單元雙塊式無砟軌道道床板溫度翹曲變形的影響研究

付　娜，劉　鈺，李成輝

(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)

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單元雙塊式無砟軌道道床板溫度翹曲變形的影響研究

付娜，劉鈺，李成輝

(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)

摘要:單元雙塊式無砟軌道中的道床板在溫度梯度作用下會產生翹曲變形，可能對軌道幾何形位產生不利影響，從而危害行車安全。采用有限元方法建立單元雙塊式無砟軌道計算模型，探索溫度梯度作用下道床板的翹曲變形規律及其對軌道幾何形位的影響。結果表明:在正溫度梯度作用下，道床板的翹曲變形較大，可能危害高速行車安全，需采取措施進行控制;而在負溫度梯度作用下，道床板的溫度翹曲變形較小，可忽略。

關鍵詞:雙塊式無砟軌道;溫度梯度;翹曲變形;軌道幾何形位

1　概述

圖1　單元雙塊式無砟軌道結構

雙塊式無砟軌道結構廣泛應用于高速鐵路線路中，如我國的武廣、鄭西、蘭新二線、西寶和合福高鐵等，截止2014年雙塊式無砟軌道運營總里程達6 845 km［1］。常用的雙塊式無砟軌道為連續結構，即道床板沿線路縱向連續澆筑。考慮到連續結構的溫度荷載問題，在大溫差地區采用改進設計后的單元道床板結構。單元雙塊式無砟軌道結構由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板以及支承層組成，如圖1所示。

經過多年運營，部分雙塊式無砟軌道開裂嚴重［2-3］，出現了較多病害，如道床板開裂、道床板上拱、道床板與支承層層間粘結失效，層間細顆粒析出等［4］。對于單元道床板，其在溫度梯度作用下產生的變形受到約束后，道床板內會產生翹曲應力［5］。翹曲應力增大引起道床板開裂，列車動荷載在裂縫處的沖擊作用也隨之增大，造成更大的板內應力。道床板裂縫繼續增大，向下傳遞至支承層，可能引起通縫導致軌道結構破壞，在列車動荷載作用下出現翻漿冒泥等病害。另外，在正負溫度梯度交替作用下，道床板與支承層之間的界面受到拉壓應力的交替作用，極可能破壞二者的相互粘結作用，導致新老混凝土界面出現分離，不利于軌道幾何形位的保持，尤其是垂向幾何形位。軌道幾何形位的變化引起列車動力作用加劇，同時動力作用的增大又使得軌道幾何形位惡化，形成惡性循環，最終導致軌道結構系統破壞。因此，溫度梯度引起的溫度翹曲對道床板軌道幾何形位的不利影響亟待深入研究。

目前對于混凝土板溫度翹曲的研究成果，主要集中在公路路面和高速鐵路的板式軌道領域。對于雙塊式無砟軌道道床板溫度翹曲方面的研究幾乎沒有，而由于其結構與前述二者的差異，又不能完全借鑒前述兩者的研究成果，原因如下:(1)公路路面板尺寸較大，長寬比小，而雙塊式無砟軌道道床板的寬度小，長寬比較大，大板和細長板的溫度翹曲變形規律差異大; (2)公路車輛對于路面幾何形位的控制標準較低，而高速鐵路由于車輛行駛速度快，對軌道幾何形位的控制標準很高，受混凝土板溫度翹曲變形影響的重要性差異大; (3)與CRTS I型軌道板相比，雙塊式道床板的長度、厚度均較大，溫度翹曲的變形值更大。另外，當CRTSⅠ型軌道板發生溫度翹曲變形時，其下彈性模量較小的CA砂漿填充墊層具有一定的調整作用，可在一定程度上降低軌道幾何形位變化帶來的不利影響，而雙塊式道床板其下無填充墊層，直接與支承層剛性接觸，溫度翹曲變形無法協調; (4)與CRTSⅡ型軌道板相比，雙塊式道床板下的凹槽主要提供道床板的縱、橫向約束，在豎向上除自重外則無其余約束，溫度翹曲變形量難以控制。然而CRTSII型軌道板縱連后，相鄰板的約束和板下CA砂漿層的粘結作用極大限制了軌道板溫度翹曲引起的幾何形位變化［6-7］。本文采用有限元方法，對雙塊式道床板的溫度翹曲變形規律進行了研究，并分析了其對軌道幾何形位的影響。

2　計算模型及參數

為研究單元道床板的翹曲變形規律，采用實體單元模擬道床板、支承層和下部基礎。采用彈簧單元模擬道床板板底凹槽約束。最大正溫度梯度取100 ℃/m，最大負溫度梯度取－50℃/m，并考慮重力作用。計算模型如圖2所示。

圖2　計算模型

模型采用以下假設:

(1)鋼軌對道床板翹曲變形的約束作用較小［6］，可忽略，計算時不考慮鋼軌和扣件;

(2)假設道床板板底凹槽只提供縱、橫向限位作用，對道床板無豎向約束作用;

(3)計算時考慮道床板翹曲變形的最不利情況，假設道床板與支承層層間完全分離，并且假設層間摩擦力均勻分布;

(4)根據文獻［6］的測試結果，氣溫對板式無砟軌道結構的影響主要作用在軌道板上。故計算時不考慮溫度梯度作用對支承層的影響，溫度梯度荷載只施加于道床板。

因此，模型采用以下邊界條件:

(1)為消除邊界條件，建立3塊道床板長度的計算模型，取中間一塊板進行分析;

(2)計算時道床板與支承層之間采用面面接觸模擬，支承層與基礎之間共用節點;

