溫度作用下軌道板與CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的影響分析

徐 浩，劉 霄，徐金輝，王 平

(1.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;2.西南交通大學信息科學與技術學院，成都 610031)

溫度作用下軌道板與CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式軌道的影響分析

徐 浩1，劉 霄2，徐金輝1，王 平1

(1.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;2.西南交通大學信息科學與技術學院，成都 610031)

軌道板與水泥乳化瀝青砂漿離縫是CRTSⅡ型板式無砟軌道的主要傷損形式之一，水泥乳化瀝青砂漿具有支承、緩沖、傳載等作用，離縫將影響無砟軌道的變形與受力。基于彈性地基梁體理論和有限元方法，建立了路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道有限元模型，分析在溫度荷載和自重作用下不同離縫長度以及產生離縫后CA砂漿層參數對軌道結構的影響。結果表明：軌道板的翹曲位移及縱向應力均隨著離縫長度增大而增加;當離縫長度超過1.95 m時，軌道板的翹曲變形及縱向應力都急劇增大，建議軌道板與CA砂漿層離縫長度不宜超過1.95 m。

CRTSⅡ型板式軌道;軌道板;溫度荷載;離縫

CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、水泥瀝青砂漿調整層、連續底座板(橋梁)或支承層(路基)、滑動層(橋上)、側向擋塊(橋上)等部分組成［1］，其中水泥乳化瀝青砂漿是填充于軌道板與混凝土底座板之間的一種彈性緩沖材料，可以調整軌道板的幾何位置，其厚度一般20～40 mm，起到支承、調節、吸振、隔振和傳力的作用［2-3］。溫度梯度作用下軌道板發生翹曲、下部基礎沉降或砂漿破損等，均可能造成軌道板與砂漿層間出現離縫。現場調查表明砂漿層出現離縫現象較為普遍，圖1為某線路軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫的情況。國內外已經有許多正常情況下單元板式軌道軌道板翹曲變形與翹曲應力的研究［4-8］，也有關于砂漿層破損對路基上板式軌道動力響應的研究［9-10］，但是關于CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板翹曲變形和翹曲應力研究很少，研究水泥乳化瀝青砂漿層離縫對路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道板翹曲變形及翹曲應力的影響則更少。

當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿產生離縫后，由于離縫區域水泥乳化瀝青砂漿對軌道板的粘結力消失，溫度荷載作用下離縫區域軌道板的翹曲變形必然增大，一旦變形超過一定的限值，將影響行車的平穩性和安全性。因此本文將利用有限元方法分析溫度荷載作用下軌道板與CA砂漿離縫對CRTSⅡ型板式無砟軌道的影響，有利于為CRTSⅡ型板式無砟軌道的養護維修提供理論依據。

圖1 CRTSⅡ型板式軌道中軌道板與CA砂漿層離縫

1 計算模型與求解方法

軌道板與水泥乳化砂漿層離縫主要影響無砟軌道的豎向變形與縱向受力，因此本文僅考慮軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫對CRTSⅡ型板式無砟軌道的豎向變形和縱向受力。根據彈性地基梁體理論與有限元方法［8］，建立路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道計算模型，如圖2所示。建立有限元模型時，可對軌道結構的各組成部件幾何模型進行合理簡化，并采用不同的單元模擬。

圖2 彈性地基梁體力學模型

鋼軌為無砟軌道的重要組成部分，作為等截面的細長結構物，有限元分析時可看成無限長點支承梁;扣件系統主要考慮其豎向剛度，等效為線性彈簧;由于CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道板在縱向上通過6根預應力鋼筋連接，混凝土支承層則在線路縱向上連續施工，且軌道板、混凝土支承層的形狀比較規則，建立模型時可按縱向連續的彈性體考慮，離散為八節點的六面體實體單元;水泥乳化瀝青砂漿層和路基基礎則考慮豎向支承作用，采用連續均勻的線性彈簧模擬;而對于離縫區域，水泥乳化瀝青砂漿不再有粘結力，因此可將其模擬成單方向受力的非線性彈簧。

