雙塊式無砟軌道連續(xù)道床板裂紋修復(fù)材料性能分析

黃慧超,徐 坤,任娟娟

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

無砟軌道具有高平順性，結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)，修補(bǔ)工作量少的優(yōu)勢，是高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要趨勢。雙塊式無砟軌道是我國無砟軌道結(jié)構(gòu)型式之一，隨著大量客運(yùn)專線的建設(shè)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。雖然雙塊式無砟軌道作為縱連結(jié)構(gòu)整體受力性能較好，但是存在的問題之一是連續(xù)道床板容易產(chǎn)生大量裂紋，為維護(hù)軌道結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性，道床板開裂后必須及時(shí)維修，修復(fù)材料的性能對維修效果有著重要影響。借助于ABAQUS有限元軟件建立含道床板貫通裂紋的雙塊式無砟軌道梁體模型，分析最不利荷載作用時(shí)所適合的修補(bǔ)材料，以期為雙塊式道床板裂縫維修提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 概述

雙塊式無砟軌道在長期使用過程中承受列車荷載、溫度變化、基礎(chǔ)變形及混凝土自身徐變和收縮的影響容易產(chǎn)生裂紋，尤其是處于新老混凝土粘結(jié)面的軌枕塊和道床板處對外界荷載較為敏感，混凝土道床板上的裂紋極易從此處發(fā)展，如圖1所示。裂紋的產(chǎn)生會(huì)降低道床板的耐久性、承載能力和抗?jié)B能力，特別是貫通裂紋的危害較大，會(huì)降低無砟軌道的絕緣性能，使軌道局部的承載力減弱，影響行車安全和軌道結(jié)構(gòu)的使用年限[1]。

圖1 道床板裂紋

2 模型及參數(shù)

[1]，雙塊式無砟軌道由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板和支承層組成，道床板縱、橫向上下層均配有鋼筋。鋼筋對控制裂縫發(fā)展起著重要的作用，因此必須考慮鋼筋對結(jié)構(gòu)受力的影響，依據(jù)彈性地基梁體有限元理論，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立鋼軌-扣件-道床板-支承層-地基相互作用的實(shí)體模型。鋼軌采用梁單元模擬，道床板、支承層、修復(fù)材料以及軌枕塊均采用實(shí)體單元模擬，道床板中的鋼筋采用桁架單元模擬，鋼軌與軌枕之間的扣件連接采用線性彈簧單元來模擬，支承層底面加上彈性地基約束。鋼筋采用嵌入技術(shù)嵌入到道床板中，與道床板單元形成耦合作用，以模擬鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移。本文建立相關(guān)有限元模型時(shí)，預(yù)先在道床板中切出裂紋位置，再將修補(bǔ)材料補(bǔ)入，計(jì)算時(shí)取3個(gè)單元板長度，修復(fù)材料在中間長度處，模型兩端加上縱向和橫向的位移約束，模型中道床板與支撐層間、修復(fù)材料與道床板間接觸全采用粘結(jié)命令進(jìn)行粘結(jié)。雙塊式無砟軌道梁體模型如圖2所示。

圖2 雙塊式無砟軌道梁體模型

圖4 材料拉應(yīng)力隨裂紋寬度的變化

以路基上時(shí)速350 km再創(chuàng)新雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例，有限元模型如圖3所示。計(jì)算模型的主要參數(shù)包括：鋼軌斷面采用CHN60軌；扣件剛度取為20 kN/mm，軌枕間距取為0.65 m；道床板彈性模量E=3.25×104MPa，厚度×寬度=0.26 m×2.8 m；支承層彈性模量E=2.55×104MPa，厚度×寬度=0.30 m×3.4 m；鋼筋彈性模量E=2.1×105MPa，縱橫向鋼筋直徑分別為20、16 mm，線膨脹系數(shù)α=1.18×10-5/℃，上下層鋼筋混凝土保護(hù)層厚度分別為50、40 mm；路基基床面剛度k76=76 MPa/m。在列車荷載作用下，道床板上表面的裂紋將閉合，考慮道床板上表面裂紋的情況時(shí)，最不利荷載為軌道整體降溫荷載和負(fù)溫度梯度的耦合作用。考慮到各地氣溫差異，采用2個(gè)降溫工況分別為50 ℃和25 ℃。

