路基上CRTSⅡ型板式軌道縱向接縫損傷成因分析

蘇成光，向　芬，胡　佳，?！〕?，趙坪銳

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院，重慶　404100）

?

路基上CRTSⅡ型板式軌道縱向接縫損傷成因分析

蘇成光1，向芬1，胡佳2，牛晨1，趙坪銳1

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院，重慶404100）

摘要基于混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系建立路基上CRTSⅡ型板式軌道有限元模型，探討溫度荷載、層間狀態(tài)、材料質(zhì)量等對(duì)寬接縫處混凝土損傷的影響，分析寬接縫損傷產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：正常狀態(tài)下，因混凝土材料極限抗拉強(qiáng)度較小，其受拉損傷程度遠(yuǎn)大于受壓損傷程度；若軌道板與寬接縫混凝土粘結(jié)較好，則軌道板在降溫荷載作用下會(huì)沿著“假縫”開(kāi)裂，符合設(shè)計(jì)的初衷；當(dāng)軌道板與砂漿層之間出現(xiàn)離縫時(shí)須及時(shí)修復(fù)，以免在溫度荷載作用下加大寬接縫損傷；若寬接縫處混凝土強(qiáng)度下降，則軌道結(jié)構(gòu)損傷明顯增大，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)保證寬接縫處的混凝土質(zhì)量；軌道板與寬接縫之間的離縫病害會(huì)加劇軌道板與砂漿層層間離縫的發(fā)展，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

關(guān)鍵詞CRTSⅡ型板式軌道；縱向接縫；塑性損傷；離縫；假縫

截止到2015年底，我國(guó)高鐵規(guī)模已達(dá)1. 9萬(wàn)km，居世界首位，達(dá)到世界高鐵總運(yùn)營(yíng)里程的50％以上。目前我國(guó)高速鐵路主要采用CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道和CRTSⅠ，CRTSⅡ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式［1］，其中京滬、京津、京杭、京石、寧杭、杭甬、杭長(zhǎng)等高速鐵路均采用CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道。由于我國(guó)幅員遼闊，氣候復(fù)雜，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的病害逐漸顯現(xiàn)出來(lái)［2-4］。CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道常見(jiàn)的2種病害類型：寬窄接縫損傷（本文簡(jiǎn)稱接縫損傷）和軌道板與砂漿層離縫，如圖1所示。若不及時(shí)修復(fù)，會(huì)嚴(yán)重影響軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役性能和耐久性。因此，探明軌道病害產(chǎn)生的原因并提出合理的設(shè)計(jì)與維修建議，是目前日益緊迫的課題。

徐浩等［5］針對(duì)CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開(kāi)裂問(wèn)題及修補(bǔ)材料對(duì)軌道板的影響進(jìn)行了分析。黃河山［6］對(duì)CRTSⅡ型板式軌道“假縫”開(kāi)裂的條件及開(kāi)裂后對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響開(kāi)展了研究。以上研究均采用線彈性模型，沒(méi)有考慮混凝土材料的非線性特性。針對(duì)該現(xiàn)狀，本文將混凝土塑性損傷引入有限元模型，探討溫度荷載、粘結(jié)方式、混凝土質(zhì)量對(duì)CRTSⅡ型板式軌道寬接縫處混凝土損傷的影響，分析損傷產(chǎn)生的原因，為寬接縫設(shè)計(jì)及維修提供建議。

圖1　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道現(xiàn)場(chǎng)病害

1　CRTSⅡ型板式優(yōu)化軌道塑性損傷有限元模型

無(wú)砟軌道產(chǎn)生損傷時(shí)，其構(gòu)成材料已進(jìn)入塑性損傷狀態(tài)，應(yīng)采用塑性損傷本構(gòu)關(guān)系表征損傷部位混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1. 1混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系

采用LEE等［7］提出的混凝土塑性損傷模型來(lái)描述混凝土的力學(xué)性能，該塑性損傷模型主要用于模擬低靜水壓力下由損傷引起的不可恢復(fù)的材料退化。

塑性損傷狀態(tài)下的應(yīng)變率分為彈性應(yīng)變率和塑性應(yīng)變率，即

應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系式為

式中：σ為應(yīng)力；d為剛度損傷變量，0≤d≤1，材料未損壞時(shí)，d = 0，材料完全損壞時(shí)為材料的初始（未損傷）彈性剛度；ε為應(yīng)變；εpl為塑性應(yīng)變。

混凝土材料的剛度退化可由2個(gè)獨(dú)立的單軸損傷變量來(lái)描述，即拉伸損傷因子dt和壓縮損傷因子dc，那么材料在單軸拉伸和壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別為

