雙塊式無砟軌道軌枕松動修復材料性能分析

徐 坤,黃慧超,段玉振,任娟娟

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

1 概述

雙塊式無砟軌道是我國無砟軌道結構型式之一，隨著大量客運專線的建設，其得到了越來越廣泛地應用[1]。雙塊式無砟軌道整體受力性能較好，但是存在的問題之一是處于新舊混凝土交界面的軌枕與道床板之間容易出現軌枕松動，軌枕松動對列車運營下的鐵路軌道有一定的破壞性，不良的軌道狀態會加劇高速鐵路運行時的動態不平順及動力附加荷載，如此循環將會導致軌道結構的破壞，為維護軌道結構的完整性和耐久性，軌枕松動后必須及時維修，修復材料的性能對維修效果有著重要影響。借助于有限元軟件建立雙塊式無砟軌道梁體模型，研究荷載作用下修復材料對軌道結構的受力影響，以期為雙塊式道床板軌枕松動維修提供一定的理論基礎。

雙塊式無砟軌道主要結構由預制的帶鋼桁架的鋼筋混凝土軌枕，現場澆筑的混凝土道板，混凝土支承層組成。新老混凝土之間的粘結主要依靠范德華力和機械咬合力維系[2]。無砟軌道在長期使用過程中承受列車荷載，溫度變化，基礎變形及混凝土自身徐變和收縮的影響容易產生裂紋，尤其是處于新老混凝土粘結面的軌枕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展。雨水一旦侵入軌枕周邊裂紋，一方面會致使混凝土材料交界表面顆粒之間的粘結強度降低甚至銹蝕內部鋼筋；另外列車荷載與水的耦合作用形成對新老混凝土交界面的沖刷和軌枕周圍已有裂紋的劈裂沖擊。當水流壓力足夠大時，混凝土表面松散軟化的顆粒會沿裂縫口噴射出軌道結構，在高頻列車荷載和動水的反復作用下，雙塊式無砟軌道軌枕逐漸形成軌枕松動[2-3]，如圖1所示。

圖1 軌枕松動現場

2 模型及參數

參考相關文獻[4-5]，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，依據彈性地基梁體有限元理論，運用有限元軟件建立鋼軌—扣件—道床板—支承層—地基相互作用的實體模型，分析軌枕松動修復之后維修材料的受力特征，進而提出維修材料的各項力學性能指標的建議值。鋼軌采用BEAM188梁單元模擬，道床板、支承層、修復材料以及軌枕塊均采用實體單元SOLID45模擬，鋼軌與軌枕之間的扣件連接系統和下部基礎支承體系均采用線性彈簧單元COMBIN14模擬。計算時取3個單元板長度，維修材料在中間軌枕處，模型兩端加上縱向和橫向的位移約束，模型中道床板與支承層間、維修材料與軌枕及道床板之間采用粘結。含修復材料的雙塊式軌道靜力學計算模型如圖2所示。

圖2 含修復材料的雙塊式軌道靜力學計算模型

以路基上時速350 km再創新雙塊式無砟軌道結構為例，有限元模型如圖3所示。計算模型的主要參數包括：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；道床板彈性模量取為E=3.25×104MPa，泊松比為0.2，厚度×寬度=0.26 m×2.8 m；支承層彈性模量取為E=2.55×104MPa，泊松比為0.2，厚度×寬度=0.30 m×3.4 m，道床板及軌枕線膨脹系數為α=1.0×10-5/ ℃，路基基床面剛度k76=76 MPa/m。主要針對修補材料的彈性模量、軌枕四周離縫寬度等參量進行分析。修補材料彈性模量分別取為100、300、500、1 000、32 500 MPa，修補材料厚度t分別取為0.5、1、2、5 mm。計算得到采用不同彈性模量的修復材料及軌枕四周脫離寬度對結構力學性能的影響，進而提出相關參數的建議值[4-6]。

圖3 雙塊式無砟軌道有限元模型

3 維修材料力學分析

雙塊式無砟軌道結構中，軌枕作為連接軌道上部鋼軌與下部基礎結構的重要部件，它的支撐狀態不僅對軌道動態平順性起著巨大作用，直接影響著運行車輛振動的劇烈程度，而且還會對道床板的受力狀態產生直接影響[9-12]。在軌枕松動后，雨水有可能通過界面裂紋滲透到道床板內部，從而加速道床板的破壞，尤其是列車經過時軌枕塊對道床板的剛性拍打，將會加劇軌枕松動及破壞軌道結構的完整性。嚴重情況時軌枕松動會導致軌枕下部支撐失效，軌枕發生部分或完全懸空，造成軌枕空吊的病害甚至劣化軌道結構的平順性，進而影響行車的平穩性和安全性。因此，在軌枕松動出現后應當及時維修，軌枕松動的維修應達到防止松動進一步擴展、恢復軌枕的強度和承載能力、彌補軌枕松動處原有道床板的強度不足等效果。

理論計算表明，當道床板整體升溫25 ℃，修補材料彈性模量在100～1 000 MPa時，修補材料及道床板的拉、壓應力比較小，修復材料最大拉壓應力分別為2.02、11.81 MPa，道床板最大拉壓應力分別為2.11、9.3 MPa。其他值均沒有超出道床板混凝土允許拉應力2.39 MPa；當修補材料彈性模量與道床板彈性模量相同時，修補材料最大達到4.40 MPa，道床板拉應力均未超過混凝土極限抗拉強度2.39 MPa。升溫對修補材料及道床板受力的影響不大，因此升溫工況不是確定修補材料的力學性能的控制因素，以列車荷載及道床板整體降溫為修補材料力學性能控制因素。