(3)基礎底部節點施加全約束。

單元雙塊式無砟軌道結構模型中的具體參數見表1。

表1　雙塊式無砟軌道結構模型參數

3　計算結果分析

3.1負溫度梯度

圖3為道床板在負溫度梯度作用下的翹曲變形圖，由圖3看出:在負溫度梯度作用下，道床板變形呈中部下凹、四角上翹。圖4為負溫度梯度作用下道床板縱截面翹曲變形圖，由圖4看出:軌下最大翹曲變形為0.906 mm，板中最大翹曲變形為0.767 mm，板邊最大翹曲變形為1.25 mm。圖5為負溫度梯度作用下道床板橫截面翹曲變形圖，由圖5看出:板中最大翹曲變形為0.115 mm，板邊最大翹曲變形為1.25 mm。

圖4　負溫度梯度作用下道床板縱截面翹曲變形曲線

圖5　負溫度梯度作用下道床板橫截面翹曲變形曲線

分析可知:在負溫度梯度作用下，道床板板邊翹曲變形比板中大，軌下翹曲變形較大。道床板軌下最大翹曲變形為0.906 mm，對軌道幾何形位有一定影響。根據文獻［8］內容，軌道高低幾何形位限值為2 mm。因此，在負溫度梯度作用下，道床板翹曲變形引起的幾何形位變化未超限，可以忽略。由文獻［6，9］可知，當溫度梯度為－50℃/m時，CRTSⅠ型軌道板最大翹曲變形為0.334 mm，CRTSⅡ型軌道板最大翹曲變形為1.0 mm。而單元道床板最大翹曲變形為1.25 mm。可見，在負溫度梯度作用下，單元道床板翹曲變形與CRTSⅠ型軌道板、CRTSⅡ型軌道板翹曲變形差異較大。

3.2正溫度梯度

圖6為道床板在正溫度梯度作用下的翹曲變形圖，由圖6看出:在正溫度梯度作用下，道床板變形呈中間上拱、四角下翹。圖7為正溫度梯度作用下道床板縱截面翹曲變形圖，由圖7看出:軌下最大翹曲變形為2.57 mm，板中最大翹曲變形為2.87 mm，板邊最大翹曲變形為1.81 mm。圖8為正溫度梯度作用下道床板橫截面翹曲變形圖，由圖8看出:板中最大翹曲變形為2.87 mm，板邊最大翹曲變形為0.364 mm。

圖6　正溫度梯度作用下道床板豎向位移云圖

圖7　正溫度梯度作用下道床板縱截面翹曲變形

圖8　正溫度梯度作用下道床板橫截面翹曲變形

分析可知:在正溫度梯度作用下，道床板板邊翹曲變形比板中小，軌下翹曲變形很大。道床板軌下最大翹曲變形為2.576 mm，超過了軌道高低幾何形位限值，對軌道幾何形位影響極大。因此，在正溫度梯度作用下，單元道床板翹曲變形引起的幾何形位變化超限，需要采取相應措施控制軌下翹曲變形。由文獻［6，9］可知，當溫度梯度為100℃/m時，CRTSⅠ型軌道板最大翹曲變形為0.593 mm，CRTSⅡ型軌道板最大翹曲變形為1.183 mm。而單元雙塊式道床板最大翹曲變形為2.87 mm。可見，在正溫度梯度作用下，單元雙塊式道床板翹曲變形與CRTSⅠ型軌道板、CRTSⅡ型軌道板翹曲變形差異較大。

4　結論

(1)在最大負溫度梯度作用下，單元道床板軌下最大翹曲變形為0.906 mm，對軌道幾何形位影響未超限，可以忽略。在最大正溫度梯度作用下，單元道床板軌下最大翹曲變形為2.57 mm，超過軌道幾何形位限值，需要采取相應措施進行控制道床板翹曲變形。

(2)在負溫度梯度作用下，板邊翹曲變形比板中大。在正溫度梯度作用下，板邊翹曲變形比板中小。

(3)在相同正、負溫度梯度作用下，單元道床板的翹曲變形比CRTSⅠ型軌道板、CRTSⅡ型軌道板的翹曲變形更大。

參考文獻:

［1］萬章博.CRTSI型雙塊式無砟軌道溫度場特性試驗研究［D］.成都:西南交通大學，2015.

［2］徐光鑫，楊榮山.雙塊式無砟軌道裂紋對道床板受力的影響分析［J］.鐵道標準設計，2013(12):32-35.

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［8］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2005］140號新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［9］王繼軍，尤瑞林，王夢，等.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.

Study on Warping Deformation of Slab in Unit Twin-block Ballastless Track

FU Na，LIU Yu，LI Cheng-hui
(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Abstract:Warping deformation of track slab under the effect of temperature gradient may do some harm to track geometry and even endanger traffic safety.In this paper，the finite element method is adopted to establish a calculation model of unit twin-block ballastless track to explore warping deformation of the slab under the effect of temperature gradient and its impact on track geometry.Results show that large warping deformation of slab under positive temperature may endanger traffic safety and measures should be taken to control it.However，under negative temperature，warping deformation of slab is so small that it can be ignored.

Key words:Twin-block ballastless track; Temperature gradient; Warping deformation; Track geometry

作者簡介:付娜(1983—)，女，博士研究生，E-mail:eliza2100 @ 163.com。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2013G004-B)

收稿日期:2015-06-12;修回日期:2015-08-04

文章編號:1004-2954(2016) 03-0016-03

中圖分類號:U213.2+44

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.004