圖3 雙塊式無砟軌道有限元模型

3 維修材料力學(xué)分析

在道床板開裂后，雨水有可能通過裂紋滲透到道床板內(nèi)部，從而加劇道床板的破壞，尤其是當(dāng)裂紋深度達(dá)到鋼筋保護(hù)層時(shí)，雨水將銹蝕鋼筋，縮短鋼筋混凝土的使用壽命。因此，在道床板出現(xiàn)一定裂紋時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行及時(shí)的維修。裂紋的維修應(yīng)達(dá)到防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展、恢復(fù)道床板的局部強(qiáng)度和承載能力、防止鋼筋被雨水銹蝕、彌補(bǔ)裂紋處原有道床板的強(qiáng)度不足等效果。

為研究材料性能可先考慮彈性性能的維修材料；當(dāng)降溫幅度較大時(shí)，彈性的維修材料將承受過大的拉應(yīng)力，此時(shí)維修材料需要有一定的延伸率，則需采用彈塑性的維修材料。根據(jù)已有的維修材料特性，暫取維修材料的泊松比為0.15，線膨脹系數(shù)為2.5×10-5/℃。

(1)按線彈性材料分析維修材料的彈性模量

考慮軌道整體降溫幅度分別選取為25 ℃和50 ℃，對不同彈性模量維修材料的受力進(jìn)行分析。維修材料彈性模量分別選取為100、300、500、1 000、5 000 MPa，裂紋寬度分別取為0.2、0.3、0.5、1、2、3 mm，以確定較為合理的維修材料彈性模量。圖4表示軌道整體降溫為25 ℃時(shí)，裂紋寬度，即道床板貫通裂紋修復(fù)后材料的寬度對修復(fù)材料受力的影響。

隨著裂紋寬度增大，維修材料所受縱向和橫向拉應(yīng)力隨之減小，其中縱向應(yīng)力減小的趨勢比橫向應(yīng)力減小趨勢幅度大，裂紋寬度的變化對維修材料所受縱向應(yīng)力的影響較大。圖5表示軌道整體降溫為25 ℃時(shí)，材料彈性模量對材料所受拉應(yīng)力大小的影響。由圖5可見，隨著彈性模量的增大，維修材料所受縱向和橫向拉應(yīng)力均隨之增大，且材料所受橫向拉應(yīng)力幾乎呈線性增長；不同寬度裂紋時(shí)修復(fù)材料所受橫向拉應(yīng)力大小變化不明顯，拉應(yīng)力值沒有超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度2.39 MPa。

圖5 材料拉應(yīng)力隨材料彈性模量的變化

當(dāng)降溫25 ℃時(shí)，0.2 mm寬的裂紋宜采用彈性模量為100 MPa的維修材料，0.3 mm寬的裂紋宜采用彈性模量為100～300 MPa的維修材料，0.5 mm寬的裂紋宜采用彈性模量為100～500 MPa的維修材料，1～3 mm寬的裂紋宜采用彈性模量為100～1 000 MPa的維修材料。

(2)按彈塑性材料分析維修材料的延伸率

計(jì)算表明，在無砟軌道整體降溫50 ℃時(shí)，維修材料所受縱向和橫向拉應(yīng)力變化規(guī)律與軌道整體降溫25 ℃工況類似。但是當(dāng)軌道整體降溫幅度達(dá)到50 ℃時(shí)，線彈性維修材料所受拉應(yīng)力很大，最小拉應(yīng)力也達(dá)到3.349 MPa，當(dāng)其與舊混凝土粘結(jié)后，容易使得裂紋再次產(chǎn)生。因此，維修材料需要有一定的塑性和延伸率，從而降低其拉應(yīng)力。延伸率是描述材料塑性性能的指標(biāo)，其計(jì)算公式為δ=Δa/a×100%，其中a為裂紋的原寬度，Δa為在荷載作用后裂紋寬度的增量。

