縱向軌枕式無砟軌道界面裂縫對軌道力學(xué)性能的影響

劉志彬，趙坪銳，胡 佳，劉 觀

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

縱向軌枕式無砟軌道界面裂縫對軌道力學(xué)性能的影響

劉志彬，趙坪銳，胡 佳，劉 觀

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

縱向軌枕軌道結(jié)構(gòu)改用預(yù)制混凝土縱梁連續(xù)支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，故預(yù)制軌枕與道床板的新舊混凝土界面是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析不可回避的因素。為了分析新舊混凝土界面對整體結(jié)構(gòu)的影響，并為縱向軌枕式無砟軌道設(shè)計提供相關(guān)參考，通過建立縱向軌枕式無砟軌道的二維有限元計算模型進行研究。結(jié)果表明：縱向軌枕式無砟軌道在列車荷載和溫度變化作用下，軌枕與道床板界面附近會出現(xiàn)縱向裂縫，并裂縫加快擴展。界面裂縫對軌道內(nèi)部應(yīng)力分布影響很大，對鋼軌扭轉(zhuǎn)有一定影響。

無砟軌道；新舊混凝土界面；縱向裂縫；鋼軌扭轉(zhuǎn)

軌道交通在各個國家的現(xiàn)代化進程中都發(fā)揮著重要作用，特別是在城市交通中，不僅大幅提高了能源利用率，減少了環(huán)境污染，更是極大地增強了運輸能力，緩解了城市交通壓力[1]。雙塊式無砟軌道是具有高平順性、高穩(wěn)定性、高精度要求的軌道結(jié)構(gòu)，其施工工藝較復(fù)雜，需要逐枕調(diào)整角度。為簡化施工工藝，加快施工進度，縮短工期，有必要進一步優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，縱向軌枕式無砟軌道應(yīng)運而生。

相對于橫向軌枕，縱向軌枕能提供連續(xù)支撐，軌道剛度沿線路縱向呈現(xiàn)均勻性[2]特點，有利于保持良好的軌道幾何狀態(tài)。負(fù)載量和左右穩(wěn)定性也都優(yōu)于橫向軌枕。同時車輛在縱向軌枕軌道上的運行平穩(wěn)性和行車安全性都可以得到保障。縱向軌枕式無砟軌道具有平順性高[3]、剛度均勻性好、軌道幾何形位穩(wěn)定性較好和維修工作量顯著減少等特點。

國內(nèi)外研究表明，雙塊式無砟軌道[4]現(xiàn)澆道床板與軌枕交界處易發(fā)生界面裂縫。縱向軌枕式無砟軌道作為一個實用的新型軌枕軌道結(jié)構(gòu)，有必要對其預(yù)制縱向軌枕和道床板界面的特性做詳細分析。

為此，在新舊混凝土粘結(jié)機理的基礎(chǔ)上，與縱向軌枕式無砟軌道相結(jié)合，分析縱向軌枕式無砟軌道軌枕與道床板界面。縱向軌枕橫斷面見圖1。縱向軌枕結(jié)構(gòu)如圖2所示。縱向軌枕長2.5 m，高0.2 m，枕上下邊寬度分別為0.45 m、0.52 m，側(cè)面采用1∶10的坡度。軌枕縱向采用2個三角桁架鋼筋，桁架腹筋縱向支距為190 mm。扣件間距625 mm。

圖1 路基上縱向軌枕橫斷面(單位：mm)

圖2 縱向軌枕結(jié)構(gòu)簡圖(單位:mm)

1 新舊混凝土粘結(jié)強度成因分析

雙塊式和長枕埋入式無砟軌道，由于軌枕是預(yù)制的，所以新舊混凝土容易因粘結(jié)不良而出現(xiàn)裂縫。即雙塊式和長枕埋入式無砟軌道中若不采用其他措施很容易出現(xiàn)裂縫。

而縱向軌枕式無砟軌道中也有這類新舊混凝土的粘結(jié)，是否也會出現(xiàn)同雙塊式和長枕埋入式無砟軌道類似的裂縫，這需要對新舊混凝土的粘結(jié)機理進行分析。

新舊混凝土有唯一的結(jié)合曲面[5，6]，但新舊混凝土破壞曲面卻不是唯一的。在絕大部分情況下，新舊混凝土破壞曲面發(fā)生在原結(jié)合面附近或者稍微偏離結(jié)合面，這一破壞曲面可稱為界面過渡區(qū)。

