嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道溫度場及變形研究

趙　勇，司道林，姜子清，王繼軍，李　慧

（1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京　100081；3.鐵道第三勘察設(shè)計院有限公司，天津　300142）

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嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道溫度場及變形研究

趙勇1，2，司道林1，2，姜子清1，2，王繼軍1，2，李慧3

（1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；3.鐵道第三勘察設(shè)計院有限公司，天津300142）

摘要通過對哈大線TJ-Ⅱ標(biāo)和TJ-Ⅲ標(biāo)路基段及橋梁段CRTSⅠ型板式無砟軌道溫度梯度及變形的觀測，獲得嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無砟軌道溫度場。通過對該區(qū)段軌道板翹曲變形的調(diào)研發(fā)現(xiàn)砂漿充填層灌注質(zhì)量的關(guān)鍵在于時機選擇，圓曲線地段曲線外側(cè)灌注質(zhì)量尤為重要。采用有限元方法建立CRTSⅠ型板式無砟軌道模型，通過改變板厚及溫差條件，對比分析了軌道板的翹曲規(guī)律。分析結(jié)果表明：隨著溫差的增大，翹曲值呈線性增大；相同溫差作用下，軌道板厚度越大，翹曲值的增長速率越大。

關(guān)鍵詞嚴(yán)寒地區(qū)；CRTSⅠ型板式無砟軌道；溫度場；變形

溫度荷載是無砟軌道的主要荷載之一，對無砟軌道結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性有重要影響。無砟軌道設(shè)計時，軌道板的溫度變化主要包括兩個方面：一是軸向溫度，即軌道板整體的溫度升降，使得軌道板發(fā)生整體的伸縮；二是溫度梯度，即軌道板沿厚度方向的溫度變化，使得軌道板發(fā)生一定程度的翹曲［1-2］。

軌道板為混凝土結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)性能差。無砟軌道結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣中，混凝土在太陽輻射下，軌道板表面溫度迅速上升，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部大部分區(qū)域仍處于原來的溫度狀態(tài)［3-4］，從而使軌道板出現(xiàn)“上熱下冷”；同樣，在環(huán)境溫度下降時軌道板表面溫度迅速下降，使軌道板出現(xiàn)“上冷下熱”。由于受重力作用以及鋼軌和扣件系統(tǒng)的約束作用，軌道板在溫度梯度荷載作用下其翹曲變形較為復(fù)雜［5-7］。本文針對哈大線TJ-Ⅱ標(biāo)和TJ-Ⅲ標(biāo)部分區(qū)段CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板的溫度梯度及變形進(jìn)行觀測，并對所觀測地段軌道板與砂漿充填層間的離縫現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)研。

1　現(xiàn)場觀測及調(diào)研分析

1. 1哈大線TJ-Ⅱ標(biāo)

選取路基地段砂漿灌注飽滿處軌道板進(jìn)行溫度作用下軌道板翹曲變形情況觀測。位移及溫度測點布置如圖1所示，觀測結(jié)果如表1～3和圖2～5所示。

圖1　軌道板位移及溫度測點布置

表1　軌道板翹曲位移統(tǒng)計mm

由以上圖表可知，軌道板在1 d內(nèi)由于氣溫變化在板內(nèi)形成溫度梯度，導(dǎo)致板表和板底之間“上冷下熱”或“上熱下冷”，由此引起軌道板翹曲變形。由于板底受砂漿填充層的約束作用，其下沉位移值較小，主要表現(xiàn)為4個板角的上翹變形。將1 d內(nèi)軌道板上翹量和下沉量的總和定義為軌道板1 d內(nèi)的位移變化

量，不同位置的最大值分別為軌道板板角處1. 26 mm和軌道板長邊中心處0. 25 mm，且軌道板板角比板中的位移變化速度快，主要原因是由于混凝土熱傳導(dǎo)性能差，軌道板板角和大氣接觸且無周邊約束。軌道板頂面與底面間溫差最大值為上冷下熱時-10. 6℃（西側(cè)，上午6：00），上熱下冷時9. 8℃（板中，上午10：00）。

表2　軌道板溫度變化統(tǒng)計℃

表3　軌道板溫差及氣溫變化統(tǒng)計　℃

圖2　軌道板翹曲值隨時間變化

圖3　軌道板溫度隨時間變化

圖4　軌道板溫度梯度隨時間變化

圖5　氣溫隨時間變化

對位于直線地段的八寶屯特大橋前50跨簡支梁上共247塊軌道板的現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)：

