土层在轨道板下方，在正温度梯度荷载作用下，自密实混凝土层受拉应力较大，负温度梯度荷载作用下，轨道板受拉应力较大，当层间离缝发展至轨下后即自密实混凝土层吊空情况下，车辆经过离缝区域会使自密实混凝土承受较大拉应力，自密实混凝土层会遭到拉应力破坏，影响轨道结构使用寿命，建议在正温度梯度荷载较大的季节，应加强轨道结构特别是自密实混凝土层的检修，及时修复，以防离缝快速扩展，影响轨道机构使用寿命及行车安全。

图5 不同荷载组合作用下，离缝宽度度对轨道板变形应力的影响Fig.5 Influence of width of interlayer separation on deformation stress of self-compacting concrete under different load combinations

3.2 层间离缝长度影响

根据层间离缝发展原理，离缝纵向发展工况模拟为离缝横向贯穿后沿纵向朝无离缝端发展，如图6所示，故沿轨道板横向离缝宽度a取为2.5 m(横向贯穿)，沿轨道板纵向离缝长度b分别取为0，0.6，1.2，1.8，2.4，3.0，3.6，4.2 及4.8 m 等9 种工况。

由图7(a)和7(b)可知，层间离缝横向贯穿，轨道板以离缝纵向边缘弯折变形为主，在车辆荷载作用下，离缝长度等于3.0 m 时，轨道板弯曲变形达到5.158 mm，离缝竖向闭合，在离缝区域自密实混凝土层与底座板重新接触；离缝闭合之后，轨道板最大竖向位移保持稳定。而在轨道板另一侧板端，轨道板向上翘曲，最大翘曲变形达到1.342 mm，主要由于轨道板以离缝纵向边缘为轴，发生杠杆效应，无离缝端在列车经过时会使轨道结构各部件间互拍打持续加剧，长此以往，会加速无离缝端混凝土的损毁。正温度梯度荷载主要加剧离缝端的轨道板弯曲变形，而负温度梯度对无离缝端的翘曲变形有推动作用，轨道板翘曲变形可能会使钢轨上表面出现凸起，加重轨道竖向不平顺和钢轨的损伤发展。

图6 层间离缝纵向发展示意图Fig.6 Diagram of longitudinal development of interlayer separation

图7 不同荷载组合作用下，离缝长度对轨道板变形应力的影响Fig.7 Influence of length of interlayer separation on deformation stress of track slab under different load combinations

由图7(c)可知，在各组合荷载作用下，轨道板的纵向拉应力受离缝长度的影响规律基本一致，先随离缝长度增加而增大，在离缝竖向闭合后，逐渐减小，其中“负温度梯度+车辆荷载”组合对纵向拉应力的影响较其他的组合更明显，在离缝长度等于1.2 m 时，纵向拉应力达到5.094 MPa，超过限值的2.85 MP，轨道板上表面发生弯曲受拉裂缝，所以离缝长度应控制在1.2 m 以下。

图8 不同荷载组合作用下，离缝长度对自密实混凝土层变形应力的影响Fig.8 Influence of length of interlayer separation on deformation stress of self-compacting concrete under different load combinations

由图8(a)和8(b)可知，在各组合荷载作用下，自密实混凝土层随离缝纵向发展变形规律与轨道板基本相同，以离缝边缘为“支点”发生一侧弯曲一侧翘曲，离缝竖向闭合时，翘曲变形和弯曲变形达到最大，列车反复荷载作用下，自密实凝土层不断上下拍打底座板，可能导致无离缝端也出现离缝现象。

由图8(c)可知，在组合各荷载作用下，自密实混凝土层纵向拉应力均随离缝长度增加，先增大后减小，在离缝等于2.4 m 时，“正温度梯度+车辆荷载”组合下达到6.701 MPa，较正常状态分别增大了92.1%，已超过限值2.39 MPa，离缝在自密实混凝土层上表面弯折处产生的拉应力集中与正温度梯度产生的内部拉应力叠加，使自密实混凝土层上表面出现裂缝，使自密实混凝土层与轨道板间也出现了离缝，所以在温度升高幅度较大的天气，层间离缝会快速发展，并可能演变为其他类型病害，应在出现极端天气时，加强对无砟轨道层间离缝的巡查，发现问题，及时维修。

4 结论

1)组合荷载下CRTSⅢ型板式无砟轨道在层间离缝宽度小于1.5 m 时，轨道结构受力变形受影响很小，而当离缝覆盖两侧钢轨正下方后，轨道结构变形和应力均明显增大，轨道板出现受拉裂缝。所以离缝宽度应控制在1.5 m 以内。

2)层间离缝横向贯穿后，轨道板和自密实混凝土层除在离缝端发生弯折变形外，无离缝端也会发生翘曲变形，在离缝长度等于1.2 m 时，二者均出现受拉裂缝，所以应在离缝长度大于1.2 m 时，及时进行维修，防止层间离缝演变至无离缝端及轨道结构其他部位。

3)正温度梯度荷载对轨道板弯折变形和自密实混凝土层纵向拉应力、负温度梯度荷载对轨道板上翘和纵向拉应力均产生明显叠加放大效应，所以，工务部门在出现极端天气时，应加强对无砟轨道层间离缝的巡查，发现问题，及时维修。