橡膠粉改性CA砂漿對軌道板受力的影響分析

楊 洋，韋紅教，覃 峰

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

由水泥、細骨料、瀝青乳液、水以及多種添加劑等原材料組成的CA砂漿，目前廣泛應用于板式無砟軌道結構中。位于底座與軌道板之間的CA砂漿可以有效地起到減震緩沖的作用，是CRTSI型板式無砟軌道的核心技術之一，其性能的好壞直接影響到整個軌道結構的耐久性、列車行駛的舒適性和安全性［1］。不過，由于我國幅員遼闊，不同地區的氣候特點對CA砂漿結構有較大影響，CA砂漿在設計階段中必須考慮地區氣候的差異。以此同時，在我國鐵路發展逐漸實現高速、重載的趨勢下，開發適用于各類氣候條件下工作性和耐候性有顯著提高和改善的CA砂漿已迫在眉睫。

目前針對橡膠粉改性研究主要集中在應用橡膠粉替代集料配制成的CA砂漿、橡膠粉水泥混凝土、橡膠粉改性瀝青混合料等領域［2－4］，課題組結合長期從事橡膠粉改性混凝土、橡膠粉改性瀝青、半柔性復合路面材料的研究成果與廣西高鐵修建實際需求，開展橡膠粉改性CA砂漿配制與力學性能研究，得到的橡膠粉改性CA砂漿其抗壓強度、彈性模量均比普通CA砂漿有所增大。

本文在前人對于橡膠粉改性CA砂漿研究的基礎上，采用大型有限元軟件ANSYS模擬橡膠粉改性CA砂漿支撐下CRTSI型板式無砟軌道軌道板在溫度荷載與列車荷載作用下的受力情況，更加真實地模擬廢橡膠粉代替乳化瀝青量與軌道板受力情況之間的關系，對橡膠粉改性CA砂漿應用于實際中所產生的影響進行進一步研究并對今后推廣應用提供重要依據。

1 CA砂漿支撐下軌道板應力狀態

1.1 模型的建立

CRTSI型板式無砟軌道軌道結構主要由鋼軌、彈性分開式扣件、填充式墊板、軌道板、CA砂漿調整層、混凝土底座、凸形擋臺及其填充砂漿組成，如圖1所示。在運用ANSYS進行軌道板受力分析過程中，主要考慮一個單元板長度范圍內的軌道板受力狀況，建模中軌道板、CA砂漿墊層、底座與地基均采用實體單元solid65進行模擬，鋼軌簡化為工字鋼，并采用截面參數基本相同的beam單元進行模擬，彈性扣件應用彈簧單元模擬。由于只進行一個單元板范圍內的力學分析，凸形擋臺予以簡化，軌道結構有限元模型如圖2所示，其各部分參數見表1，其中扣件間距為650mm，節點剛度30kN／mm；軌道板采用C60混凝土材料；底座為C40混凝土材料［4－8］。

圖1 CRTSI型板式無砟軌道結構圖

圖2 CRTSI型板式無砟軌道ANSYS有限元模型圖

表1 CRTSI型板式無砟軌道主要部件參數表

1.2 不同荷載作用下軌道板應力狀態

由混凝土材料制成的板式無砟軌道軌道板在實際環境中受到多種荷載的作用，現僅就不同含量橡膠粉改性CA砂漿支撐下的軌道板在溫度荷載與列車荷載單獨作用下的應力狀態進行計算［9－10］。

（1）溫度荷載作用下軌道板應力狀態

在實際環境中，溫度的驟然變化施加于熱傳導性能差的混凝土材料軌道板，便會產生沿軌道板厚度方向變化的溫度梯度，從而產生軌道板翹曲變形［9］。其中，白天陽光直射于軌道板上表面，而下表面溫度則相對較低；傍晚開始上表面溫度急劇下降，而下表面溫度則相對較高。這種情況會造成軌道板“上熱下冷”“上冷下熱”兩種情況。這種上下表面溫度差值最大可以達到15℃。有限元模型中，軌道板沿厚度方向的溫度梯度取75℃／m，應用ANSYS模型進行計算，考慮溫度荷載作用下軌道板應力計算結果見表2。

表2 溫度荷載下軌道板應力計算結果表

由表2可以看出：軌道板應力集中主要發生在軌道板邊角處，軌道板受到正溫度梯度作用時，軌道板上部纖維伸長、下部纖維收縮，軌道板板頂中部受到拉應力作用、板底中部受到壓應力作用；軌道板受到負溫度梯度作用時，軌道板頂部纖維收縮、底部纖維伸長，受力情況與正溫度梯度時正好相反。其中溫度分別在±15℃時，最大應力的代數值相近而方向相反。

（2）列車荷載作用下軌道板應力狀態

當列車運行通過軌道板上方鋼軌時，軌道板將受到列車荷載作用，由于單元板長度為4 950mm，所以不可能同時有多組輪對作用于單元板區域內，單元板最不利工況示意圖見圖3。利用ANSYS計算標準軸載（300kN）作用下軌道板應力狀態，計算結果見表3。

