軌道板損傷對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道力學特性的影響

陳小平， 曹 洋， 趙衛華

(1. 成都大學建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106; 2. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350116； 3. 福建工程學院土木工程學院， 福建 福州 350118)

軌道板損傷對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道力學特性的影響

陳小平1， 曹 洋2， 趙衛華3

(1. 成都大學建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106; 2. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350116； 3. 福建工程學院土木工程學院， 福建 福州 350118)

基于軌道板與底座板分離， 建立了考慮軌道板損傷的CTRSⅡ型板式無砟軌道與橋梁相互作用力學模型， 并采用有限單元法求解， 分析了軌道板全斷面開裂和更換軌道板對大跨度連續梁橋上鋼軌、 底座板、 剪力齒槽、 橋梁墩臺及砂漿受力的影響. 結果表明： 軌道板全斷面開裂后鋼軌、 底座板的縱向力增加， 最大增幅分別為22.55和131.48 kN， 軌道板縱向力則降低， 剪力齒槽、 橋梁墩臺的縱向力變化很小； 軌道板全斷面開裂對鋼軌和底座板縱向受力影響范圍分別為32～50 m和24～36 m； 橋梁伸縮或列車制動作用下全斷面開裂位置的砂漿阻力接近其極限阻力， 為避免砂漿開裂應及時更換軌道板； 更換軌道板對底座板縱向受力影響最大， 建議軌道板進行更換作業的板溫變化幅度控制在15 ℃以內．

軌道板； 損傷； CRTSⅡ型板式無砟軌道； 力學特性； 橋梁

0 引言

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的顯著特點是軌道板和底座板貫通全橋、 連續鋪設， 形成長大的鋼筋混凝土板帶結構[1]． 軌道板為橫向預應力混凝土結構， 在相鄰鋼軌支點間預設V形裂縫， 運營過程中允許軌道板沿預設V型裂縫開裂． 現場調研發現軌道板在其他位置也存在橫向貫通裂縫， 這些裂縫會導致鋼筋逐漸銹蝕， 直致軌道板完全斷裂[2]． 相鄰軌道板通過張拉鎖件將6根Φ20 mm的鋼筋連接起來， 每根鋼筋的張拉力為50 kN， 然后現澆混凝土形成寬接縫． 寬接縫在外部溫度荷載作用下應力超過混凝土抗拉強度， 產生溫度裂縫[3-4]， 上述情況表明軌道板在任何位置可能產生裂縫． 在全斷面開裂處軌道板只能通過縱向連接鋼筋傳力， 橋梁伸縮引起的系統縱向力將隨之改變． 隨著運營時間增加， 全斷面開裂處縱向連接鋼筋逐漸銹蝕， 傳力性能進一步下降， 軌道板因溫度變化引起的伸縮可能導致裂縫附近的砂漿開裂， 為防止砂漿開裂， 需及時更換軌道板． 與全斷面開裂相比， 更換軌道板使其在一定長度范圍內完全失去縱向傳力性能， 對整個系統縱向力勢必有影響． 有必要探索軌道板全斷面開裂和更換軌道板對系統縱向力的影響．

國內外關于軌道與橋梁縱向相互作用的研究較多． Ruge等[5]考慮線路阻力的非線性特性， 對橋上無縫線路的縱向力進行了分析， 但該研究所用力學模型中軌道部分只模擬了鋼軌， 軌下基礎簡化成縱向分布的非線性阻力． 徐慶元等[6]建立了縱向荷載作用下， 高速鐵路博格縱連板橋上無砟軌道非線性有限元空間力學模型， 以10 跨32 m 博格縱連板橋上無砟軌道為例， 對伸縮荷載、 制動荷載、 斷軌荷載、 斷板荷載工況下博格縱連板橋上無砟軌道空間力學特性進行了研究， 其所建模型把整個無砟軌道看作一根梁． 蔡小培等[7]基于有限元法， 建立了橋上縱連板式無砟軌道無縫線路縱-橫-垂向空間耦合模型， 研究了滑動層摩擦系數、 扣件縱向阻力、 無砟道床伸縮剛度等對系統受力和變形的影響規律， 其所建模型沒有把軌道板和底座板分離， 而是看作一層體系． 筆者曾建立線-板-橋-墩空間一體化模型對大跨度連續梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道伸縮附加力的影響因素和考慮橋梁伸縮的縱連底座板配筋計算方法進行了研究， 所建力學模型把軌道板、 砂漿和底座板簡化成一條鋼筋混凝土拉帶[8-9]． 目前還沒有學者把軌道板和底座板完全分離， 建立鋼軌、 軌道板、 底座板、 橋梁、 墩臺空間一體化力學模型， 分析軌道板開裂和更換對系統縱向力的影響． 將軌道板與底座板完全分離， 建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道鋼軌-軌道板-底座板-橋梁-墩臺空間一體化縱向相互作用力學模型， 并用有限單元法求解， 以一座80 m+128 m+80 m大跨度連續梁橋為例， 分析軌道板全斷面開裂、 更換對大跨度連續梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向受力的影響， 以為其養護維修提供參考．

