溫度作用下橋上CRTSⅡ型軌道離縫及變形分析

周敏，戴公連，閆斌

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

溫度作用下橋上CRTSⅡ型軌道離縫及變形分析

周敏1，戴公連2，閆斌2

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

采用實體單元模擬軌道結構、接觸單元模擬層間約束關系、僅受壓的桿單元模擬橋梁對軌道的支撐和非線性彈簧單元模擬扣壓型側向擋塊的約束作用，建立高速鐵路簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構空間有限元模型，采用相關文獻案例驗證本模型的準確性，分析溫度作用下橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫發展規律及變形。研究結果表明：整體升溫對軌道板與砂漿層界面縱向剪應力影響較大，溫度越高，縱向剪應力越大，但在正常使用范圍內，界面不會發生縱向剪切破壞；溫度梯度主要引起界面豎向拉裂破壞，進而產生砂漿離縫，離縫從軌道板邊緣開始出現，在正負溫度梯度交替作用下，沿橫向深度加深，深度可達50 cm；當界面黏結強度為0.02 MPa時，砂漿離縫產生的臨界正溫度梯度為5.3℃，臨界負溫度梯度為-4.8℃，且二者呈線性關系，黏結強度越高，臨界溫度梯度越大。軌道板板端接縫缺陷引起接縫位置及縱向一定范圍內界面拉裂破壞，沿橫向貫通，導致砂漿離縫和軌道板板端上拱；提高砂漿層施工質量和加強軌道板板端接縫施工控制有利于抑制砂漿離縫和軌道板上拱變形。

高速鐵路；簡支梁；無砟軌道；砂漿離縫；有限元分析；溫度梯度

橋上CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道結構在我國京津城際、京滬和滬昆等高速鐵路線上得到了廣泛應用[1]，由于其軌道板和底座板縱向連續，當環境溫度發生變化時，縱連的軌道結構中存在巨大的軸向力。此外，在太陽輻射及對流換熱的作用下，軌道板和底座板豎向還存在著非線性溫度梯度，導致軌道結構承受著較大的彎矩作用，進一步削弱了軌道結構的豎向穩定[2]。對我國某高速鐵路線上CRTSⅡ型板式無砟軌道的現場調查發現，多處工點軌道板與砂漿層之間出現了不同程度的離縫；個別工點軌道板板端接縫部位甚至出現不同程度的上拱變形，直接影響列車運行的安全舒適。無砟軌道結構的界面離縫和變形問題已受到國內學者的廣泛關注[3～8]，如劉鈺等[3]對CRTSⅡ型軌道結構早期離縫產生的原因進行了分析，王雪松等[4]提出了幾點抑制CRTSⅡ型軌道結構砂漿離縫的技術措施，王繼軍等[5]對單元板式無砟軌道結構軌道板翹曲變形進行了分析與現場測試。但現有研究多針對于路基上軌道結構，其計算模型并不適用于橋上CRTSⅡ型無砟軌道；所采用的溫度梯度荷載僅通過短期試驗獲得，難以反映現實情況。本文針對既有研究中的不足，采用接觸單元模擬層間非線性約束關系，建立簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間有限元模型，基于課題組前期研究中獲得的橋上無砟軌道非線性溫度荷載模式[9-10]，研究溫度作用下，軌道板板端部位上拱變形及砂漿離縫，并探討關鍵參數的影響。

1 橋上CRTSⅡ型軌道結構體系

以高速鐵路雙線32 m簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構為例，其軌道結構主要由鋼軌、軌道板、砂漿層、底座板及滑動層組成，如圖1所示，通過在梁面和底座板間設置摩擦系數極小的滑動層來減小橋梁伸縮變形對軌道結構的影響；在橋上固定支座處設置剪力齒槽和錨固螺栓保證軌道結構與橋梁縱向的可靠連接[11-13]。