(1)列車荷載作用下修復材料的性能

列車荷載采用動力學計算得出的最大輪軌力為178.8 kN，考慮最不利荷載時最大輪軌力加載于模型中間鋼軌上，即軌枕松動扣件處。圖4表示修補材料及道床板應力隨材料彈性模量和修補厚度的變化情況。由圖4可知，修補材料及道床板拉、壓應力均隨著修補材料的厚度增加而減小，隨彈性模量的增大而增加；當修補材料彈性模量為100～1 000 MPa時，修補材料及道床板拉、壓應力比較小，僅在修補材料厚度為0.5 mm時比較大，修補材料拉應力達到4.92 MPa，道床板拉應力達到4.88 MPa，超出道床板混凝土允許拉應力2.39 MPa；當修補材料彈性模量與道床板彈性模量相同時，修補材料及道床板的拉應力均較大，均超過2.39 MPa。綜上所述，建議修補材料的彈性模量在100～1 000 MPa，若修補材料在天窗時間內抗拉強度不能達到5 MPa，抗壓強度不能達到3 MPa，建議對剛修復的軌枕處鋼軌進行臨時支撐，待達到合適強度后再撤走臨時支撐設備。

圖4 列車荷載作用時修復材料及道床板最大拉壓應力曲線

(2)整體降溫修復材料的力學性能

路基地段鋪設的雙塊式軌道采用連續澆筑，在降溫時道床板內部存在很大的縱向溫度力?；A環境溫度取為10 ℃，降溫幅度為20 ℃，達到-10 ℃。降溫荷載作用下道床板及修補材料的受力見圖5。

圖5 降溫時修復材料及道床板最大拉壓應力曲線

由圖5可見，修補材料及道床板的拉、壓應力均隨著修補材料的厚度增加而減小，隨彈性模量的增大而增加；在修補材料彈性模量在100～500 MPa時，修補材料及道床板拉、壓應力在修補材料比較厚時力學性能較好，厚度較小時就會超出道床板的最大拉應力標準值2.39 MPa；當修補材料彈性模量大于500 MPa時，各種工況下道床板拉應力均超過2.39 MPa。綜上所述，建議修補材料的彈性模量在100～500 MPa，修補材料在天窗時間內的抗拉強度不低于7 MPa，抗壓強度不低于4 MPa，修補材料的厚度取為2～5 mm，為了減小降溫對修復效果的的影響，盡量選擇晝夜溫差不大的天氣進行修復。

4 結論

(1)修復材料及道床板的拉壓應力隨著修復材料厚度增加而減小，隨彈性模量的增大而增加。

(2)建議修復材料的彈性模量在100～500 MPa，修復材料施工2 h后的抗拉強度不低于5 MPa，抗壓強度不低于3 MPa，7d后的抗拉強度不低于10 MPa，抗壓強度不低于20 MPa；修復材料的厚度5～20 mm。

(3)考慮到修復后很快又要通車，建議凝膠時間不大于3h；粘結強度不低于最大拉應力，建議粘結強度不低于10 MPa。松動軌枕周圍的離縫寬度對軌道結構受力的影響很小，但需考慮封閉防水處理，同時，界面離縫寬度越大對維修材料和道床板受力越有利，表明維修松動的軌枕時，可考慮鑿出較寬的寬度，一般在2 cm左右。

[1] 張勇.路基上雙塊式無砟軌道空間力學及裂縫特性研究[D].長沙:中南大學，2011．

[2] 李耀東.列車荷載與水耦合作用下雙塊式軌道軌枕脫空機理研究[D].成都:西南交通大學，2013．

[3] 段玉振.雙塊式軌道軌枕松動影響及維修方法研究[D].成都:西南交通大學，2013．

[4] 朱勝陽，蔡成標.含裂紋的雙塊式無砟軌道道床垂向振動特性分析[J].鐵道學報，2012，34(8):82-86．

[5] 朱劍月，張艷.軌枕空吊對軌道結構動力性能的影響[J].中國鐵道科學，2011(5)：8-15.

[6] 吳斌，張勇，曾志平，徐慶元，李平.溫度及收縮荷載下路基上雙塊式無砟軌道力學及裂縫特性研究[J].鐵道科學與工程學報，2011，8(1):20-23．

[7] 陳學楚.現代維修理論[M].北京：國防工業出版社，2010．

[8] 王森榮，楊榮山.無砟軌道裂紋產生原因與整治措施[J].鐵道建筑，2007(9):76-79．

[9] 任娟娟，劉學毅，趙坪銳.連續道床板裂紋計算方法及影響因素[J].西南交通大學學報，2010，45(1):35-38．

[10] 劉學毅，趙坪銳，楊榮山，王平.客運專線無砟軌道設計理論與方法[M].成都:西南交通大學出版社，2010．

[11] 郭劍，潘雨，王旭.客運專線無碴軌道雙塊式軌枕混凝土配合比試驗研究[J].鐵道標準設計，2008(3):69-71．

[12] Frank McCullough B. Three-dimensional nonlinear finite element analysis of continuously reinforced concrete pavements[R].The University of Texas at Austin， 2000.