1 力學模型與參數

軌道損傷定義為縱向傳力性能降低， 用伸縮剛度折減來表征． 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統縱向連續層主要有鋼軌、 軌道板、 底座板和橋梁4層， 這些層間通過扣件阻力、 砂漿阻力、 滑動層摩擦阻力、 剪力齒槽阻力、 摩擦板阻力等進行相互作用． 要分析軌道板損傷對系統縱向力的影響， 力學模型必須把軌道板與底座板分離， 二者間通過砂漿阻力相互作用． 圖1為考慮軌道板損傷的橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學模型， 模型中鋼軌、 軌道板、 底座板、 橋梁為縱向連續層， 鋼軌和軌道板間通過扣件阻力彈簧相互作用， 軌道板與底座板間通過砂漿阻力彈簧相互作用， 底座板與橋梁間通過滑動層摩擦阻力彈簧和剪力齒槽彈簧相互作用， 底座板和路基間通過路基阻力彈簧相互作用， 底座板板與摩擦板間通過摩擦板阻力彈簧相互作用， 橋梁與墩臺基礎間通過墩臺頂水平剛度彈簧相互作用， 底座板與端刺間通過端刺剛度彈簧相互作用．

圖1 考慮軌道板損傷的力學模型

因設計中允許軌道板沿預設裂縫開裂， 只對軌道板全斷面開裂和更換軌道板兩種不利工況作分析， 并在模型中分別處理． 全斷面開裂時軌道板在裂縫處的伸縮剛度折減至縱向連接鋼筋的剛度． 更換軌道板時， 換板長度范圍內的軌道板伸縮剛度為0， 因換板前已松開扣件和切割砂漿， 對應的扣件阻力和砂漿阻力也取為0．

計算以一座大跨度連續梁橋為例， 橋梁左部為7跨32 m簡支梁、 中部為80 m+128 m+80 m三跨連續梁， 右部為7跨32 m簡支梁． 考慮兩端伸出支座部分， 32 m簡支梁長33 m， 大跨連續梁長289 m， 全橋長751 m． 全橋14跨簡支梁的固定支座均設在左橋臺側， 連續梁固定支座設在主跨靠左橋臺側． 全橋固定支座所在墩臺頂縱向水平剛度見表1， 固定支座從左橋臺向右橋臺依次編號．

表1 墩臺頂縱向水平剛度

圖2 非線性阻力變化特性

軌道計算參數見表2， 其中扣件縱向阻力、 滑動層摩擦阻力、 摩擦板阻力、 路基阻力按非線性考慮， 非線性變化特性如圖2所示， 各阻力對應一個極限阻力和屈服點位移， 小于屈服點位移阻力線性增加， 超過屈服點位移后阻力保持為極限阻力． 滑動層摩擦阻力和摩擦板阻力的極限阻力等于各自上部軌道自重與摩擦系數的乘積． 除扣件縱向阻力的屈服點位移為2 mm外， 其余阻力的屈服點位移均為0.5 mm． 根據實驗結果， 砂漿阻力變化特性考慮成同扣件阻力變化特性一樣， 對應的屈服點位移為0.5 mm， 極限阻力為63.38 kN·m-1．

鋼筋按線彈性材料考慮， 彈性模量為210 GPa， 泊松比為0.3． 軌道板和底座板的混凝土也按線彈性材料考慮， 彈性模量分別為35.7 GPa和 30.5 GPa， 泊松比同為0.16．

表2 主要計算參數

2 求解方法

采用有限單元法求解力學模型， 鋼軌、 軌道板、 底座板和橋梁采用空間梁單元模擬， 單元長度為1 m， 鋼軌、 軌道板、 底座板和橋梁單元的材料參數和截面尺寸分別定義． 模擬軌道板和底座板的梁單元截面積考慮包含鋼筋的當量面積， 當量面積根據鋼筋和混凝土的彈性模量、 面積進行折算． 軌道板損傷后的伸縮剛度可通過減小梁單元的截面積來模擬．