圖1 簡支梁橋上CRTSⅡ型軌道截面示意圖Fig.1 Section of CRTSⅡtrack on simply-supported beam

為了提高軌道結構的豎向穩定性，沿縱向兩側設置扣壓型側向擋塊，側向擋塊通過預埋件與梁體相連，如圖2所示。

單位:mm圖2 扣壓型側向擋塊布置圖Fig.2 Layout of pigeonhole type lateral blocks

2 有限元模型及計算參數

基于大型通用有限元軟件ANSYS建立32 m簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構空間有限元模型。將簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結構分析模型簡化成長度為32.7 m(約為連續5塊軌道板長度)、兩端固結的實體模型，見圖3。

單位:m(a)縱向受力體系；(b)約束關系圖3 簡支梁橋上CRTSⅡ型軌道結構分析模型Fig.3 Analysis model of CRTSⅡtrack structure on simply-supported beam bridges

其中，軌道板、砂漿層和底座板采用實體單元模擬，主要計算參數如表1所示。

表1 軌道結構計算參數Table 1 Calculation parameters of track structure

軌道板與砂漿層、砂漿層與底座板之間的接觸關系采用面-面接觸單元模擬：法向接觸剛度取砂漿的豎向抗壓剛度2 000 N/mm3，接觸分離剛度取接觸面的抗拉剛度232.6 N/mm3，砂漿層的切面剛度為0.05 N/mm3，層間摩擦因數取0.35。

根據2003年德國博格公司的現場試驗數據[11]，軌道板與砂漿層界面所能承受縱向極限剪應力為0. 025 MPa；基于現場試驗數據，界面所能承受的豎向極限抗拉強度為0.020 MPa。

采用僅受壓的桿單元模擬橋梁對軌道結構的支撐作用；采用非線性彈簧單元模擬側向擋塊對底座板的約束作用。側向擋塊為普通鋼筋混凝土結構，設計容許混凝土開裂，開裂后不考慮混凝土抗拉強度，其豎向剛度主要由受拉鋼筋提供，采用理想彈塑性模型，圖4所示。

圖4 豎向抗拉剛度力學模型Fig.4 Mechanical model of vertical tensile stiffness

參照文獻[3]，分析溫度梯度作用下橋上軌道板溫度翹曲變形，計算得到：當豎向溫度梯度為81.375 ℃/m時，軌道板溫度最大翹曲變形為0.450 mm；溫度梯度取-40.600 ℃/m時，最大溫度翹曲變形為0.401 2 mm；與文獻[3]實測結果比較相差分別為4.2%和1.9%，驗證了本有限元模型的有效性。

溫度荷載包括整體升降溫和豎向非線性溫度梯度，本文所采用的豎向非線性溫度梯度為課題組前期研究得到我國中部地區橋上CRTSⅡ型軌道結構溫度梯度荷載模式[10]，如圖5所示。

圖5 豎向溫度梯度荷載模式Fig.5 Load mode of vertical temperature gradient

3 砂漿離縫機理及影響因素分析

3.1 砂漿層離縫產生機理

溫度作用下，由于軌道板與砂漿層之間材料性能的差異，界面上存在縱向的剪應力和豎向的正應力：界面上的剪應力大于其極限剪應力時，界面則被剪切破壞；界面上的拉應力大于其極限拉應力時，界面則被拉裂破壞。軌道板與砂漿層界面的破壞導致砂漿離縫的產生。

整體升溫作用下，軌道板與砂漿層界面豎向拉應力變化不大，且均在0.020 MPa以下，界面不會產生豎向拉裂破壞，但溫度升高，界面上的縱向剪應力卻不斷增大。當軌道結構升溫到82 ℃時，界面上部分區域的剪應力達到極限剪應力，界面開始滑移，主要集中在軌道板邊緣，如圖6所示。證明正常使用狀態下，軌道板與砂漿層界面不會發生縱向剪切破壞。