式中：σt，σc分別為總拉、壓應(yīng)力；εt，εc分別為總拉、壓應(yīng)變分別為塑性拉、壓應(yīng)變。

1. 2計(jì)算參數(shù)及工況設(shè)置

在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道有限元模型中鋼軌為CHN60軌，鋼軌、扣件分別采用梁?jiǎn)卧?、彈簧單元，軌道板和底座板均采用?shí)體單元。軌道板尺寸為6. 45 m×2. 55 m×0. 20 m，其中軌道板混凝土與寬接縫混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，二者均采用混凝土塑性損傷表征本構(gòu)關(guān)系，而支承層、砂漿層、鋼筋等采用線彈性材料，路基支承面剛度為76 MPa/m。

通過(guò)調(diào)查分析［8］，張拉鎖件、施工質(zhì)量、溫度荷載及軌道板與砂漿層的離縫均對(duì)接縫損傷有影響。本文通過(guò)設(shè)置軌道板與砂漿層粘結(jié)正常狀態(tài)、軌道板與砂漿層全脫空、寬接縫混凝土質(zhì)量不良（用C40混凝土參數(shù)代替C55混凝土）、接縫混凝土與軌道板間出現(xiàn)離縫這4種工況，對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道接縫損傷的成因及其影響展開(kāi)分析。

2　正常狀態(tài)下結(jié)構(gòu)損傷分析

參考文獻(xiàn)［9］中溫度取值方式，本文假設(shè)夏季升溫情況時(shí)最大正溫度梯度為80℃/m，沿軌道板垂向線性分布，軌道板上表面升溫40℃；冬季降溫情況時(shí)最大負(fù)溫度梯度為- 40℃/m，沿軌道板垂向線性分布，軌道板上表面降溫30℃。板厚修正系數(shù)均為1. 05。

1）夏季升溫情況

夏季升溫時(shí)，寬接縫混凝土在整體升溫和正溫梯共同作用下的損傷分布如圖2所示。

圖2　寬接縫混凝土在整體升溫和正溫梯共同作用下的損傷分布

由圖2可知，寬接縫混凝土受壓損傷位置比較集中，位于結(jié)構(gòu)中部，受壓損傷最大值為0. 1。與受壓損傷相比，寬接縫混凝土的受拉損傷則十分明顯，影響范圍大，受拉損傷最大值為0. 92，可認(rèn)為混凝土已經(jīng)退出工作，不能繼續(xù)承載。這與混凝土材料極限抗拉強(qiáng)度較小有關(guān)，受拉損傷程度遠(yuǎn)大于受壓損傷程度。

2）冬季降溫情況

冬季降溫時(shí)，寬接縫混凝土在整體降溫和負(fù)溫梯共同作用下的損傷分布如圖3所示。

圖3　寬接縫混凝土在整體降溫和負(fù)溫梯共同作用下的損傷分布

由圖3可知，軌道板在“假縫”處受拉損傷值為0. 92，可認(rèn)為軌道板沿“假縫”全斷面開(kāi)裂。在軌道板與寬接縫混凝土粘結(jié)作用較強(qiáng)的情況下，寬接縫混凝土損傷較小，軌道板在降溫荷載作用下沿著“假縫”開(kāi)裂，符合設(shè)計(jì)的初衷［9］。但實(shí)際上軌道板與寬接縫粘結(jié)作用較弱，因此寬接縫與軌道板出現(xiàn)離縫破壞較“假縫”開(kāi)裂嚴(yán)重。

3　軌道板與砂漿層粘結(jié)狀態(tài)的影響分析

對(duì)軌道結(jié)構(gòu)整體升溫，在不同溫度荷載作用下正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)損傷如圖4所示。

由圖4可知，在2種狀態(tài)下，寬接縫混凝土受壓損傷均較小，幾乎沒(méi)有破壞。2種狀態(tài)的受拉損傷值則隨著溫度的增加而快速增加，特別在離縫狀態(tài)下，當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí)，受拉損傷值就達(dá)到0. 92，混凝土材料已破壞。因此，當(dāng)軌道板與砂漿層之間出現(xiàn)離縫時(shí)，應(yīng)及時(shí)修復(fù)，以免在溫度荷載作用下進(jìn)一步加劇寬接縫的損傷。

圖4　不同溫度荷載下正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)損傷

在相同層間粘結(jié)狀態(tài)下，隨著整體溫度升高，寬接縫混凝土的損傷分布基本相同，只是損傷程度逐漸增加。本文主要選取整體升溫30℃的損傷分布情況進(jìn)行分析，正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)受拉、受壓損傷分布分別如圖5、圖6所示。