圖3 標準軸載作用位置示意圖

表3 標準軸載下軌道板力學計算結果表

分析表3可知，對于同一種工況，軌道板橫向最大應力均大于縱向最大應力。對比兩種工況，當輪載作用于軌道板邊緣時，軌道板最大應力值、最大位移均大于輪載作用于軌道板中時的應力值，工況一的板中最大位移小于工況二的板中最大位移，而對于板角最大位移來說，兩種工況的大小關系則正好相反。

2 橡膠粉改性CA砂漿對軌道板應力狀態的影響

根據前文所述，橡膠粉改性CA砂漿在其力學性能方面已經大大提高，目前的研究主要集中在橡膠粉改性CA砂漿試驗性能上，由于一些客觀原因，并沒有現場數據證明改性砂漿應用于現場時將表現出何種優勢，針對這一情況，課題組試圖利用ANSYS軟件分析橡膠粉改性CA砂漿支撐下軌道板在列車荷載、溫度應力作用下的應力情況，并進一步推測實際狀況下橡膠粉改性CA砂漿對軌道板應力狀態的影響。

表4列出本課題組制備的橡膠粉改性CA砂漿主要力學性能，現將不同橡膠粉含量的改性CA砂漿應用于CRTSI型板式無砟軌道中，分別模擬溫度梯度荷載和列車荷載作用下軌道板的受力情況。

表4 橡膠粉改性CA砂漿主要力學性能表

2.1 溫度荷載作用下橡膠粉改性CA砂漿層對軌道板應力狀態的影響

為了更好地分析橡膠粉含量對于軌道板應力狀態的改善情況，現分別計算不同含量橡膠粉改性CA砂漿支撐下軌道板受到溫度梯度作用時的應力狀態，由于本文著重研究橡膠粉改性CA砂漿中橡膠粉含量對于軌道板力學狀態的影響，故只考慮軌道板受到“上熱下冷”溫度梯度作用時的情況，計算結果如圖4～9所示。

分析圖4～9可知，溫度荷載下軌道板橫向最大應力始終大于縱向最大應力，與此同時，軌道板各項應力最大值隨著改性CA砂漿中橡膠粉含量的增大而減小；軌道板板中位移、板角位移也隨著橡膠粉含量的增大而逐漸減小。這說明增加橡膠粉改性CA砂漿橡膠粉含量可以減小軌道板在溫度荷載下的翹曲應力以及翹曲位移。

圖4 軌道板橫向拉應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖5 軌道板橫向壓應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖6 軌道板縱向拉應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖7 軌道板縱向壓應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖8 最大板中位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖9 最大板角位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

2.2 列車荷載作用下橡膠粉改性CA砂漿層對軌道板應力狀態的影響

由前文計算得知，當列車荷載有一輪對作用于單元板邊緣時，軌道板出現病害的幾率最大，故只計算在列車荷載作用于最不利位置時不同質量橡膠粉改性CA砂漿對軌道板應力狀態的影響。帶入表4中參數，計算結果如圖10～15所示。

圖10 軌道板縱向壓應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖11 軌道板縱向拉應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖12 軌道板橫向壓應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖13 軌道板橫向拉應力隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖14 最大板中位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

圖15 最大板角位移隨橡膠粉含量變化趨勢圖

由圖10可知，當橡膠粉含量由0逐漸增加到20%過程中，橡膠粉改性CA砂漿支撐下軌道板縱向最大拉應力由0.788 MP降低到0.787 3 MP，變化趨勢不是非常明顯。不過隨著橡膠粉含量的增加，改性CA砂漿對于軌道板縱向最大壓應力、橫向拉、壓應力的降低作用是非常明顯的：圖11～13中軌道板最大縱向壓應力隨著橡膠粉含量的增大顯著降低，當橡膠粉含量增加到20%時，降低的幅度達到0.034 MP；與此同時軌道板橫向拉應力、橫向壓應力也降低明顯，其中橫向壓應力更是降低了0.17 MP；同時，如圖14～15所示，軌道板板角、板中位移也顯現出逐步減小的趨勢。這充分說明了列車荷載作用下CRTSI型板式無砟軌道軌道板最大應力與最大位移會隨著橡膠粉改性CA砂漿層中橡膠粉含量的增加而降低。

3 結語

（1）軌道板在實際環境中受到溫度荷載的作用下將會發生翹曲變形，板頂與板底溫差越大，翹曲變形越明顯。橡膠粉改性CA砂漿支撐下的軌道板，在溫度荷載作用時，其應力狀態有所改善，軌道板縱向拉、壓應力，橫向拉壓應力，板中、板角位移均會隨著橡膠粉含量的增大而逐漸減小從而改善溫度荷載下軌道板翹曲變形，減小翹曲變形對軌道板的不利影響。

（2）列車荷載作用下，軌道板頂面受壓而底面受拉，拉應力會導致軌道板底面出現裂縫，隨著時間的推移，如不及時進行修整，裂縫會導致其他病害的出現。利用橡膠粉改性CA砂漿進行模擬時，可以看出，軌道板應力狀態尤其是橫、縱向拉應力的最大值會隨著橡膠粉含量的增大而逐漸減小，這大大降低了軌道板裂縫出現甚至擴展的幾率，使軌道結構更加穩定、安全。

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