温度荷载作用下宽窄接缝状态变化规律研究

娄小强,林文,庞聪

(中国铁路上海局集团有限公司上海工务段,上海 200071)

CRTSⅡ型板式无砟轨道具有平顺性高、稳定性好、养护维修少等优点,在我国广泛铺设[1]。无砟轨道长期服役于自然环境中,受到外界环境影响较大。由于无砟轨道层间结构材料热行为差异的温度敏感性,在温度荷载作用下宽窄接缝容易出现离缝、伤损等病害,从而影响无砟轨道稳定性[2]。因此,考虑温度荷载对宽窄接缝状态的影响,分析宽窄接缝状态变化规律具有重要的理论意义和实用价值。

宽窄接缝状态作为轨道结构服役的关键性指标,相关学者做了一定的研究,如刘钰等[3]通过建立有限元模型,施加现场实测温度荷载对无砟轨道温度应力进行研究,并对无砟轨道层间离缝治理提出建议。王明昃[4]等通过制作道床板-支承层混凝土复合试件,研究界面破坏的特点从而得出界面疲劳S-N曲线。目前对温度荷载循环作用下的宽窄接缝状态研究较少,有必要进行下一步的研究。因此,本文以无砟轨道宽窄接缝为研究对象,分析温度荷载规律和宽窄接缝破坏机理,浇筑标准小比例复合试件进行试验,并在试验的基础上建立有限元模型进行仿真分析。

1 无砟轨道温度荷载作用特点

1.1 温度荷载规律与作用下力学特征

无砟轨道服役期间与外界环境热传递方式较为复杂,主要通过辐射、传导与对流等多种方式进行传递,导致无砟轨道内部温度随外界条件变化。现有研究表明,对无砟轨道内部温度影响较为明显的温度荷载为内部的温度梯度荷载[5]。温度梯度指的是外界条件引起的沿无砟轨道结构厚度方向不均匀的温度分布。由于混凝土传热性能较差,在太阳照射下无砟轨道上、下表面温度不同,造成一定的温度差,从而形成温度梯度[6]。不均匀的温度作用会导致轨道板的翘曲变形,进一步产生翘曲应力。当遭遇暴雨、强冷空气等极端天气,无砟轨道表面温度骤降,形成负温度梯度,同样会使轨道板产生翘曲变形与翘曲应力。

1.2 温度荷载作用下宽窄接缝破坏机理

宽窄接缝在复杂的环境持续作用下逐渐出现各种伤损,界面性能的劣化也是不可避免的。伤损病害的出现可能导致无砟轨道结构的传力特性发生改变,严重时甚至影响无砟轨道结构的稳定性。无砟轨道运营期间出现的伤损问题大多数集中在层间界面,伤损特征主要表现为层间界面破损、离缝等。由于温度荷载作用导致轨道板翘曲变形引起宽窄接缝破损、离缝等现象,如图1所示。

图1 某无砟轨道线路宽窄接缝损伤情况

宽窄接缝薄弱性是由无砟轨道结构、材料及施工工艺所决定的。不同结构层间界面属于新老混凝土结合面,受力性能较为薄弱。运营期间温度荷载循环作用导致界面性能劣化并使得损伤逐渐累积,最终导致宽窄接缝结构出现破坏。

2 小比例试件制作与试验方案

2.1 小比例试件制作

宽窄接缝是位于两块轨道板之间的T型结构,是用于连接两块轨道板的后浇带,具体结构形式如图2所示。小比例试件为复合试件根据《CRTS Ⅱ型纵连板式无砟轨道混凝土轨道板》(TB/T 3399—2015)规范要求制作[7],其中底座板为C25混凝土,轨道板、CA砂浆层和宽窄接缝皆为C55混凝土。

图2 宽窄接缝与轨道板连接结构示意图

试件按照先浇筑底座板、CA砂浆、轨道结构最后宽窄接缝的顺序进行制作。在550 mm×150 mm×150 mm标准模具中浇筑底座板,进行振捣养护,再浇筑CA砂浆层进行养护,放置宽窄接缝模型;同时浇筑轨道板,养护完成试件见图3。拆下模型后清理宽窄接缝区域,浇筑宽窄接缝混凝土养护,得到标准复合小比例试件见图4。