扣件阻力、 砂漿阻力、 滑動層摩擦阻力、 摩擦板阻力、 路基阻力采用非線性彈簧單元模擬， 根據極限阻力和屈服點位移分別定義2段力與相對位移曲線描述各阻力的非線性變化． 扣件阻力彈簧單元的兩個節點由同一里程的鋼軌節點與軌道板節點組成， 以模擬鋼軌與軌道板的相互作用， 類似的， 砂漿阻力彈簧單元兩個節點由同一里程的軌道板節點與底座板節點組成， 滑動層摩擦阻力彈簧的兩個節點由同一里程的底座板節點與橋梁節點． 為了能夠模擬阻力沿線路縱向變化， 建模時扣件阻力、 砂漿阻力和滑動層摩擦阻力可沿線路縱向任意分段， 每段極限阻力與屈服點位移可以單獨輸入．

剪力齒槽剛度彈簧、 端刺剛度彈簧和墩臺縱向水平剛度彈簧均采用線性彈簧單元模擬． 剪力齒槽剛度彈簧的兩個節點由底座板和橋梁節點組成， 端刺剛度彈簧的兩個節點由底座板和端刺基礎節點組成， 墩臺定水平剛度彈簧的兩個節點由橋梁節點和墩臺基礎節點組成．

具體建模時， 根據位置首先建立鋼軌節點、 軌道板節點、 底座板節點、 橋梁節點、 摩擦板基礎節點、 端刺基礎節點、 墩臺基礎節點、 路基節點， 隨之建立鋼軌、 軌道板、 底座板、 橋梁的梁單元， 最后用5類非線性阻力彈簧單元和3類線性剛度彈簧單元把整個系統聯系起來． 考慮到模型自由度多， 非線性因素強， 為了增加求解速度和精度， 計算可在ANSYS中用APDL語言編寫相應計算程序實現， 其中梁單元采用BEAM4， 非線性阻力彈簧單元采用COMBIN39 ， 線性阻力彈簧單元采用COMBIN14． 為方便各種工況的計算， 將模型各參數設置成相應變量， 程序通過讀入輸入文件獲得各變量的取值， 不同工況的計算通過修改輸入文件相關參數即可實現．

求解時約束所有路基節點、 端刺基礎節點、 摩擦板基礎節點和墩臺基礎節點的所有自由度． 在列車制動范圍內， 列車制動力為作用在鋼軌上的縱向均布力， 根據鋼軌單元長度轉換成等效節點力施加在對應單元的節點上． 伸縮力施加可在定義材料線性膨脹系數和彈性模量后通過溫度變化幅度以體荷載的方式實現．

3 全斷面開裂的影響

大跨度連續梁上鋼軌、 底座板等部件的伸縮力在其較大溫度跨度的兩端取得極大值或極小值[8]， 說明軌道板在這些位置更容易開裂． 在列車制動終點鋼軌、 無砟軌道產生最大的受拉制動力， 在制動起點鋼軌、 無砟軌道產生最大的受壓制動力[10]， 這也說明在列車制動力作用的起、 終點， 軌道板更容易開裂． 綜合伸縮力和制動力特點， 考慮軌道板在大跨連續梁上較大溫度跨度的兩端產生全斷面開裂， 具體分析工況見表3．

表3 荷載工況

表3中制動力范圍為距左橋臺的距離， 制動力僅考慮一股道制動， 制動力作用方向均為右橋臺指向左橋臺． 橋梁溫度變化幅度按日溫差考慮． 軌道板在全斷面開裂處的伸縮剛度只考慮6根Φ20 mm鋼筋的伸縮剛度， 即軌道板伸縮剛度退化至未開裂時的2.13%． 為方便比較， 對比計算了軌道板未開裂時系統各部件縱向力， 結果見表4， 表中各值均對應開裂位置．

由表4可知， 軌道板全斷面開裂后， 鋼軌、 底座板的伸縮力和制動力均增加， 其中鋼軌伸縮力和制動最大增幅分別為16.77和22.55 kN， 底座板伸縮力和制動力最大增幅分別為131.48和101.92 kN． 軌道板伸縮力和制動力大幅度降低， 最大降幅分別為85.65和215.42 kN， 其原因是全斷面開裂后軌道板伸縮剛度降低(僅有縱向鋼筋的剛度)， 軌道板內的縱向力通過自身向兩端傳遞的能力大幅降低， 更多是通過扣件阻力和砂漿阻力向鋼軌和底座板傳遞． 由于底座板的緩沖作用， 軌道板全斷面開裂后剪力齒槽、 固定支座的制動力和伸縮力變化幅度均較?。?可見， 軌道板全斷面開裂對其自身、 鋼軌和底座板的縱向力影響較大， 對下部結構的縱向力影響較?。?/p>

