溫度荷載下錳渣礦粉改性CA砂漿層力學響應分析

楊 洋，韋紅教，林 潔，茅 俊

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530000)

0 引言

在我國的軌道交通鐵路發展中，高速與重載一直是發展的核心目標。對于客運專線的建設，主要針對列車速度的穩步提升所帶來的便利以及鐵路安全性與使用壽命的加強[1]。無砟軌道結構由于其整體性好、平順性高、軌下基礎變形小、維修工作量少、整體社會經濟效益顯著等優點，成為高速鐵路軌道結構的主要選擇[2]。目前為止，我國高速鐵路中應用較為廣泛的板式無砟軌道，由于建造周期短、運營經驗尚淺，在實際服役中均出現不同程度的傷損現象，究其原因可以歸結為無砟軌道結構處于不同自然環境中、受不同形式荷載作用、軌道結構各部分本身缺陷等一系列原因。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[3]。由于眾多影響因素的影響，CA砂漿在目前運營階段正逐步出現疲勞破壞的現象，大大影響了板式無砟軌道結構的整體穩定性，甚至會影響線路的行車安全，增加維修費用。

針對CA砂漿材料在鐵路運營中出現的疲勞傷損等問題，國內外學者試圖通過研發改性CA砂漿提高其材料的力學性能，從而延長疲勞壽命[4-6]。課題組通過長期從事水泥乳化瀝青路用性能分析與研究、橡膠粉改性CA砂漿研究、綠色CA砂漿經濟分析研究，積累了大量改性CA砂漿分析經驗，在實驗室已經得到適用于高溫多雨地區錳渣礦粉改性CA砂漿的力學性能與變化趨勢，其改性效果良好，尤其在流動度、擴展度、抗壓性能、抗折性能等評價CA砂漿基本性能指標上改善效果明顯。本文為了改善目前板式無砟軌道運營中出現的CA砂漿材料疲勞傷損問題，在已有的試驗數據基礎上，通過建立有限元模型，將錳渣礦粉改性CA砂漿應用于板式無砟軌道中，得到板式無砟軌道CA砂漿層在溫度荷載作用下的受力情況，試圖分析錳渣礦粉改性CA砂漿層應力分布與薄弱環節位置，為今后改性砂漿的現場應用提供理論基礎。

1 板式無砟軌道有限元模型

我國板式無砟軌道結構形式主要有CRTSⅠ、CRTSⅡ兩種形式，其中CRTS Ⅱ型板式無砟軌道是我國高速鐵路的主要軌道結構形式之一，主要由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿、底座板(橋梁)/支承層(路基)等組成[7]，其主要結構如圖1所示。

圖1 CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構圖(單位：mm)

1.1 模型的建立

在建立有限元模型時，主要應用實體單元建立軌道板、CA砂漿層、底座板、支承層，應用beam單元模擬鋼軌以及扣件，以一個單元板范圍為研究對象，軌道各項參數與錳渣礦粉改性CA砂漿力學參數如表1～2所示，其中錳渣礦粉改性CA砂漿各項物理性能、工作性能、力學性能均為錳渣摻入量為20%時進行測試，測試結果符合《客運專線鐵路CRTS Ⅱ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》，扣件間距為650 mm，有限元模型如圖2所示。

圖2 CRTS Ⅱ型板式無砟軌道ANSYS有限元模型圖

主要部件規格彈性模量(MPa)泊松比鋼軌CHN602.11e50.3扣件系統WJ-7--軌道板4 950×2 400×200(mm3)3.65e40.2CA砂漿4 950×2 400×50(mm3)8.0e30.15底座板4 950×3 000×300(mm3)2.8e40.2

表2 錳渣礦粉改性CA砂漿主要性能參數表

1.2 荷載形式

實際運營中，無砟軌道結構直接暴露在外部環境中，其內部溫度特別是軌道板溫度場受外部環境溫度、日照條件的影響較大[8]。由于CRTS Ⅱ型板式無砟軌道中，預制軌道板通過縱連鋼筋進行連接，這使得其在溫度引力作用下產生較大的溫度應力，導致CA砂漿層產生離縫、傷損、剝落等病害，影響CA砂漿層的結構功用。為了研究CA砂漿層在極端溫度條件下應力分布情況，文章結合了前人研究數據[9-10]和高溫多雨地區情況并參照《高速鐵路設計規范(TB10621-2014)》，取溫度梯度荷載為90 ℃/m和-45 ℃/m。