图3 拆除宽窄接缝模型

图4 标准复合小比例试件

2.2 试验方案

为更好地模拟温度荷载作用下宽窄接缝处可能出现的上拱问题,现对复合试件进行弯曲试验,试验加载方式见图5。采集试验中力与位移的关系,并根据力与位移的关系来分析宽窄接缝的破坏过程。

图5 弯曲试验加载示意图

为模拟温度荷载循环作用对宽窄接缝状态的影响,考虑我国温度分布特点,温度循环范围设置为-15～60℃。试件在温度箱中由常温升到60℃恒温,降温到-15℃恒温,最后升温到常温。温差作用导致试件内部形成温度梯度从而产生温度应力,温度应力反复作用,试件内部出现微裂纹,进而影响其性能,导致试件的极限承载力下降。现对试件进行0次、10次、20次、30次的温度循环作用,并对温度循环作用后的试件进行弯曲试验,得到试件力与位移的变化规律见图6。

图6 不同温度循环作用下力与位移的变化规律

由图6可知,0次温度循环作用的试件极限承载力为49.52 kN,经历10次作用试件承载力为44.46 kN,经历20次作用试件承载力为36.41 kN,经历30次作用试件承载力为20.38 kN。随着温度循环作用次数的增加,试件承载力逐渐降低,0～20次温度作用试件承载力下降较为平缓,30次温度作用试件承载力下降为原来的41.16%。

3 宽窄接缝仿真分析

3.1 建立宽窄接缝有限元模型

采用ANSYS有限元软件建立宽窄接缝有限元实体模型,轨道结构中不同的材料参数设置如表1所示[7]。如图7所示的T型宽窄接缝是两块轨道板中间连接结构,现对宽窄接缝模型不同部件进行网格划分。

表1 宽窄接缝有限元模型材料参数

图7 宽窄接缝有限元模型网格划分

宽窄接缝界面性能的研究采用内聚力本构模型设置,本试验采用ANSYS软件中自带的基于断裂能内聚区定义内聚力本构材料,具体的参数参考现有研究。现根据试验加载方式对宽窄接缝模型施加边界条件,在模型的底部施加两个固定约束。最后在宽窄接缝顶面施加向下的力。根据疲劳损伤累积理论P-M法则施加0次、10次、20次、30次的温度循环作用进行仿真分析[8],仿真结果应力云图见图8。

图8 温度循环0-30次试件应力云图

随着温度循环作用次数的增加,宽窄接缝应力最大值逐渐增加。0～20次作用应力增加不明显,30次温度循环应力最大值增加约为初始的2.1倍。提取沿宽窄接缝中心处一垂向路径上不同温度循环条件下的应力变化曲线见图9。由图9可知,0～20次温度循环作用下应力变化趋势大致相同,曲线中出现的应力峰值为60 mm处宽窄接缝底部与CA砂浆层界面应力值。不同材料在温度荷载作用下的应力值会产生突变,界面应力集中现象在外部荷载作用下会更加明显。经历30次温度循环作用的应力值在20 mm处出现明显的峰值,说明30次作用后宽窄接缝的损伤加剧,试件的伤损由界面损伤逐渐发展为结构破坏。

图9 路径上应力变化

4 结论

随着温度循环作用次数的增加,试件承载力逐渐降低,0～20次温度作用试件承载力下降较为平缓,30次温度作用试件承载力下降为原来的41.16%。宽窄接缝内部应力随着温度循环作用次数的增加逐渐变大,30次温度作用应力最大值为初始的2.1倍,试件伤损由界面伤损逐渐发展为结构破坏。根据温度荷载作用下宽窄接缝状态的变化规律,工务人员应重点关注高温天气作用下无砟轨道宽窄接缝的状态,加强现场检查,为养护维修提供指导和建议。