表4 軌道板全斷面開裂對縱向受力的影響

Tab.4 Effect of slab all-section crack on longitudinal forces (kN)

荷載工況鋼軌裂前裂后軌道板裂前裂后底座板裂前裂后剪力齒槽裂前裂后固定支座裂前裂后A118.85128.79181.7196.06246.71282.58419.35419.221604.901604.54B67.1783.94381.23172.76394.96526.44511.52508.85458.58460.89C148.61171.16367.78152.36435.49537.41544.64579.83519.48516.57D26.5834.19128.2859.81203.84248.29300.51315.47249.79251.24

圖3～5為距左橋臺311 m處軌道板全斷面開裂時對軌道主要部件縱向力分布的影響， 圖6為橋梁伸縮和列車制動時軌道板與底座板縱向相對位移， 圖中只給出了開裂前后變化較大區段的縱向力． 距左橋臺521 m處全斷面開裂的縱向力、 位移分布與距左橋臺311 m處全斷面開裂相似．

圖3 軌道板全斷面開裂對伸縮力的影響

圖4 軌道板全斷面開裂對制動力影響

圖5 軌道板全斷面開裂對鋼軌縱向力的影響

圖6 軌道板與底座板相對位移

圖3表明， 軌道板伸縮力在開裂位置減小幅度最大， 約為開裂前的22%， 影響范圍約60 m， 底座板伸縮力在開裂位置增加幅度最大， 約為開裂前的133%， 影響范圍約36 m． 圖4表明， 軌道板和底座板的制動力均在開裂位置影響最大， 其中軌道板的影響范圍約56 m， 底座板的影響范圍約24 m．

圖5可看出， 鋼軌制動力和伸縮力均在軌道板全斷面開裂位置影響最大， 該處制動力和伸縮力分別增加了9.94和16.77 kN， 相當于60 kg·m-1鋼軌軌溫變化0.52和0.87 ℃時在固定區產生的溫度力， 軌道板全斷面開裂對鋼軌制動力和伸縮力影響范圍分別為32和50 m左右．

由圖6可知， 軌道板在距左橋臺311 m處全斷面開裂時， 橋梁因日溫差伸縮引起的軌道板與底座板相對位移從0.24 mm增加到0.36 mm， 列車制動引起的相對位移則從0.22 mm增加到0.35 mm， 表明軌道板全斷面開裂后橋梁伸縮和列車制動引起的軌道板與底座板相對位移會增大， 砂漿開裂風險增加． 大跨度連續梁固定支座處軌道板如果全斷面開裂， 列車制動和橋梁伸縮疊加、 反復作用易導致該處砂漿開裂．

4 更換軌道板的影響

當裂縫處的鋼筋銹蝕后， 軌道板溫度變化引起的伸縮可能導致砂漿開裂， 及時更換可防止這種情況出現． 軌道板全斷面開裂屬于在某一里程的自然損傷， 軌道板更換屬于在一定里程范圍內的人為損傷， 這兩種損傷模式對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的縱向力都會產生相應的影響． 考慮到軌道板全斷面開裂后鋼筋銹蝕屬于個別現象， 軌道板更換僅考慮1塊軌道板， 即6.45 m長度范圍內軌道板完全失去縱向傳力能力， 這一范圍內的軌道縱向伸縮剛度在計算時取為0， 對應的扣件阻力和砂漿阻力均為0． 軌道板縱向連續鋪設， 是一種長大鋼筋混凝土板帶結構， 鋪設后環境溫度變化在其內部產生溫度力， 軌道板更換與鋪設鎖定時的溫度差稱為板溫變化幅度． 分別計算板溫變化幅度為5、 10、 15、 20 ℃時更換1塊軌道板對系統縱向受力和位移的影響， 換板位置在大跨度連續梁固定支座處(因該處列車制動和橋梁伸縮作用疊加、 反復作用， 最易斷裂， 是最可能更換的部位)， 結果如表5所示， 表中所列數值均對應換板位置， 相對位移指軌道板與底座板在同一位置的縱向相對位移． 軌道板縱向力在換板處為0， 換板所在軌道的鋼軌和底座板縱向力分布分別如圖7和圖8所示．

