鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護層在特種活載作用下的力學響應(yīng)

錢振東，劉 云，王江洋，戴勝勇，艾宗良，鄭 彬

(1.東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心，南京 210096;2.中鐵二院工程集團有限公司，成都 610000)

防水保護層是鐵路鋼橋的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到鋼橋結(jié)構(gòu)使用的耐久性。保護層在使用過程中長期承受疲勞荷載作用往往會出現(xiàn)不同程度的裂縫、破碎等現(xiàn)象。保護層一旦破壞，便會造成防水層的損壞，進而直接影響鋼橋的使用壽命。剛性防水保護層由于材料自身的特點，其抗拉性能和變形協(xié)調(diào)能力較差，較易產(chǎn)生裂縫類病害而使水分侵入到鋼橋面板。隨著鐵路鋼橋的跨徑不斷增大，鐵路鋼橋采用柔性保護層的研究受到研究者重視。

環(huán)氧瀝青混凝土作為鋼橋柔性保護層材料，成功應(yīng)用于國內(nèi)外多座大跨徑公路鋼橋橋面，與剛性防水保護層材料及其他柔性保護層材料相比，具有強度高、抗疲勞性能好，尤其在高溫下具有較好的抗變形能力，且對鋼板變形追從性好。本文從理論分析的角度出發(fā)，采用有限元方法研究鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護層在列車活載作用下的主要受力控制指標值。以往的鋼橋面柔性保護層力學性能研究多集中在大跨徑斜拉橋或懸索橋等公路橋面系［1-4］，或者是公鐵兩用大橋的公路橋面［5-6］，車輛荷載直接作用在鋪裝層表面。鐵路鋼橋的柔性保護層鋪設(shè)在道碴與橋面板之間，如圖1所示。因此，需要從鐵路鋼橋橋面系的結(jié)構(gòu)組成及荷載傳遞特點出發(fā)，建立鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護層體系分析模型，研究在列車荷載作用下保護層的力學響應(yīng)及其分布規(guī)律，并通過室內(nèi)試驗檢驗環(huán)氧瀝青柔性保護層體系的強度性能，為設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖1 鐵路鋼橋面環(huán)氧瀝青柔性保護層結(jié)構(gòu)體系Fig.1 Epoxy asphalt flexible layer system of railway steel bridge deck

1 環(huán)氧瀝青柔性保護層體系分析模型

環(huán)氧瀝青柔性保護層體系的力學行為可看成高速列車-軌道-環(huán)氧瀝青柔性保護層-橋梁各結(jié)構(gòu)組成部分的相互作用問題。

1.1 耦合體系力學模型

采用有限元方法建立耦合體系模型，用梁單元對鋼軌進行離散，軌枕用實體單元模擬軌枕，對道碴和保護層采用實體單元離散，對防水層結(jié)構(gòu)用二維板殼單元離散［7-8］，縱肋用板殼模擬，橫隔板用實體單元模擬。并用一次梁(單層)軌道模型來模擬輪軌相互作用，認為鋼軌和軌枕之間是緊密接觸的。鋼軌與軌枕之間采用離散支撐模型，考慮了軌枕的間隔，更能反映鋼軌下軌枕分布和由于軌枕間距造成的列車通過頻率。鐵路鋼橋道砟槽耦合體系有限元模型如圖2所示。

圖2 鐵路鋼橋面環(huán)氧瀝青柔性保護層結(jié)構(gòu)體系耦合模型Fig.2 Epoxy asphalt flexible layer system coupling system model of railway steel bridge deck

1.2 列車荷載模型

根據(jù)《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》［9］，選用ZK特種活載作為外載施加在鋼軌表面，ZK特種活載的作用方式如圖3所示。

圖3 ZK特種活載圖式Fig.3 Schema of ZK special live load

圖4 考慮制動力作用下的列車荷載Fig.4 Train load considering braking force

1.3 計算工況

列車在橋梁上制動或牽引時產(chǎn)生的制動力或牽引力是引起橋梁附加載荷的主要原因，它對鐵路橋梁的正常使用與安全具有重要的意義。在列車剎車或減速狀態(tài)下，作用于軌面上的制動力通過軌枕結(jié)構(gòu)和道碴結(jié)構(gòu)的荷載傳遞，間接作用于柔性保護層。