圖5　正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)受拉損傷分布

圖6　正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)受壓損傷分布

由圖5可知，整體升溫30℃時(shí)，軌道板與砂漿層粘結(jié)正常狀態(tài)下寬接縫混凝土受拉損傷最大值為0. 237，多分布在張拉鎖件的上部。而在離縫狀態(tài)下，受拉損傷最大值達(dá)到了0. 917，主要出現(xiàn)在中間2個(gè)張拉鎖件的下方。一旦軌道板與砂漿層出現(xiàn)離縫，則在軌道結(jié)構(gòu)升溫時(shí)寬接縫混凝土容易出現(xiàn)拉伸損傷。

由圖6可知，2種狀態(tài)下的損傷均較小。說(shuō)明在一般情況下，寬接縫混凝土抗壓能力較強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)受壓破壞。

4　寬接縫施工質(zhì)量不良時(shí)損傷分析

寬接縫處的混凝土是現(xiàn)場(chǎng)澆筑，若養(yǎng)護(hù)不足，則可能沒(méi)有達(dá)到混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了研究寬接縫處混凝土強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響，假設(shè)在質(zhì)量不良的狀態(tài)下（下文簡(jiǎn)稱低強(qiáng)狀態(tài)），寬接縫混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，分析層間粘結(jié)良好和層間離縫2種狀態(tài)在整體升溫50℃的作用時(shí)寬接縫處混凝土強(qiáng)度與損傷程度的關(guān)系。

4. 1層間粘結(jié)良好

層間粘結(jié)良好時(shí)，正常狀態(tài)和低強(qiáng)狀態(tài)受拉、受壓損傷分布分別如圖7、圖8所示。

圖7　層間粘結(jié)良好時(shí)正常狀態(tài)和低強(qiáng)狀態(tài)受拉損傷分布

由圖7可知，2種狀態(tài)下受拉損傷最大值均較大，低強(qiáng)狀態(tài)下混凝土的受拉損傷最大值為0. 829，主要集中在寬接縫兩端，其損傷范圍比正常狀態(tài)下范圍更大。

圖8　層間粘結(jié)良好時(shí)正常狀態(tài)和低強(qiáng)狀態(tài)受壓損傷分布

由圖8可知，受壓損傷主要分布在寬接縫結(jié)構(gòu)的上半部分，張拉鎖件上部區(qū)域較多，不過(guò)數(shù)值均較小。但混凝土強(qiáng)度下降后，損傷明顯增大。

4. 2軌道板與砂漿層離縫

層間離縫時(shí)，正常狀態(tài)和低強(qiáng)狀態(tài)受拉、受壓損傷分布分別如圖9、圖10所示。

圖9　層間離縫時(shí)正常狀態(tài)和低強(qiáng)狀態(tài)受拉損傷分布

圖10　層間離縫時(shí)正常狀態(tài)和低強(qiáng)狀態(tài)受壓損傷分布

由圖9可知，2種狀態(tài)的受拉損傷均較大，但低強(qiáng)狀態(tài)下混凝土損傷破壞影響范圍更大，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)保證寬接縫處的混凝土質(zhì)量。

由圖10可知，正常狀態(tài)下，混凝土的受壓損傷集中在張拉鎖件邊緣，損傷值較小。而低強(qiáng)狀態(tài)下，混凝土的受壓損傷主要集中在窄接縫混凝土處，最大值達(dá)到0. 576?；炷翉?qiáng)度下降后，將明顯增加窄接縫混凝土的受壓損傷程度。

5　寬接縫與軌道板間離縫時(shí)的影響分析

本節(jié)假設(shè)寬接縫處混凝土與軌道板混凝土之間出現(xiàn)離縫，而軌道板與砂漿層粘結(jié)良好，研究在整體降溫20℃時(shí)，寬接縫與軌道板離縫對(duì)軌道板損傷的影響。離縫時(shí)軌道板損傷分布如圖11所示。

圖11　離縫時(shí)軌道板損傷分布

由圖11可知，軌道板的受壓損傷值不大，主要集中在板端底部邊緣處。但軌道板板端底部出現(xiàn)了大范圍的拉伸損傷，受拉損傷最大值達(dá)到0. 917，受損嚴(yán)重。離縫時(shí)，在低溫荷載作用下，軌道板的收縮主要依靠軌道板與砂漿層的粘結(jié)力抵抗，這樣會(huì)加劇軌道板與砂漿層離縫的病害。因此，在寬接縫與軌道板出現(xiàn)離縫病害時(shí)應(yīng)及時(shí)修復(fù)，避免軌道板與砂漿層等病害的產(chǎn)生。