2 溫度荷載下CA砂漿層力學響應與分析

通過有限元軟件ANSYS建立CRTS Ⅱ型板式無砟軌道有限元模型，分別應用熱力學分析模塊施加溫度荷載90 ℃/m和-45 ℃/m，如圖3～4所示。此時，CA砂漿層均呈現沿厚度方向的溫度線性變化。當溫度梯度為90 ℃/m時，CA砂漿層頂面處由于與軌道板接觸傳熱和白天日照等作用，溫度比底層CA砂漿高7.35 ℃；當溫度梯度為-45 ℃/m時，CA砂漿層夜晚頂面散熱，底面有部分白天儲存的熱量未及時放散，頂面溫度比底面溫度低4.1 ℃。

圖3 90 ℃/m下錳渣礦粉改性CA砂漿層溫度梯度分布云圖

圖4 -45 ℃/m下錳渣礦粉改性CA砂漿層溫度梯度分布云圖

根據這兩種溫度梯度作用結果，分別將熱力學分析施加于結構模型中，進行結構分析，得到90 ℃/m和-45 ℃/m溫度梯度作用下CA砂漿層最大應力值如表3所示，CA砂漿層位移與應力云圖分布如圖5～8所示。

表3 溫度梯度作用下CA砂漿層最大應力表

圖5 90 ℃/m下錳渣礦粉改性CA砂漿層位移情況云圖

圖6 90 ℃/m下錳渣礦粉改性CA砂漿層應力云圖

圖7 -45 ℃/m下錳渣礦粉改性CA砂漿層位移情況云圖

圖8 -45 ℃/m下錳渣礦粉改性CA砂漿層應力云圖

由表3和圖5～8可知：(1)錳渣礦粉改性CA砂漿在溫度梯度荷載作用下最大應力均符合按照《客運專線鐵路CRTS Ⅱ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》測得的改性CA砂漿標準，理論上不會出現傷損問題。(2)在90 ℃/m梯度荷載作用下，CA砂漿層呈現“上凸”形狀，最大位移出現在板中上表面；而在-45 ℃/m梯度荷載作用下則呈現“下凹”，最大位移出現在板角處。這是由于正溫度梯度使得CA砂漿層上表面溫度大于下表面溫度，上部CA砂漿層受拉而下部CA砂漿層受壓；而負溫度梯度時則相反。(3)應力云圖中，兩種溫度梯度作用下CA砂漿層最不利應力狀態出現在板中與半角位置，尤其是當負溫度梯度作用時板底邊角處應力最為明顯，與現場CA砂漿應用過程中砂漿層下底面邊角出現掉塊等損傷吻合。(4)由于砂漿層橫向與縱向尺寸不同，縱向應力普遍大于橫向應力，這也是CRTS Ⅱ型板式無砟軌道需通過縱連鋼筋連接軌道板的意義所在。與此同時雖然溫度梯度的絕對值-45 ℃/m相對于90 ℃/m小，但是應力的最大值卻比-45 ℃/m大，這說明負溫度梯度較正溫度梯度更容易使CA砂漿產生傷損，應在今后的運營中加強對負溫度梯度的控制。

3 結語

通過有限元軟件建立CRTS Ⅱ型板式無砟軌道模型，結合前人研究與高溫多雨地區實際情況，分別取正溫度梯度90 ℃/m、負溫度梯度-45 ℃/m，利用錳渣礦粉改性CA砂漿試驗性能數據，針對錳渣礦粉改性CA砂漿層進行溫度梯度荷載下力學分布的研究，得到以下結論：

(1)通過ANSYS軟件模擬現場情況，當只考慮溫度荷載作用時，應用錳渣礦粉改性CA砂漿材料作為調整層，其力學分布情況滿足規范要求，為今后改性CA砂漿現場應用打下理論基礎。

(2)通過應力計算結果與分析可知，錳渣礦粉改性CA砂漿層縱向應力大于橫向應力，需通過設置軌道板縱向鋼筋等方法加強對縱向應力的控制，以便減少實際運營中CA砂漿層的傷損。

(3)通過對正、負溫度梯度下錳渣礦粉改性CA砂漿層應力對比與分析，正溫度梯度下CA砂漿層呈現“上凸”形狀，負溫度梯度下呈現“下凹”形狀，應力最大位置分別出現于板中及板邊角處，且負溫度梯度對CA砂漿層的影響大于正溫度梯度的影響，與現場CA砂漿傷損情況相符。

(4)通過考慮現場情況與前人研究數據，僅以溫度梯度作為單一荷載進行研究，雖然各項指標符合《高速鐵路設計規范》(TB10621-2014)，但由于現場情況較為復雜，在今后的研究中應當充分考慮溫度荷載、列車荷載、環境條件等因素。研究考慮單一荷載尤其是溫度梯度荷載作用下錳渣礦粉改性CA砂漿層應力分布情況，為今后的全面分析與現場應用提供理論基礎。