圖6 整體升溫82 ℃界面接觸狀態Fig.6 Interface contact state overall temperature 82 ℃

正溫度梯度作用下，界面上縱向最大剪應力僅為0.001 2 MPa，界面不會發生剪切破壞，但豎向正應力(拉應力為正，壓應力為負)卻較大，其分布云圖如圖7所示。

單位:MPa圖7 正溫度梯度作用下界面豎向正應力Fig.7 Interface vertical normal stress under positive temperature gradient

界面上大部分區域的豎向正應力在0.02 MPa以下，而在軌道板整個邊緣區域(深度約為20 cm)拉應力大于0.020 MPa(圖7中灰色區域)，沿線路縱向連續。軌道板邊緣因界面豎向拉裂破壞，進而產生離縫，計算結果與現場調查情況相吻合。

負溫度梯度作用下，界面縱向最大剪應力僅為0.000 99 MPa，界面不會發生縱向剪切破壞，但豎向正應力較大，其分布云圖如圖8所示。

單位:MPa圖8 負溫度梯度作用下界面豎向正應力Fig.8 Interface vertical normal stress under negative temperature gradient

界面上大部分區域的豎向正應力在0.020 MPa以下，而在軌道板距邊緣約為20～50 cm區域，拉應力大于0.020 MPa，沿縱向連續，另外在側向擋塊位置，軌道板中間部分區域拉應力超過0.020 MPa(圖8中灰色區域)，這些區域的界面出現拉裂破壞。

以上分析表明，軌道結構整體升溫對界面的縱向剪應力影響較大，但在一定溫升范圍內，界面不會發生縱向剪切破壞；溫度梯度主要引起界面豎向拉裂破壞，進而產生砂漿離縫，離縫從軌道板邊緣開始出現，沿縱向基本一致，正負溫度梯度交替作用下，離縫沿橫向加深；在極端溫度梯度作用下，離縫橫向深度達到50 cm。

3.2 主要影響因素分析

由于砂漿層現場大面積鋪設，砂漿層施工質量差異較大，導致軌道板和砂漿層界面黏結強度離散性較大。本文研究不同黏結強度下，軌道板邊緣開始產生砂漿離縫的臨界溫度梯度，見圖9。

(a)正溫度梯度；(b)負溫度梯度圖9 砂漿層離縫產生的臨界溫度梯度Fig.9 Critical temperature gradient of mortar gap

由圖9可知，隨著軌道板與砂漿層界面黏結強度的提高，砂漿層產生離縫的臨界溫度梯度增大，且二者幾乎呈線性變化；相同的黏結強度條件下，負溫度梯度作用更容易產生砂漿離縫；當界面黏結強度為0.02 MPa時，砂漿離縫產生的臨界正溫度梯度為5.3 ℃，臨界負溫度梯度為-4.8 ℃。

由此可見，砂漿層的施工質量對離縫的產生影響很大，施工質量越差，即黏結強度越低，越容易產生砂漿離縫。

4 軌道板豎向變形分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道長期暴露在自然環境下，在環境與列車的反復作用下，可能出現損傷及劣化。現場調研發現，由于板端寬、窄接縫分2階段澆筑，受施工控制精度、收縮差異等因素的影響，部分軌道板存在寬接縫頂緊、窄接縫裂開的情況。

采用剛度折減的方法來模擬軌道板接縫缺陷，取窄接縫剛度折減90%進行計算。考慮整體升溫20℃和極端正溫度梯度作用，軌道結構無缺陷和有缺陷時的豎向變形分別見圖10。

軌道結構無缺陷時，軌道板中間部位的豎向變形較大，沿縱向基本一致，最大豎向變形為0.66 mm。考慮軌道板接縫缺陷之后，軌道板的豎向變形發生了較大變化，軌道板板端的豎向變形增大，最大值達到1.01 mm，此時，軌道板與砂漿層界面的豎向正應力如圖11所示。

單位:mm(a)無缺陷時軌道豎向變形；(b)有缺陷時軌道豎向變形圖10 缺陷對軌道結構豎向變形的影響Fig.10 Impact of the defect on vertical deformation of track structure