計算中僅考慮溫度荷載的作用，軌道板與混凝土支承層的板邊為自由邊界，鋼軌、軌道板、混凝土支承層的端部均約束縱、橫向位移，模擬路基的彈簧底部約束其3個方向的自由度，在這樣的邊界條件下，模型無剛體位移，無多余約束，符合CRTSⅡ型板式無砟軌道的實際邊界情況。計算時取等效3塊板的長度，并以中間相當一塊板長作為離縫設置區域。

利用ANSYS有限元分析軟件，建立相應的有限元模型，求解溫度荷載作用下軌道板與CA砂漿離縫對軌道結構的影響。

2 計算條件

2.1 計算假定及基本參數

在計算過程中，假定一旦CRTSⅡ型板式軌道的軌道板與水泥乳化瀝青砂漿之間產生離縫，即認為此處沿軌道板的橫向均產生離縫，因此在計算過程中軌道板與水泥瀝青砂漿層的離縫面積大小可通過沿軌道板縱向的離縫長度表示。

鋼軌采用CHN60鋼軌;扣件采用WJ-8扣件，扣件剛度取為50 kN/mm，扣件的間距取0.65 m;軌道板采用實際尺寸，寬度為2.55 m，厚度為0.2 m，采用C55混凝土，其彈性模量為35 500 MPa，線膨脹系數為1×10-5/℃，為了消除邊界的影響取等效3塊軌道板的長度考慮，為19.5 m;模擬水泥乳化瀝青砂漿層的線性彈簧按彈性模量7 000 MPa換算;混凝土支承層也采用實際尺寸，其長度與軌道板的長度相同，寬度為3.25 m，厚度為0.3 m，彈性模量取7 000 MPa，線膨脹系數為1×10-5/℃;模擬路基線性彈簧則按支承剛度75 MPa/m換算，計算中的溫度荷載按正溫度梯度取90℃/m，計算時考慮軌道板的板厚修正系數［11-13］。

2.2 計算工況

計算時主要考慮自重和溫度荷載共同作用下軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫的長度對軌道結構變形和受力的影響;由文獻［13］可知，水泥乳化瀝青砂漿層的參數取值在一定范圍內，假定軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層產生相同長度的離縫時，系統研究了溫度荷載作用下，水泥乳化瀝青砂漿層參數變化對軌道結構的影響，從而為CRTSⅡ型板式軌道的水泥乳化瀝青砂漿層參數優化提供理論依據。

軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫長度分別考慮:無離縫，離縫 0.65、1.3、1.95、2.6、3.9、5.2 m 和6.5 m 8種不同情況。

對水泥乳化瀝青砂漿層的參數進行優化時，假定離縫的長度為1.95 m(即3個扣件間距)，砂漿層的參數變化主要考慮其厚度及彈性模量。厚度分別考慮10、30、50、150 mm 和 200 mm 5 種情況，而彈性模量考慮 50、100、300、500、1 000、3 000、5 000、7 000 MPa和10 000 MPa 9種工況。

3 結果分析

計算結果主要分析溫度荷載作用時不同工況下軌道板的翹曲位移及翹曲應力，分析時以中間等效一塊板長為計算板段。

3.1 離縫長度的影響

在正溫度梯度與自重作用下，軌道板將產生上拱的翹曲變形，計算板段板中的翹曲變形以及不同離縫長度下軌道板板中的最大翹曲位移變化如圖3所示。

將產生離縫后溫度荷載作用下軌道板的翹曲位移曲線與未離縫時軌道板的翹曲位移曲線兩交點之間的范圍作為軌道板翹曲位移影響范圍，不同離縫長度下軌道板翹曲位移的影響范圍如表1所示。由于計算中假定離縫沿軌道板橫向全部離縫，從而用離縫長度表示離縫面積，因此軌道板翹曲位移的影響范圍也用其影響的長度表示。