1）陰天時（溫差較小，可以排除板的翹曲變形影響），軌道板和砂漿離縫量為：A配方砂漿充填層區(qū)段4％，B配方砂漿充填層區(qū)段6％。

2）晴天低溫時段，軌道板和砂漿離縫量為：A配方砂漿充填層區(qū)段16％，其中鋼板尺插入深度＞20 cm的為4. 5％左右；B配方砂漿充填層區(qū)段26％，其中鋼板尺插入深度＞20 cm的為14. 5％左右。

對南英城特大橋206～213跨梁上共104塊軌道板，采用鋼板尺對板角插入進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)其中6塊板可以插入10 cm左右，占排查板總數(shù)的5. 7％左右。

對田家村特大橋48～69跨梁上共308塊軌道板（B配方砂漿，曲線半徑10 000 m，超高115 mm）進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：晴天低溫時段，離縫量為22％；受軌道板側(cè)面凃刷防護(hù)漆的影響，其量值較直線地段略小。離縫現(xiàn)象主要發(fā)生在圓曲線地段的曲線外側(cè)。

1. 2哈大線TJ-Ⅲ標(biāo)

選取路塹地段砂漿灌注飽滿處軌道板進(jìn)行觀測。位移及溫度測點布置如圖6所示。觀測結(jié)果如表4～表6和圖7～圖10所示。由以上圖表可知，軌道板最大上翹值為1. 16 mm，軌道板頂面與底面溫差最大值為上冷下熱時- 10. 2℃，上熱下冷時7. 2℃。

圖6　位移及溫度測點布置

表4　軌道板翹曲位移統(tǒng)計mm

表5　軌道板溫度變化統(tǒng)計℃

表6　軌道板溫差及氣溫變化統(tǒng)計　℃

圖7　軌道板溫度隨時間變化

圖8　軌道板翹曲位移隨時間變化

圖9　軌道板溫度梯度隨時間變化

圖10　氣溫隨時間變化

對直線地段路塹共122塊軌道板現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)：晴天低溫時段，鋼板尺插入深度＞10 cm的為92. 6％；晴天高溫時段，鋼板尺插入深度＞10 cm的為27. 8％。

對施家特大橋大連端半徑7 000 m，超高140 mm的曲線上共154塊軌道板現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)：晴天低溫時段，曲線外側(cè)離縫量為64. 3％，曲線內(nèi)側(cè)離縫量為48. 1％；晴天高溫時段，曲線外側(cè)離縫量為2％，曲線內(nèi)側(cè)離縫量為2％。離縫現(xiàn)象在圓曲線和緩和曲線地段均有發(fā)生，其中曲線內(nèi)側(cè)離縫主要發(fā)生在緩和曲線上。

2　軌道板溫度翹曲變形研究

根據(jù)CRTSⅠ型板式無砟軌道的特點，采用直接有限單元法，系統(tǒng)分析溫度變化幅度對軌道板溫度翹曲變形的影響規(guī)律。

模型中軌道板、砂漿充填層及底座板采用實體單元；鋼軌用梁單元模擬；扣件用垂向和縱向彈簧模擬；軌道板和砂漿充填層之間采用接觸單元處理［8-10］。計算基本參數(shù)按照哈大客運專線CRTSⅠ型軌道板的有關(guān)設(shè)計選取；砂漿彈性模量為300 MPa，板下無膠墊，砂漿充填層厚度為50 mm；扣件采用WJ-7型扣件，橡膠墊板垂向剛度30 kN/mm，縱向剛度9 kN/mm。

2. 1計算工況

計算中考慮3種工況：

工況1，上冷下熱，考慮整個鐵墊板區(qū)域剛化；

工況2，上冷下熱，考慮1 /2鐵墊板區(qū)域剛化；

工況3，上冷下熱，不考慮鐵墊板區(qū)域剛化。

每種工況均分別計算150，200，250，300 mm 4種板厚在10，15，20℃3種板底與板面溫差作用下軌道板的翹曲變形。

2. 2軌道板翹曲區(qū)域分析

在溫度荷載作用下，軌道板產(chǎn)生翹曲變形，當(dāng)板面溫度低于板底時，板端、板邊向上翹曲，板中則由于砂漿壓縮產(chǎn)生反向變形。圖11描述了板厚為150 mm、溫差為20℃情況下軌道板的翹曲變形，經(jīng)上述3種工況分析可知，此情況下軌道板的翹曲變形最為顯著；由圖11（a）中的位移云圖可以看出，板角的翹曲量最大。圖11（b）中的等值線（具有相同翹曲量位置點的連線）說明了溫度載荷作用下軌道板產(chǎn)生的翹曲變形的形狀。產(chǎn)生相同翹曲量的點連線后呈橢圓形，橢圓長軸、短軸分別與板長、板寬成比例，以下將著重分析個各等值線所形成區(qū)域的大小。