單位:MPa圖11 軌道結構有缺陷時界面豎向正應力Fig.11 Interface vertical normal stress of track structure with the defect

軌道板接縫位置及縱向一定范圍內界面上的豎向拉應力超過極限拉應力(圖11中灰色區域)，這些區域的界面將發生拉裂破壞，并沿橫向貫通，進而導致軌道板板端上拱。

5 結論

1)軌道結構整體升溫對軌道板與砂漿層界面上的縱向剪應力影響較大，溫度越高，界面上的縱向剪應力越大，但在正常環境條件下，界面并不會發生縱向剪切破壞。

2)溫度梯度是引起界面豎向拉裂破壞并產生砂漿層界面離縫的主要原因。正負溫度梯度交替作用下，界面離縫從軌道板邊緣向內發展，極端溫度梯度作用下離縫深度可達50 cm。

3)隨著界面黏結強度的提高，產生界面離縫的臨界溫度梯度增大，且二者呈線性關系；當界面黏結強度為0.02 MPa時，砂漿離縫產生的臨界正溫度梯度為5.3 ℃，臨界負溫度梯度為-4.8 ℃。

4)考慮軌道板板端接縫缺陷后，溫度荷載作用下，軌道板接縫位置及縱向一定范圍內界面拉裂破壞，并沿橫向貫通，將導致砂漿離縫及軌道板板端上拱。

建議采取以下技術措施防止砂漿離縫及軌道板上拱：禁止在溫差較大時進行砂漿的灌注施工；砂漿灌注完成后，應盡快完成軌道板的縱連作業，減少由于溫度荷載引起的板端砂漿黏結損傷；加強軌道板板端窄接縫施工過程的控制，確保窄接縫灌注質量；施工完成之后，對于低溫條件下部分板端出現裂縫較寬的情況，應及時進行修復；盡量延長扣壓裝置和精調千斤頂的拆除時間；優化砂漿的性能，保證其與軌道板之間可靠的黏結強度。

[1] Bin Yan, Gonglian Dai, Nan Hu. Recent development of design and construction of short span high-speed railway bridges in China [J]. Engineering Structures, 2015,100:707-717.

[2] 周敏，戴公連. 高鐵簡支梁橋上縱連板式無砟軌道穩定性研究[J].鐵道學報，2015，35(8): 60-65. ZHOU Min, DAI Gonglian. Stability of longitudinally connected ballastless track on high-speed railway simply-supported beam bridges[J]. Journal of the China Railway Society, 2015,35(8): 60-65.

[3] 劉鈺，趙國堂. CRTSⅡ型板式無砟軌道結構層間早期離縫研究[J] 中國鐵道科學，2013，34(4): 1-6. LIU Yu,ZHAO Guotang.Analysis of early gap between layers of CRTSⅡslab ballastless track structure[J]. China Railway Science, 2013, 34(4): 1-6.

[4] 王雪松，曾志平，元強,等.抑制CRTSⅡ型軌道板與水泥瀝青砂漿離縫的技術措施研究[J] 鐵道科學與工程學報,2014,11(1):43-48. WANG Xuesong,ZENG Zhiping,YUAN Qiang, et al.Study of technical measures to restrain the gap between CRTSⅡslab and cement asphalt mortar[J]. Journal of Railway Society and Engineering, 2014,11(1):43-48.

[5] 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. WANG Jijun, YOU Ruilin, WANG Meng, et al. Research on the slab temperature warping of the unit slab track system [J]. China Raiiway Science, 2010,31(3):9-14.[6] YAN Bin, DAI Gonglian, ZHANG Huaping. Beam-track interaction of high-speed railway bridge with ballast track [J]. Journal of Central South University of Technology, 2012，19(5):1447-1453

[7] 韓志剛，孫立. CRTSⅡ型板式軌道軌道板溫度測量與變形分析[J] 鐵道標準設計，2011(10): 41-44. HAN Zhigang, SUN Li. Temperature measurement and deformation analysis for CRTSⅡ ballastless track slabs [J]. Railway Standard Design, 2011(10): 41-44.

