反射隔热涂料对CRTSⅠ型板式无砟轨道应力应变状态的影响

2020-07-04常逢文张光明魏春城康维新刘浩杨荣山

铁道建筑 2020年6期

常逢文张光明魏春城康维新刘浩杨荣山

（1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

无砟轨道作为中国高速铁路的主要轨道结构类型，近年来得到了快速发展与广泛应用［1］。CRTSⅠ型板式无砟轨道为单元板式无砟轨道，其结构简单，施工方便，目前已经在哈大客运专线、沪宁城际铁路、海南东环线、哈齐客运专线、广珠城际铁路、广深港客运专线、成绵乐客运专线等多条线上得到了广泛应用。但在实际运营中出现了轨道板翘曲、板角CA 砂浆缺损掉块、结构离缝、树脂填充层损伤等一系列病害，大大增加了养护维修工作量。引起这些病害的主要原因之一是温度荷载。温度荷载可分为整体温度荷载和温度梯度荷载［2］。整体温度荷载会使无砟轨道结构内部产生混凝土收缩；温度梯度荷载会导致无砟轨道结构内部温度不均［3］。目前维修部门针对温度荷载导致的轨道结构病害尚无有效的整治方法。

反射隔热涂料作为一种新型复合材料，通过反射太阳光的形式达到隔热降温作用，目前广泛应用于房建、化工等领域［4-6］。文献［7-9］进一步将反射隔热涂料应用于沥青路面，验证了其对路面具有一定的降温效果。文献［10］通过室内及运营线上试验，研究了不同处理方式下水性反射隔热涂料与轨道板表面的黏结性能。文献［11-12］通过现场试验及理论计算，研究了反射隔热涂料对无砟轨道温度及温度应力的降低效果及其适用性。在温度荷载作用下CRTSⅠ型轨道板会周期性出现“上下反复翘曲”的现象，长期如此有可能导致轨道板与砂浆层脱空，甚至危及行车安全。本文基于上海无砟轨道试验段的温度数据，采用有限元法研究反射隔热涂料对CRTSⅠ型板式无砟轨道受力的影响。

1 现场监测及温度荷载取值

1.1 现场监测

上海地区处于亚热带季风区，阳光充足，雨量充沛，属于典型的夏季炎热地区。为了深入研究反射隔热涂料对无砟轨道的影响，西南交通大学2017年7—8月初在上海的无砟轨道试验段，对表面涂刷氟硅反射隔热涂料的CRTSⅡ型板式无砟轨道板温度和现场气象条件进行监测。监测现场如图1所示。

本次现场监测设置涂刷板和未涂刷涂料的试验对照板，在轨道板上表面、中部、轨道板下表面（CA 砂浆层上表面），支承层中部、支承层下表面（级配碎石层上表面）和级配碎石层（距底座板下表面150 mm处）的中心钻孔布置6 个温度传感器（量程-20～80 ℃），如图2所示。

图1 监测现场

图2 温度测点布置（单位：mm）

1.2 温度荷载取值

混凝土结构最大温度梯度与混凝土结构的厚度有关［1］。现场试验采用的CRTSⅡ型轨道板厚度为200 mm。对于厚度不是200 mm 的轨道板，可根据热传导解析式推导出温度梯度修正系数。CRTSⅠ型轨道板厚度为190 mm，利用热传导解析式［13］计算得到CRTSⅠ型轨道板的最大温度梯度修正系数为1.05。

温度应力分析时考虑最大值。仅考虑日温度变化与考虑年温度变化和徐变温度应力的计算结果基本一致［1］，故本文温度荷载取日温度荷载。日温度变化近似按轨道板中部的温度变化进行取值。选取太阳辐射较强的2017 年7 月18 日至21 日的试验数据进行分析，结果见图3。

图3 CRTSⅡ型轨道板中部温度梯度和表面温度时程曲线

由图3 可以看出，在轨道板上涂刷涂料可有效抑制轨道板最大正温度梯度和轨道板表面最高温度。未涂刷涂料和涂刷涂料时CRTSⅡ型轨道板最大正温度梯度分别为96，64 ℃∕m，中部表面日温度变化最大值分别为12，8 ℃，两者均降低33%。经修正（最大温度梯度修正系数1.05），CRTSⅠ型轨道板对应的最大正温度梯度分别为100.8，67.2 ℃∕m，其表面温度可取CRTSⅡ型板式无砟轨道表面温度实测值。