雖然目前對于界面過渡區(qū)的分子構(gòu)成和形成機理以及其與宏觀力學(xué)性能的認(rèn)識還不夠深入，但從界面過渡區(qū)的破壞過程和破壞形態(tài)分析，界面過渡區(qū)有以下特點[7]：(1)從微觀角度來看，界面過渡區(qū)中的晶體(界面區(qū)中主要存在有水化硅酸鈣、C-H晶體即氫氧化鈣、Aft即鈣礬石和未水化的熟料顆粒及空洞、裂縫)比水泥漿體(距離界面過渡區(qū)較遠的混凝土)中的晶體粗大；(2)界面過渡區(qū)晶體擇優(yōu)取向；(3)界面過渡區(qū)的晶體之間有比水泥漿體中更大、更多的空隙。

上述特點決定了界面過渡區(qū)強度低，容易引發(fā)裂縫，并且裂縫易于傳播，從而使界面過渡區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié)。

通過上述理論可以分析出，與雙塊式和長枕埋入式無砟軌道類似，縱向軌枕式無砟軌道中預(yù)制軌枕與道床板結(jié)合處是薄弱環(huán)節(jié)，為下文的裂縫出現(xiàn)位置的計算結(jié)果提供了理論支持。

2 混凝土新舊界面裂紋位置分析以及對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響

預(yù)制縱向軌枕澆筑于道床板中，在縱向軌枕的各側(cè)面存在新舊混凝土界面，該新舊混凝土界面為混凝土結(jié)構(gòu)受力的薄弱區(qū)。在混凝土收縮、列車荷載、溫度荷載等多種荷載的共同作用下，新舊混凝土界面不可避免會產(chǎn)生裂縫。在列車橫向荷載的作用下，沿線路縱向的裂縫將會近一步擴展。裂縫擴展深度的不同，軌道結(jié)構(gòu)受力也不相同。

2.1 計算模型

對線路直線地段，軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的受力近似滿足平面應(yīng)變狀態(tài)。此外，在線路的橫向考慮結(jié)構(gòu)的對稱性。基于此，采用Ansys建立縱向軌枕式無砟軌道的平面受力有限元計算模型，軌道各層可以簡化為板，忽略軌道各層沿線路方向的應(yīng)力和變形，采用Plane42單元模擬；桁架腹筋簡化為梁，兩端與混凝土固結(jié)，采用Beam3單元模擬，如圖3所示。

圖3 縱向軌枕式無砟軌道平面有限元計算模型

支撐層、軌道板、縱向軌枕分別用C20、C40、C60混凝土。腹筋采用φ8 mm的HRB335鋼筋。模型中各層的等效彈性模量由下式得出

式中ηA——軌道各層的面積配筋率(不含腹筋)；

Eeq——鋼筋混凝土的等效彈性模量；

Es——鋼筋的彈性模量；

Ec——混凝土的彈性模量。

模型中，道床板及縱向軌枕的面積配筋率采用1%。桁架腹筋用Beam3單元模擬，采用分離式鋼筋混凝土模型[8,9]，不考慮混凝土與鋼筋間的黏結(jié)和滑移。

對模型的位移邊界，支撐層底部固結(jié)；支撐層及道床板的右側(cè)面采用對稱約束。

列車軸重170 kN，扣件橫向和垂向分布系數(shù)均采用0.4，則模型中的垂向力為

P=170/2×0.4=34 kN

橫向力由最大脫軌系數(shù)及橫向力分布系數(shù)求得

H=170/2×0.8×0.4=27.2 kN

在有限元模型軌枕上表面的中間節(jié)點施加垂向力和橫向力，荷載均勻分布在鋼軌軌底范圍內(nèi)。

采用Ansys中的接觸單元的面面接觸模擬裂縫[10]。根據(jù)接觸單元的應(yīng)用規(guī)律，以裂縫一側(cè)的預(yù)制軌枕為目標(biāo)面，裂縫一側(cè)的道床板為接觸面。

2.2 溫度作用下裂縫位置

溫度對縱向軌枕式無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響十分明顯，置于自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)工程，經(jīng)受各種自然環(huán)境條件變化的影響，混凝土工程結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部各點溫度隨時都在發(fā)生變化，由此軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)強度薄弱處甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫。

假定整體澆筑混凝土的粘結(jié)強度為σ0，則新舊混凝土粘結(jié)強度σ可以表示為

σ=γσ0=1.4 MPa

式中，γ是新舊混凝土粘結(jié)強度折減系數(shù)，與結(jié)合面處的處理方法有關(guān)。本文按直接澆筑處理,γ取0.58[11]。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)在溫度與荷載作用下的第一主應(yīng)力