圖3 不同離縫長度下軌道板的翹曲位移

表1 軌道板翹曲位移影響范圍

不同離縫長度下軌道板內的最大翹曲壓應力及翹曲拉應力變化如圖4所示。

圖4 軌道板的最大翹曲應力

從圖表中可以看出，隨著軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層離縫的增大，由于水泥乳化瀝青砂漿層對軌道板的約束作用逐漸降低，在相同的溫度荷載及自重作用下，軌道板的翹曲位移及其影響范圍均逐漸增大。當沒有離縫存在時，軌道板的翹曲位移為0.073 mm，而當離縫長度達到相當軌道板的長度(6.5 m)時，軌道板的翹曲位移增大到0.539 mm，翹曲位移增大了7.38倍。從圖3(b)可以看出，當離縫長度達到1.95 m時，軌道板的最大翹曲位移出現突變。表1說明軌道板與CA砂漿層一旦產生離縫，其影響范圍將出現突變，當離縫長度達到1.95 m時，軌道板翹曲位移影響范圍就達到一塊軌道板的長度。

圖4說明，軌道板內縱向最大拉、壓應力均隨著離縫長度逐漸增大，同樣在離縫長度為1.95 m時，出現拐點，且隨著離縫長度的進一步加大，軌道板內的翹曲應力基本不變，但翹曲位移發生較大變化，因此建議在實際運營中，軌道板的離縫長度達到1.95 m時應及時進行維護，以防止離縫長度進一步擴大，影響軌道結構的變形和受力，甚至影響行車的安全性和平穩性。

3.2 CA砂漿層彈性模量的影響

當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫長度為1.95 m時，不同彈性模量的水泥乳化瀝青砂漿層下的軌道板的最大翹曲位移及翹曲應力如圖5、圖6所示。

圖5 軌道板最大翹曲位移

圖6 軌道板內最大翹曲應力

當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層產生離縫后，隨著水泥乳化瀝青砂漿層彈性模量的提高，在離縫兩側的CA砂漿對軌道板翹曲變形的限制也逐漸加強，因此軌道板的翹曲位移會逐漸降低，軌道板內的翹曲應力也隨之增大。從軌道板的翹曲位移和縱向拉、壓應力最大值的變化曲線可知，當CA砂漿的彈性模量達到5000 MPa以后，其翹曲位移和縱向應力基本沒有變化，這也說明文獻［13］中水泥乳化瀝青砂漿層的彈性模量取值為5 000～7 000 MPa具有一定的合理性。

3.3 CA砂漿層厚度的影響

當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿層的離縫長度為1.95 m時，不同厚度的水泥乳化瀝青砂漿層下的軌道板的最大翹曲位移及翹曲應力如表2所示。

從表2的數據中可以看出，隨著CA砂漿層的厚度降低，CA砂漿層對軌道板的約束逐漸降低，因此軌道板的翹曲位移增大，縱向應力降低，綜合軌道板翹曲位移、縱向應力以及CA砂漿層施工中的調整作用，建議CA砂漿層的厚度取為30～100 mm，這也說明CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿層設計的合理性。

表2 不同砂漿層厚度下軌道板的最大翹曲位移、縱向應力

4 結論與建議

基于彈性地基梁體理論，建立路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道模型，系統研究了溫度荷載作用下軌道板與CA砂漿層在軌道板橫向全寬范圍內出現離縫時對軌道結構的影響及離縫條件下CA砂漿層參數變化的影響研究，得到如下結論與建議。

(1)隨著軌道板與CA砂漿層離縫長度的增大，軌道板板中的翹曲位移和縱向拉、壓應力均不斷增大，且當軌道板與CA砂漿層的離縫長度達到1.95 m時，軌道板的翹曲位移和縱向應力出現急劇增大，且軌道板翹曲位移影響范圍增大到6.5 m，之后增大趨勢趨于平緩。

(2)通過研究離縫條件下，CA砂漿層參數對軌道結構的影響，驗證了當前CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿層設計的合理性，同時為其參數進一步優化提供了理論依據。