圖6 道床板裂紋維修材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

假設(shè)材料拉應(yīng)力達(dá)到1 MPa時(shí)屈服，即此時(shí)材料塑性應(yīng)變?yōu)?。當(dāng)材料的粘結(jié)強(qiáng)度為1.5 MPa時(shí)，維修材料的本構(gòu)關(guān)系如圖6所示。由于裂紋寬度越大，所需維修材料的塑性性能要求越低，計(jì)算分析時(shí)主要考慮裂紋寬較小時(shí)彈塑性維修材料的性能。

考慮采用裂紋寬度分別為0.2、0.3、0.5 mm，維修材料的彈性模量分別為100、300、500 MPa時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表1～表3所示。

表1 材料彈性模量為100 MPa、軌道降溫50 ℃時(shí)材料受力

表2 材料彈性模量為300 MPa、軌道降溫50 ℃時(shí)材料受力

表3 材料彈性模量為500 MPa、軌道降溫50 ℃時(shí)材料受力

圖7～圖8為軌道整體降溫50 ℃，裂紋寬度為0.2 mm時(shí)維修材料的Mises應(yīng)力和應(yīng)變云圖，可見維修材料的最大應(yīng)力和應(yīng)變均出現(xiàn)在上表面，因此，維修材料最先在表面破壞。考慮到無砟軌道的維修時(shí)間，因此，需將維修材料的表干時(shí)間控制在2 h之內(nèi)。

當(dāng)裂紋寬度為0.2 mm時(shí)，可考慮采用彈性模量為100 MPa的維修材料，若采用表面封閉方法維修，則材料延伸率需達(dá)到343.5%，若采用灌注法進(jìn)行維修，則材料延伸率需達(dá)到254%。

當(dāng)裂紋寬度為0.3 mm時(shí)，可考慮采用彈性模量為100～300 MPa的維修材料，若采用表面封閉方法維修，則材料延伸率需達(dá)到229%，若采用灌注法進(jìn)行維修，則100 MPa的材料延伸率需達(dá)到171.5%，300 MPa的材料延伸率需達(dá)到165.4%。

當(dāng)裂紋寬度為0.5 mm時(shí)，可考慮采用彈性模量為100～500 MPa的維修材料，由于裂紋寬度較大，不應(yīng)僅僅進(jìn)行表面封閉，應(yīng)采用灌注法進(jìn)行維修。彈性模量為100、300、500 MPa的維修材料需達(dá)到最小延伸率分別為101.9%、101.4%、98.5%。

圖7 裂紋寬度為0.2 mm時(shí)維修材料Mises應(yīng)力云圖

圖8 裂紋寬度為0.2 mm時(shí)維修材料應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

根據(jù)上述維修材料力學(xué)性能分析，可知不同裂紋寬度所需維修材料的彈性模量和延伸率。當(dāng)裂紋寬度較小且深度小于臨界擴(kuò)展值時(shí)，需要具有較好延伸率的修復(fù)材料對裂紋表面進(jìn)行封閉處理，以避免空氣和水進(jìn)入裂紋，防止鋼筋銹蝕。隨著裂紋寬度增大，材料拉應(yīng)力減小，表明裂紋寬度越大，所需維修材料的性能要求越低。對于寬度為0.2～0.5 mm的裂紋，可考慮彈性模量為100～500 MPa的塑性維修材料，且最小延伸率不低于98%。為保證材料不會(huì)將混凝土拉裂，材料所受拉應(yīng)力應(yīng)小于混凝土抗拉強(qiáng)度2.39 MPa。

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