以ZK特種活載作為豎向計算荷載，并且根據(jù)規(guī)范，列車制動力在與豎向動力作用同時計算時，制動力系數(shù)按列車豎向荷載的7%計算。因此，在ZK特種活載作用下，列車制動力為17.5 kN，考慮列車制動力作用下的計算荷載如圖4所示。

2 算例

選取某一典型大跨度雙桁結(jié)構(gòu)連續(xù)鋼桁梁橋梁，橋面采用縱橫梁、正交異性鋼橋面板，縱肋采用倒T形肋，線路等級為新建時速200 km客運專線鐵路，I級標準鐵路，正線數(shù)目為四線。

2.1 計算參數(shù)及有限元模型

在有限元建模時選取的結(jié)構(gòu)各組成部分材料計算參數(shù)如表1所示。主要幾何計算參數(shù)選取如下:道床厚度為40 cm，道床頂面寬度為360 cm，道砟槽采用1∶1.75的緩坡，橫隔板跨距為2.0 m，橋面鋼板厚度為16 mm，柔性保護層厚度為60 mm。柔性保護層環(huán)氧瀝青混凝土的材料參數(shù)均是指在常溫25℃狀態(tài)下。

表1 鐵路橋面系結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)［9－12］Tab.1 Material indices of railway bridge deck［9－12］

2.2 鐵路鋼橋環(huán)氧瀝青柔性保護層力學響應(yīng)

進行柔性保護層力學響應(yīng)分析時，選取環(huán)氧瀝青柔性保護層橫向拉應(yīng)力、縱向拉應(yīng)力、鋼板與保護層之間的層間剪應(yīng)力和豎向撓度作為力學分析的主要研究對象。

由圖5可見，在ZK特種活載的作用下，① 柔性保護層表面的最大豎向位移出現(xiàn)在沿橋面縱向荷載中心線距離橫隔板1/4跨處，分布在荷載作用的中心區(qū)域。② 橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在沿縱橋向列車荷載中心線距橫隔板1/4跨處。最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)以及縱肋上方對應(yīng)的區(qū)域，這些區(qū)域是保護層出現(xiàn)縱向開裂的危險區(qū)域。最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕下方對應(yīng)的保護層區(qū)域，這些區(qū)域是保護層出現(xiàn)橫向開裂的危險區(qū)域。橫向拉應(yīng)力明顯大于縱向拉應(yīng)力，因此柔性保護層更易發(fā)生縱向開裂，橫向拉應(yīng)力是控制開裂破壞的主要控制指標。③鋼板與保護層間橫向和縱向剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在荷載中心線距離橫隔板1/4跨處。橫向?qū)娱g剪應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在荷載下方軌枕兩側(cè)對應(yīng)的保護層區(qū)域，縱向剪應(yīng)力集中分布在荷載下方軌枕對應(yīng)的保護層區(qū)域，從計算結(jié)果看，這些區(qū)域傾向于發(fā)生鋼板和保護層的橫向?qū)娱g滑移及剪切破壞。

圖5 考慮列車制動力作用的柔性保護層力學指標值分布Fig.5 Mechanical indices values of flexible layer considering braking force

綜合環(huán)氧瀝青柔性保護層力學響應(yīng)分布規(guī)律分析可以看出，沿橋面縱向荷載中心線距離橫隔板1/4跨處，沿橋面橫向荷載下方軌枕對應(yīng)的保護層區(qū)域，是保護層受力變形最不利的位置，也是最有可能發(fā)生病害的危險位置。

考慮列車制動力作用的柔性保護層力學響應(yīng)各指標峰值見表2，并且與國內(nèi)典型的大跨徑正交異性公路鋼橋環(huán)氧瀝青橋面鋪裝體系的受力指標值［13］進行對比。