由計算結(jié)果可知，新舊混凝土結(jié)合處的應(yīng)力大于1.4 MPa。且縱向軌枕與道床板交界和支撐層與道床板交界處的上部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，相對于遠離界面上部的混凝土第一主應(yīng)力而言，其值偏大且分布區(qū)域集中。在界面強度遠低于同屬性混凝土的情況下，其應(yīng)力又大于同屬性的混凝土，所以在縱向軌枕與道床板交界處的應(yīng)力集中處，容易引發(fā)裂縫。而軌枕是預(yù)制的高強度鋼筋混凝土，其破壞極限大于道床板，故裂縫首先出現(xiàn)在交界處的道床板上端。

普通軌枕是橫向的，裂縫一般是局部的。而縱向軌枕在整個線路是連續(xù)的，裂縫易連成一體。本模型是縱向軌枕式無砟軌道的任意斷面，具有普遍性。假設(shè)整個線路是由無數(shù)個這樣的模型組合而成，沿線路方向上在軌枕與道床板的交界處的道床板上端處的裂縫會連成線，形成沿線路方向的裂縫，此裂縫在列車荷載和溫度變化的作用下不斷加深擴展。

2.3 裂縫對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

沿線路方向的裂縫會不斷加深擴展，這種擴展對軌道結(jié)構(gòu)的整體性有一定程度破壞。為了保證車輛在縱向軌枕軌道上的運行平穩(wěn)性和行車安全性，有必要分析在溫度作用下不同深度的裂縫對軌道結(jié)構(gòu)的影響。

采用接觸單元模擬裂縫的深度，計算時考慮軌枕左右兩側(cè)裂縫的深度相同。各裂縫深度下的第一主應(yīng)力及X方向應(yīng)力匯總于表1，而第一主應(yīng)力云圖和X方向應(yīng)力云圖受篇幅所限只列舉3種具有代表性的工況，如圖5～圖10所示。

表1 第一主應(yīng)力及X方向應(yīng)力最大值

圖5 裂縫深度1 cm下的第一主應(yīng)力云圖

圖6 裂縫深度1 cm下的X方向應(yīng)力云圖

圖7 裂縫深度3 cm下的第一主應(yīng)力云圖

圖8 裂縫深度3 cm下的X方向應(yīng)力云圖

圖9 裂縫深度7 cm下的第一主應(yīng)力云圖

圖10 裂縫深度7 cm下的X方向應(yīng)力云圖

分析上述計算結(jié)果可知，隨著裂縫深度的增加，整個結(jié)構(gòu)最大值變化呈現(xiàn)減小趨勢。而X方向最大拉力隨著裂縫擴展逐漸增大，且裂縫尖端處屬于大拉應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力亦有增大趨勢。

在預(yù)制軌枕中，壓應(yīng)力分布區(qū)是由上部向下部擴展的，但在裂縫尖端處一定是拉應(yīng)力。其中裂縫深度為7 cm時的X方向應(yīng)力云圖更能形象的表達出此規(guī)律。假設(shè)，裂縫尖端是壓應(yīng)力，裂縫停止擴展，與實際情況不相符。這從側(cè)面說明，在列車荷載和溫度變化作用下，裂縫會不斷擴展。

2.4 裂縫對鋼軌扭轉(zhuǎn)的影響

隨著裂縫的不斷擴展，縱向軌枕與道床板間的荷載傳遞狀態(tài)發(fā)生改變，故縱向軌枕的位移與截面形狀會發(fā)生變化，不會再保持水平。因此，上述現(xiàn)象在整個線路方向是連續(xù)的，即在沿線路方向，鋼軌會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。如果扭轉(zhuǎn)角度過大，行車時會發(fā)生鋼軌傾覆。須驗證各裂縫深度的鋼軌扭轉(zhuǎn)。

提取模型中縱向軌枕與鋼墊板接觸面的邊緣節(jié)點坐標(biāo)值，以及各工況下的位移值，接觸面寬度即鋼軌底寬。假定縱向軌枕與鋼墊板接觸面在變形后保持平面形狀，具體到有限元計算模型上荷載作用的節(jié)點變形后在同一直線上，如圖11所示。

圖11 鋼軌扭轉(zhuǎn)計算示意

由圖11可知，鋼軌傾覆角計算式

tanα=(Uy-Wy)/(L+Ux-Wx)