2 有限元分析

2.1 计算模型的建立与参数的选取

CRTSⅠ型板式无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、砂浆调整层、混凝土底座板、凸型挡台、树脂填充层等组成。本文基于CRTSⅠ型板式无砟轨道的结构特点，依据弹性地基梁体理论，采用有限元法，建立路基上CRTSⅠ型板式无砟轨道计算模型，见图4。钢轨视为等截面的无限长梁，采用梁单元进行模拟。扣件采用弹簧单元模拟，轨道板、砂浆调整层、底座板、凸型挡台、树脂填充层采用8 节点的三维实体单元模拟。轨道板与砂浆层间采用标准接触。

图4 CRTSⅠ型板式无砟轨道计算模型

钢轨采用CHN60 型钢轨。WJ⁃7 型扣件动刚度取50 kN∕mm。轨道板尺寸为4 950 mm（x轴）×2 400 mm（y轴）×190 mm（z轴），弹性模量取36 GPa。砂浆层厚50 mm，弹性模量取300 MPa。混凝土底座板尺寸为3 200 mm × 300 mm，弹性模量取32.5 GPa。树脂填充层具有高弹性，弹性模量为25 MPa。路基段地基系数为76 MPa∕m，轨道板与CA 砂浆层间摩擦因数为0.55［14］。基床底部和钢轨两端均为全约束。

将涂刷涂料前后对应的轨道板温度作为输入荷载，分析涂料对轨道结构受力和变形的影响。

2.2 结果与分析

2.2.1 反射隔热涂料对轨道板翘曲的影响

在温度梯度作用下轨道板发生翘曲变形，可能导致轨道板与砂浆层间出现脱空现象，同时在轨道板翘曲变形和列车荷载的共同作用下会加剧板下弹性垫层的磨损，影响轨道结构正常服役。因此需重点研究温度梯度作用下涂刷与未涂刷反射隔热涂料时轨道板的受力特性。

轨道板上表面翘曲变形云图见图5。可以看出，在正温度梯度作用下，轨道板出现板中上拱和板角下沉现象，且涂刷反射隔热涂料对板中上拱的抑制效果优于板角下沉。使用反射隔热涂料后板中上拱量由0.654 mm 降至0.287 mm，减少了56%，板角下沉量由0.895 mm降低为0.668 mm，减少了25%。

图5 轨道板上表面翘曲变形云图

在正温度梯度作用下，由于受到钢轨和扣件的约束及轨道板的自重作用，轨道板内部产生翘曲应力，致使板顶受压，板底受拉。因此CRTSⅠ型轨道板设计时，将轨道板翘曲应力作为重要控制指标。未涂刷与涂刷反射隔热涂料时，CRTSⅠ型轨道板最大翘曲应力见表1。

表1 反射隔热涂料对CRTSⅠ型轨道板翘曲应力的影响

由表1 可知：①在轨道板上涂刷反射隔热涂料能有效控制轨道板的翘曲应力。涂刷反射隔热涂料后，轨道板纵横向最大拉应力分别降低24.7%和38.8%，纵横向压应力分别降低25.0%和35.2%。②未涂刷和涂刷反射隔热涂料轨道板纵向拉应力均小于混凝土极限抗拉强度（2.74 MPa）。

2.2.2 反射隔热涂料对树脂填充层的影响

凸型挡台是CRTSⅠ型板式无砟轨道的重要传力部件，为减缓冲击，在凸型挡台周围充填了柔性树脂材料，整体温升时轨道板膨胀延伸，导致凸型挡台树脂填充层被压缩。随着温度的降低，轨道板降温回缩，树脂填充层压力得到释放。当树脂填充层的变形超出了其弹性范围，则会导致树脂填充层与轨道板之间产生离缝；同时在温度荷载作用下树脂填充层受到挤压易产生较大压应力，极易产生伤损［15-16］。因此，需要对树脂填充层沿线路纵向的最大压缩变形和3块单元板接缝处树脂填充层的最大压应力进行分析。分析结果见表2。