通過對比鐵路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青柔性保護體系在列車荷載作用下與公路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層在汽車荷載作用下的力學指標響應(yīng)峰值可以看出，鋪設(shè)于鐵路鋼橋橋面之上的柔性防水保護體系的豎向變形、表面拉應(yīng)力和層間剪應(yīng)力指標的峰值均顯著小于公路鋼橋橋面鋪裝體系。這是由于鐵路鋼橋列車荷載并非直接作用于保護層層頂，通過軌道、軌枕、道碴等結(jié)構(gòu)的層層分散傳遞作用，大大減弱了傳遞至防水保護體系的荷載應(yīng)力強度。因此，在大跨徑公路鋼橋鋪裝工程中取得良好使用效果的環(huán)氧瀝青鋪裝體系，完全可以承擔鐵路鋼橋橋面防水保護結(jié)構(gòu)受力變形的作用。

表2 鐵路鋼橋橋面柔性保護體系和公路鋼橋面鋪裝體系力學響應(yīng)峰值Tab.2 Peak values of mechanical response of railway steel bridge deck flexible layer and highway steel bridge deck pavement

為了驗證環(huán)氧瀝青柔性保護層體系能夠勝任鐵路鋼橋橋面的工作狀態(tài)，本文通過柔性保護層混合料的彎曲試驗和防水保護體系的復合結(jié)構(gòu)剪切試驗，得到柔性防水保護層材料表面抗彎拉強度和“鋼板+防水層+柔性保護層”復合結(jié)構(gòu)整體抗剪切強度，并與力學響應(yīng)分析結(jié)果進行對比。在復合結(jié)構(gòu)斜面剪切試驗中，試件受力面與加載方向取成a=60°夾角，這與減速或剎車情況相似，能夠模擬保護層在有側(cè)面壓力情況下的剪切強度，為實際最不利情況。圖6與圖7分別是常溫條件下的彎曲和剪切試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

圖6 小梁彎曲試驗Fig.6 The beam bending test

圖7 柔性保護層復合結(jié)構(gòu)剪切試驗Fig.7 Shear test of the flexible layer compound structure

表3 環(huán)氧瀝青柔性保護層材料彎曲試驗和環(huán)氧瀝青柔性保護體系復合結(jié)構(gòu)剪切試驗結(jié)果Tab.3 Results of epoxy asphalt flexible layer bending test and epoxy asphalt flexible layer compound structure shear test

由小梁彎曲試驗結(jié)果可以看出，環(huán)氧瀝青柔性保護層材料抗彎拉強度達到11.76 MPa，是剛性保護層材料C50混凝土抗彎拉強度的1.5倍以上(養(yǎng)護28d抗彎拉強度為7.8 MPa)，完全滿足理論分析結(jié)果最大拉應(yīng)力0.260 7 MPa的要求和文獻［14］中規(guī)定的保護層材料抗拉強度不小于5.0 MPa的要求;同時由復合結(jié)構(gòu)剪切試驗結(jié)果可以看出，環(huán)氧瀝青柔性保護層復合體系的抗剪切強度達到3.24 MPa，完全滿足理論分析結(jié)果層間最大剪應(yīng)力0.157 4 MPa的要求。因此，通過室內(nèi)試驗驗證，表明環(huán)氧瀝青柔性保護層滿足鐵路鋼橋橋面的力學控制指標值和規(guī)范的要求。此外環(huán)氧瀝青柔性保護層總厚度僅為60 mm，與剛性保護層相比大大減輕了橋面自重，可以作為一種新型的高性能柔性防水保護體系在鐵路鋼橋，特別是跨徑較長的鐵路鋼橋上使用，前景廣闊。

3 結(jié)論

本文建立了梁單元與實體單元混合的高速列車-軌道-環(huán)氧瀝青柔性保護體系-橋梁耦合體系有限元模型，其中軌道模型采用一次梁(單層)軌道模型和離散支撐體系。通過典型鐵路鋼橋面系結(jié)構(gòu)受力特點分析以及環(huán)氧瀝青柔性防水保護層體系的室內(nèi)試驗，結(jié)論如下:

(1)在ZK特種活載作用下，柔性保護層的最大豎向位移、最大拉應(yīng)力、最大鋼板和保護層層間剪應(yīng)力值均出現(xiàn)在沿橋面縱向荷載中心線距離橫隔板1/4跨處。最大豎向位移發(fā)生在荷載作用的中心區(qū)域;最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕兩側(cè)以及縱肋上方對應(yīng)的區(qū)域;鋼板和保護層層間最大縱向剪應(yīng)力分布在荷載下方軌枕對應(yīng)的保護層區(qū)域。

(2)通過對比鐵路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青柔性保護體系在列車荷載作用下與典型的公路鋼橋橋面環(huán)氧瀝青鋪裝體系在汽車荷載作用下的力學指標響應(yīng)峰值，鐵路鋼橋橋面柔性防水保護體系的豎向變形、表面拉應(yīng)力和層間剪應(yīng)力指標的峰值均小于公路鋼橋橋面鋪裝體系。因此，在大跨徑公路鋼橋鋪裝工程中取得良好使用效果的環(huán)氧瀝青柔性保護體系，完全可以承擔鐵路鋼橋橋面防水保護結(jié)構(gòu)受力變形的作用。另外通過室內(nèi)試驗結(jié)果也可以表明環(huán)氧瀝青柔性保護層材料和復合結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪強度能夠滿足理論分析結(jié)果的要求，可作為一種新型柔性防水保護體系供鐵路鋼橋橋面保護選擇。

本文在計算荷載方面考慮了列車豎向荷載和制動力的組合，未考慮其他軌道縱向力(包括伸縮力、撓曲力、斷軌力等)的作用以及道碴鋪設(shè)影響等工況，未來研究中尚需考慮柔性保護體系抗?jié)B透、抗刺破等力學性能試驗，以確保環(huán)氧瀝青柔性保護層在鐵路鋼橋上的成功應(yīng)用。

［1］劉世忠.彈性地基對大跨度鐵路混凝土橋梁車橋動力響應(yīng)的影響［D］.成都:西南交通大學，1999.

［2］錢振東，劉 云，黃 衛(wèi).考慮不平度的橋面鋪裝動響應(yīng)分析［J］.土木工程學報，2007，40(4):49-53.

［3］錢振東，黃 衛(wèi)，杜 昕，等.車載作用下大跨徑纜索支承橋橋型對鋪裝層受力的影響研究［J］.中國工程科學，2006，8(9):35-41.

［4］劉振清.大跨徑鋼橋橋面鋪裝體系設(shè)計理論關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:東南大學交通學院，2004.

［5］秦順全，高宗余，潘東發(fā).武漢天興洲公鐵兩用長江大橋關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.橋梁建設(shè)，2007，1:1-4.

［6］李明華，高宗余.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋正橋的設(shè)計［J］.中國鐵路，2006，3:38-41.

［7］Xu Q W，Zhou Q H，Medina Ce.Experimental and numerical analysis of a waterproofing adhesive layer used on concrete-bridge decks［J］.International Journal of Adhesion＆ Adhesives，2009，29:525-534.

［8］ Xu Q W，Sun Z Z，Wang H.Laboratory testing material property and FE modeling structural response of PAM-modified concrete overlay on bridges［J］.Journal of Bridge Engineering，2009，14(1):26-35.

［9］中國人民共和國鐵道部.新建時速200-250公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［10］ Park H M，Choi J Y，Lee H J.Performance evaluation of a high durability asphalt binder and a high durability asphalt mixture for bridge deck pavements［J］.Construction and Building Materials，2009，23:219-225.

［11］中國人民共和國鐵道部.TB10082-2005鐵路軌道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.，，

［12］郜永杰，翟婉明.軌道結(jié)構(gòu)強度有限元分析［J］.交通運輸工程學報，2004，4(2):36-39.

［13］東南大學橋面鋪裝課題組.上海長江公路大橋鋼箱梁橋面環(huán)氧瀝青鋪裝研究［R］.南京:東南大學，2009.

［14］中國人民共和國鐵道部.客運專線橋梁混凝土橋面防水層暫行技術(shù)條件(修訂版)(科技基函［2007］6號)［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.