表5 更換軌道板對系統縱向力和位移的影響

從表5可看出， 更換軌道板對底座板縱向受力影響最大， 鋼軌影響次之， 剪力齒槽和橋梁墩臺的影響可以忽略不計． 由于更換軌道板相當于在一塊軌道板長度范圍內斷板， 軌道板產生伸縮， 砂漿阻力和扣件阻力共同限制軌道板的伸縮， 因為砂漿阻力大于扣件阻力， 故更換軌道板對底座板縱向受力影響較鋼軌大． 通過砂漿傳至底座板上的力經過其縱向分配后作用在剪力齒槽和橋梁墩臺上時已很?。?從表5還可看出， 系統縱向力和位移均隨著板溫變化幅度線性增大， 當板溫變化幅度為15 ℃時， 軌道板與底座板相對位移達到0.41 mm， 接近砂漿阻力屈服點位移0.5 mm; 當板溫變化幅度為20 ℃時， 對應的相對位移達到0.55 mm， 已超過砂漿阻力屈服點位移0.5 mm， 表明板溫度變化幅度20 ℃及以上更換軌道板， 兩側軌道板劇烈伸縮會導致砂漿開裂．

圖7、 8表明， 鋼軌與底座板的縱向力分布規律相似， 鋼軌和底座板縱向力均是在更換區段影響最大， 對應軌道板更換區段產生一個縱向力平臺， 然后迅速向兩側衰減， 因為底座板同時受砂漿阻力和扣件阻力約束， 縱向力衰減速度更快． 板溫變化幅度越大， 更換軌道板對鋼軌和底座板的縱向力影響越大．

圖7 鋼軌縱向力

圖8 底座板縱向力

5 結論

基于軌道板與底座板分離， 建立了考慮軌道板損傷的CRTSⅡ型板式無砟軌道與橋梁縱向相互作用力學模型， 并采用有限單元法求解， 以一座80 m+128 m+80 m的大跨度連續梁橋為例， 分析了軌道板全斷面開裂及其更換對系統縱向力的影響， 得到如下結論：

1)在橋梁伸縮和列車制動作用下： 軌道板全斷面開裂后鋼軌、 底座板的伸縮力和制動力均增加， 其中以底座板伸縮力增大幅度最大， 達131.48 kN； 軌道板伸縮力和制動力均降低， 最大降幅分別為85.65和215.42 kN； 剪力齒槽、 固定支座的制動力和伸縮力變化均較?。?/p>

2)軌道板全斷面開裂對鋼軌和底座板縱向受力影響范圍分別為32～50 m和24～36 m． 在軌道板開裂位置， 橋梁伸縮和列車制動作用下軌道板與底座板的相對位移較大， 砂漿阻力接近其極限阻力， 橋梁因日溫差反復伸縮及列車頻繁制動易導致砂漿開裂， 建議軌道板全斷面開裂后及時進行更換， 以免砂漿開裂影響整個系統的穩定性．

3)更換軌道板時各部件縱向力和位移均隨著板溫變化幅度線性增大， 其中對底座板縱向力影響最大． 板溫變化幅度超過20 ℃時換板會導致砂漿開裂， 板溫變化幅度15 ℃時換板砂漿阻力有少量儲備， 為保證系統縱向受力滿足強度和穩定要求， 建議軌道板進行更換作業時板溫變化幅度控制在15 ℃以內．

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(責任編輯： 洪江星)

Influence of slab damage on mechanics characteristic of CRTSⅡ slab track on bridge

CHEN Xiaoping1, CAO Yang2, ZHAO Weihua3

( 1. School of Architecture and Civil Engineering， Chengdu University, Chengdu, Sichuan 610106， China;2. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China；3. College of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China)

Based on separation of slab from longitudinal continuous base layer (LCBL), a mechanics model of interaction between CRTSⅡ slab track and bridge was established by considering damage of slab. Finite element method was used for solution of the mechanics model. On a long span continuous beam bridge, influence of slab all-section crack and its replacement on rail, foundation plate, shear groove, and bridge pier were analyzed. The results show that longitudinal forces of rail and foundation plate are increased when slab is cracked, the largest increase of rail longitudinal force is 22.55 kN, the largest increase of LCBL longitudinal force is 131.48 kN. Longitudinal force of slab is decreased sharply when slab is cracked, but longitudinal forces of shear groove and bridge pier change little. Influence lengths of slab crack on rail longitudinal force is 32～50 m, and on longitudinal force of foundation plate is 24～36 m. With action of bridge expansion or train brake, mortar resistance is close to its limitation at location where slab cracked, so slab must be replaced timely to prevent mortar from crack. Influence of slab replacement on force of foundation plate is the greatest. It is recommended that temperature change of slab between replacement and laying is less than 15 ℃.

slab; damage; CRTSⅡ slab track; mechanics characteristic; bridge

2014-06-11

陳小平(1978-)， 副教授， 主要從事軌道結構力學性能方面研究， cxp193@163.com

國家自然科學基金資助項目(51308081)； 福建省自然科學基金資助項目(2011J05120)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0821

1000-2243(2015)06-0821-07

U213.2

A