式中α——荷載作用下鋼軌繞水平線轉(zhuǎn)動角度；

L——鋼軌軌底寬；

Ux、Uy——分別為節(jié)點a的沿坐標(biāo)X、Y位移；

Wx、Wy——分別為節(jié)點b的沿坐標(biāo)X、Y位移；

P——荷載作用后節(jié)點a和b之間的距離。

各不同裂縫深度下的鋼軌扭轉(zhuǎn)角列于表2。

表2 各工況傾覆角α計算

上述結(jié)果表明，鋼軌的扭轉(zhuǎn)角是很小的。而鋼軌扭轉(zhuǎn)對輪軌接觸點分布的影響較明顯[12]，但鋼軌微小扭轉(zhuǎn)變形對直線運行的輪軌動態(tài)安全性指標(biāo)影響不大。

3 結(jié)論

本文通過建立縱向軌枕式無砟軌道的計算模型，對裂縫的產(chǎn)生位置以及裂縫擴展對軌道的影響進行了分析，結(jié)論如下。

(1)在溫度、列車垂向荷載和橫向荷載的作用下，在縱向軌枕與道床板的界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在此應(yīng)力的往復(fù)作用下，混凝土新舊界面處的裂紋將會不斷擴展。

(2)縱向軌枕與道床板混凝土新舊界面處未開裂時，在列車垂向荷載和橫向荷載作用下界面處的拉應(yīng)力最大。

(3)隨著裂紋深度的不斷擴展，縱向軌枕與道床板混凝土新舊界面處的拉應(yīng)力逐步增大。

(4)在溫度、列車垂向荷載和橫向荷載的作用下，軌枕的位移和鋼軌扭轉(zhuǎn)的角度很小，不會引起鋼軌傾覆也不會影響運行平穩(wěn)性和行車安全性。

[1] 寸冬冬，曾京.縱向軌枕軌道振動特性數(shù)值分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(8):9-15．

[2] 李成輝.軌道[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005．

[3] 劉學(xué)毅，趙坪銳.客運專線無砟軌道設(shè)計理論與方法[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010．

[4] 吳春雷.縱向長枕無砟軌道力學(xué)性能分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009．

[5] 李法冰，潘紹偉.關(guān)于新舊混凝土界面性能的探索[J].四川建筑，2003，23(6):78-79．

[6] 熊光晶，等.新舊混凝土修補界面過渡區(qū)微細觀結(jié)構(gòu)改善方法的研究[J].硅酸鹽學(xué)報，2002，30(2):263-266．

[7] 謝慧才，李庚英，熊光晶.新老混凝土界面粘結(jié)力形成機理[J].硅酸鹽學(xué)報，2003(3):7-10．

[8] 王新敏.Ansys工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007．

[9] 王小榮.基于Ansys的鋼筋混凝土建模研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011(3)：144-146．

[10] 張洪才.Ansys14.0工程實例解析與常見問題解答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013．

[11] 林擁軍，錢永久.新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)強度計算方法研究[J].工業(yè)建筑，2006，36(S)：844-846．

[12] 王開云，翟婉明.鋼軌扭轉(zhuǎn)運動對輪軌動態(tài)相互作用的影響[J].中國鐵道科學(xué)，2008，29(3):68-72．

The Influence of Cracks in Longitudinal Sleeper Ballastless Track Interface on Track Mechanical Performance

Liu Zhibin， Zhao Pingrui， Hu Jia， Liu Guan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The change of longitudinal sleeper track structure ballastless to precast concrete longitudinal continuous support structure has made the structural stability an inevitable factor to be analyzed in the interface between precast sleeper and track slab with new and old concretes. In order to analyze the impact in the interface with new and old concretes on the overall structure， and provide reference for the longitudinal sleeper ballastless track design， a two-dimensional finite element modeling longitudinal sleeper Ballastless model is established for research. The results show that， around the interface between sleeper and slab， cracks may appear under train load and the effect of temperature change and develop quickly. Cracks in interface have a considerable impact on internal stress distribution in the track， and also certain impact on rail twisting．

Ballastless track; Interface with new and old concretes; Longitudinal crack ; Rail twisting

2014-01-13；

：2014-02-18

國家自然科學(xué)基金項目(51008258)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(SWJTU12CX065)

劉志彬(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：1006753987@qq.com。

1004-2954(2014)10-0047-04

U213.2+44

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.012