結(jié)合對哈大線軌道板翹曲量的現(xiàn)場調(diào)研，針對上述3種工況，對厚度為200 mm軌道板的翹曲區(qū)域及翹曲量進(jìn)行分析。以圖11所示的某一等值線A為例，說明等值線的含義為：等值線內(nèi)部區(qū)域的翹曲量小于A，外部區(qū)域的翹曲量大于A。為定量描述等值區(qū)域，將軌道板劃分6個等值區(qū)域，以等值線距板邊和板端的最小距離描述翹曲區(qū)域。

在上述3種工況下分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)翹曲值較小時，等值線呈完整橢圓形，隨著翹曲值的增大，橢圓短軸首先達(dá)到極值，換言之，等值線距板邊的距離首先達(dá)到0值；之后，等值線由橢圓狀變?yōu)榘雸A形，向板端擴展；至板端后，等值線近似為一圓弧線，最終擴展至板角，由此亦說明板角的翹曲值最大。當(dāng)?shù)戎稻€擴展至板邊和板端后，板角等值線所包含的區(qū)域較小，由軌道板的最大翹曲值代表板角區(qū)域的翹曲值。

圖11　軌道板翹曲位移

圖12對比分析了各工況下，不同溫差作用下翹曲區(qū)域分布。圖12（a）中描述了工況1在3種溫差作用下等值線距板端的距離，隨著溫差的增大，同值等值線所形成的區(qū)域越小；圖12（b）描述了同一溫差（10℃）作用下3種工況所形成的等值線分布，產(chǎn)生相同翹曲值時，由于鐵墊板的約束作用，工況1所形成的區(qū)域最大，工況2次之，工況3最小。

圖12　翹曲區(qū)域?qū)Ρ确治?/p>

3　結(jié)語

通過以上分析，對CRTSⅠ型板式無砟軌道溫度場及變形得出如下結(jié)論：

1）軌道板頂面與底面間溫差最大值為上冷下熱10. 6℃，上熱下冷9. 8℃。

2）軌道板1 d內(nèi)的位移變化量，其最大值分別為軌道板板角處1. 26 mm，軌道板長邊中心0. 25 mm，且軌道板板角比板中的位移變化速度快，量值較大。

3）軌道板在負(fù)溫度梯度作用下，板角處存在一定離縫現(xiàn)象，因此應(yīng)注意砂漿充填層的灌注時機，盡量選取軌道板溫度梯度較小時灌注；與直線地段相比在圓曲線地段的曲線外側(cè)離縫比例略大，因此應(yīng)注意曲線地段砂漿充填層的灌注品質(zhì)。

4）各種板厚條件下軌道板翹曲值的變化規(guī)律一致；隨著溫差的增大，翹曲值呈線性增大；相同溫差作用下，軌道板厚度越大，翹曲值的增長速率越大。

5）板面與板底溫差對軌道板的翹曲起著決定性作用；隨著鐵墊板處剛化區(qū)域面積的減小，溫差作用愈加明顯，軌道板翹曲量不斷增大。

6）隨著溫差的增大，軌道板翹曲位移同值等值線所形成的區(qū)域越小。

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（責(zé)任審編周彥彥）

Study on Temperature Field and Deformation of CRTSⅠSlab-type Ballastless Track in Severe Cold Area

ZHAO Yong1，2，SI Daolin1，2，JIANG Ziqing1，2，WANG Jijun1，2，LI Hui3
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China；3. The 3rd Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300142，China）

AbstractT hrough the observation of temperature gradient and deformation of CRT SⅠslab-type ballastless track structure between T J-Ⅱand T J-Ⅲsubgrade section and bridge section in Harbin-Dalian line，the temperature field of CRT SⅠslab-type ballastless track in severe cold area was obtained. Based on the investigation of track slab warping deformation in these sections，the key of mortar filling layer perfusion quality is the timing and lateral perfusion quality for circular curve section is especially important. CRT SⅠslab-type ballastless track model was established by FEM method and the warping law of track slab was analyzed by changing the slab thickness and the temperature difference. T he results show that warping value increases linearly with the increase of temperature difference，and the growth rate of warping value increases with the track slab thickness increasing under the same temperature difference.

Key wordsSevere cold area；CRT SⅠslab-type ballastless track；T emperature field；Deformation

中圖分類號U213. 2+42；U213. 2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 11

文章編號：1003-1995（2016）05-0047-06

收稿日期：2016-03-10；修回日期：2016-04-05

基金項目：中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：趙勇（1983—），男，助理研究員。