[8] 王森榮，孫立，李秋義，等.無砟軌道軌道板溫度測量與溫度應力分析[J] 鐵道工程學報，2009,125(2)：52-55. WANG Senrong,SUN Li,LI Qiuyi, et al.Temperature measurement and temperature stress analysis of ballastless track slab[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2009,125(2):52-55.

[9] 戴公連，蘇海霆，閆斌.圓曲線段無砟軌道橫豎向溫度梯度研究[J] 鐵道工程學報，2014,192(6)：40-45. DAI Gonglian, SU Haiting, YAN Bin. Study on horizontal and vertical temperature gradient of ballastless track on curve line [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2014,192(6):40-45.

[10] 閆斌，戴公連，蘇海霆.基于氣象資料的軌道板豎向溫度梯度預測算法[J] 華南理工大學學報，2014,42(12):9-13. YAN Bin, DAI Gonglian, SU Haiting. Prediction model for track plate vertical temperature gradient based on meteorological parameter[J] Journal of South China University of Technology,2014,42(12):9-13.

[11] 胡所亭.高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道設計原理[R].北京：中國鐵道科學研究院，2013. HU Suoting. Principle of CRTS Ⅱ slab ballastless track in high speed railway[R]. Beijing: China Academy of Railway Science, 2013.

[12] Qingyuan Xu, Bin Yan, Ping Lou, et al. Influence of slab length on dynamic characteristics of subway train-steel spring floating slab track-tunnel coupled system [J]. Latin American Journal of Solids and Structures, 2015,12(4): 649-674.

[13] DAI Gonglian, YAN Bin. Longitudinal forces of continuously welded rail on high-speed railway cable-stayed bridge considering impact of adjacent bridges [J]. Journal of Central South University, 2012,19(8):2348-2353.

Analysis of gap and deformation of CRTSⅡtrack on bridges under temperature

ZHOU Min1, DAI Gonglian2, YAN Bin2

(1. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

An entity CRTSⅡslab ballastless track structure on simply-supported beam bridges of high-speed railway finite element model (FEM) was established. In this model, the solid finite elements were used to simulate track structure, the contact elements were applied to simulate the contact relationship between adjacent layers, the compression bar elements were used to simulate the bridges and the nonlinear spring elements were applied to simulate the pigeonhole type lateral blocks. The results of finite element and related literature case verified each other. Research shows that: Overall heating has large effect on the longitudinal shearing stress between the interface of track slab and mortar. The stress rises as the temperature increases, but interface longitudinal shear failure will not occur within the normal operating range of the structure. Temperature gradient mainly influences the vertical positive stress of the interface, it can lead to vertical tensile failure and then produce mortar open joint. The open joint appears at the edge of track slab, under the alternate effect of increases and decreases of temperature the open joint progresses along the horizontal depth which could reach as deep as 50 cm. When the bonding strength of the interface is 0.02 MPa, the positive and negative critical temperature gradient is 5.3 ℃and -4.8 ℃respectively for the appearance of mortar open joint. There is a linear relationship between temperature and strength, the critical temperature gradient becomes larger as the bonding strength grows. The fault in seam at the edge of track slabs causes tensile failure of interface in certain longitudinal range near the seam and transfixes along the transverse direction and finally result in mortar seam and upwarp at the end of track slab. Advancing the construction quality of mortar and enhancing the control of seam construction are beneficial to restrain mortar seam and upwarp deformation.

high-speed railway; simply-supported beam; ballastless track;mortar gap; finite element analysis

2016-02-02

國家自然科學基金資助項目(51478483)；高速鐵路基礎研究聯合基金資助項目(U1334203)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2015G001-G)

閆斌(1984-)，男，河南鄭州人，講師，博士，從事橋上無砟軌道相關研究；E-mail：binyan@csu.edu.cn

U213

A

1672-7029(2016)12-2341-06