6　結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)不同層間狀態(tài)、寬接縫質(zhì)量及寬接縫與軌道板離縫下的軌道結(jié)構(gòu)損傷狀況進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論，并給出相關(guān)建議。

1）正常狀態(tài)下，因混凝土材料極限抗拉強(qiáng)度較小，受拉損傷程度遠(yuǎn)大于受壓損傷程度。若軌道板與寬接縫混凝土粘結(jié)較強(qiáng)，則寬接縫混凝土損傷較小，軌道板在降溫荷載作用下會(huì)沿著“假縫”開(kāi)裂，符合設(shè)計(jì)的初衷。

2）軌道板與砂漿層在層間離縫狀態(tài)下，當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí)，受拉損傷就達(dá)到0. 92，混凝土材料已破壞。當(dāng)軌道板與砂漿層間出現(xiàn)離縫時(shí)，要及時(shí)修復(fù)，以免在溫度荷載作用下進(jìn)一步加劇寬接縫的損傷。

3）軌道板與砂漿層層間粘結(jié)完好和離縫2種狀態(tài)在寬接縫施工質(zhì)量不良時(shí)損傷破壞均較大，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)保證寬接縫混凝土質(zhì)量。

4）軌道板與寬接縫間出現(xiàn)離縫時(shí)，在低溫荷載作用下，軌道板的收縮主要靠軌道板與砂漿層的粘結(jié)力抵抗，這樣會(huì)加劇軌道板與砂漿層層間離縫的病害。因此，在寬接縫與軌道板出現(xiàn)離縫病害時(shí)應(yīng)及時(shí)修復(fù)，避免軌道板與砂漿層等病害的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

［1］王永義.高速鐵路板式無(wú)砟軌道施工技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

［2］胡華潔，范詩(shī)建，夏松林，等.高鐵無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害與維修技術(shù)探討［J］.低溫建筑技術(shù)，2014，36（11）：149-151.

［3］樓梁偉，謝永江，辛學(xué)忠，等. CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板與寬接縫界面開(kāi)裂研究［J］.鐵道建筑，2015（1）：98-101.

［4］柴強(qiáng).高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究［D］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

［5］徐浩，謝鎧澤，陳嶸，等. CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開(kāi)裂及修補(bǔ)材料對(duì)軌道板的影響分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012 （7）：30-32，37.

［6］黃河山.橋上CRTSⅡ型板式軌道假縫開(kāi)裂及其影響研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［7］LEE J，F(xiàn)ENVRS G L. Plastic-damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structure［J］. Journal of Engineering Mechanics，1998，124（8）：892-900.

［8］胡佳. CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道寬接縫損傷行為研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2015.

［9］劉學(xué)毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運(yùn)專線無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

（責(zé)任審編鄭冰）

第一作者：蘇成光（1989—），男，博士研究生。

Causes Analysis of Longitudinal Joint Damage of CRTSⅡSlab-type Track on Subgrade

SU Chengguang1，XIANG Fen1，HU Jia2，NIU Chen1，ZHAO Pingrui1
（1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute，Chongqing 404100，China）

AbstractBased on the concrete plastic damage constitutive，a finite element model of CRT SⅡslab-type track on subgrade was established to explore the influence of temperature，interface state and material quality on the concrete damage，and analyze the cause of longitudinal joint damage. T he results show that the ultimate tensile strength of concrete is small in normal state，the tension damage is much greater than the compression damage. If the bonding performance between the track slab and the longitudinal joint concrete is fine，the cracks of track slab will appear along the dummy joints under the cooling load，which meet the design requirements. W hen the gap between the track slab and the CA mortar layer appears，it should be repaired in time to avoid further damage of longitudinal joint. If the concrete strength of longitudinal joint decreases，the damage of track structure will increase significantly. Site construction should ensure the concrete quality of longitudinal joint. T he gap between the track slab and the longitudinal joint will aggravate the expansion of the gap between the track slab and the CA mortar layer，it should be repaired in time.

Key wordsCRT SⅡslab-type track；Longitudinal joint；Plastic damage；Interface connection damage；Dummy joints

中圖分類號(hào)U213. 2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 14

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0064-05

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-03-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2013CB036202）；國(guó)家自然科學(xué)基金——高鐵聯(lián)合基金（U1434208；U1534203）；中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（Z2013G001；2014G001-A）

通訊作者：趙坪銳（1978—），男，副教授，博士。