(3)水泥乳化瀝青砂漿層作為CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的中間墊層結構，其服役性能將直接影響無砟軌道的耐久性、安全性和經濟性，一旦軌道板板底與CA砂漿層之間出現離縫，在列車荷載的作用下會造成軌道板在砂漿上的拍打或沖切，加大砂漿受力，加速砂漿的破損。因此建議當CRTSⅡ型板式軌道中當軌道板與CA砂漿層的離縫長度達到1.95 m時，應及時進行養護維修，防止離縫長度擴大、翹曲位移加劇，從而影響行車安全與舒適性。

［1］ 韓志剛，孫立.CRTSⅡ型板式軌道軌道板溫度測量與變形分析［J］.鐵道標準設計，2011(10):41-44.

［2］ 李悅，謝冰，鮑俊玲，周孝軍.國內板式無碴軌道CA砂漿研究現狀與展望［J］.建材世界，2010，31(2):46-49.

［3］ 王強，閻培渝.CA砂漿在無砟軌道上的應用［J］.商品混凝土，2009(12):32-33.

［4］ 周毅，何燕平，楊榮山.CA砂漿彈模對框架板式軌道翹曲應力的影響分析［J］.鐵道建筑，2011(3):103-105.

［5］ 王森榮.板式無砟軌道溫度力研究［D］.成都:西南交通大學，2007:26-49.

［6］ 王繼軍，尤瑞林，王夢，江成.單元板式無砟軌道結構軌道板溫度翹曲變形研究［J］.中國鐵道科學，2010，31(3):9-14.

［7］ 傅成志，劉衍文.哈大鐵路客運專線CRTSⅠ型軌道板翹曲變形研究［J］.鐵道標準設計，2012(5):67-71.

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

［9］ 石瑋荃.高速鐵路板式軌道結構缺陷對動力學性能的影響分析［D］.成都:西南交通大學牽引動力國家實驗室，2011:56-63.

［10］向俊，赫丹，曾慶元.水泥瀝青砂漿劣化對板式軌道動力學性能的影響［J］.中南大學:自然科學版，2009，40(3):791-796.

［11］趙坪銳.客運專線無砟軌道設計理論與方法研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［12］王平，徐浩，陳嶸，徐井芒.路基上CRTSⅡ型板式軌道裂紋影響分析［J］.西南交通大學學報，2012，47(6):929-934.

［13］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式軌道技術總結報告［R］.北京:鐵道部工程管理中心，2008.

Influence on CRTS-ⅡSlab Track Structure Caused by the Debonding between Slab and CA Mortar under the Action of Temperature Load

XU Hao1，LIU Xiao2，XU Jin-hui1，WANG Ping1
(1.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.School of Information Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The debonding between the slab and emulsified asphalt cement mortar is one of the main failure modes of CRTS-Ⅱslab track;the emulsified asphalt cement mortar plays the roles such as supporting，buffering and transferring the forces，so the debonding between the slab and CA mortar will have negative effects on stress state and deformation behaviors of ballastless track.In this paper，based on elastic foundation beam theory and finite element method，the finite element model of CRTS-Ⅱ slab track on railway subgrade was established.And then the influences on the track structure caused by different lengths of debonding and caused by the parameters of CA mortar after the debonding appeared were analyzed under the actions of both temperature load and self weight load.The results show that both the warping deformation and the longitudinal stress increase with the growth of the debonding length;if the debonding length exceeds 1.95 m，both the warping deformation and the longitudinal stress will increase sharply.So it is suggested that the debonding length between the slab and CA mortar should be controlled within 1.95 m.

CRTS-Ⅱslab track;slab;temperature load;debonding

U213.2+44

A

1004-2954(2013)09-0009-04

2013-02-25

國家973計劃(2013CB036202);國家自然科學基金資助項目(51008258);鐵道部科技研究開發計劃(2011G002)

徐 浩(1989—)，男，博士研究生。