反射隔熱涂料對CRTSⅠ型板式無砟軌道應力應變狀態的影響

常逢文 張光明 魏春城 康維新 劉浩 楊榮山

（1.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；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

無砟軌道作為中國高速鐵路的主要軌道結構類型，近年來得到了快速發展與廣泛應用［1］。CRTSⅠ型板式無砟軌道為單元板式無砟軌道，其結構簡單，施工方便，目前已經在哈大客運專線、滬寧城際鐵路、海南東環線、哈齊客運專線、廣珠城際鐵路、廣深港客運專線、成綿樂客運專線等多條線上得到了廣泛應用。但在實際運營中出現了軌道板翹曲、板角CA 砂漿缺損掉塊、結構離縫、樹脂填充層損傷等一系列病害，大大增加了養護維修工作量。引起這些病害的主要原因之一是溫度荷載。溫度荷載可分為整體溫度荷載和溫度梯度荷載［2］。整體溫度荷載會使無砟軌道結構內部產生混凝土收縮；溫度梯度荷載會導致無砟軌道結構內部溫度不均［3］。目前維修部門針對溫度荷載導致的軌道結構病害尚無有效的整治方法。

反射隔熱涂料作為一種新型復合材料，通過反射太陽光的形式達到隔熱降溫作用，目前廣泛應用于房建、化工等領域［4-6］。文獻［7-9］進一步將反射隔熱涂料應用于瀝青路面，驗證了其對路面具有一定的降溫效果。文獻［10］通過室內及運營線上試驗，研究了不同處理方式下水性反射隔熱涂料與軌道板表面的黏結性能。文獻［11-12］通過現場試驗及理論計算，研究了反射隔熱涂料對無砟軌道溫度及溫度應力的降低效果及其適用性。在溫度荷載作用下CRTSⅠ型軌道板會周期性出現“上下反復翹曲”的現象，長期如此有可能導致軌道板與砂漿層脫空，甚至危及行車安全。本文基于上海無砟軌道試驗段的溫度數據，采用有限元法研究反射隔熱涂料對CRTSⅠ型板式無砟軌道受力的影響。

1 現場監測及溫度荷載取值

1.1 現場監測

上海地區處于亞熱帶季風區，陽光充足，雨量充沛，屬于典型的夏季炎熱地區。為了深入研究反射隔熱涂料對無砟軌道的影響，西南交通大學2017年7—8月初在上海的無砟軌道試驗段，對表面涂刷氟硅反射隔熱涂料的CRTSⅡ型板式無砟軌道板溫度和現場氣象條件進行監測。監測現場如圖1所示。

本次現場監測設置涂刷板和未涂刷涂料的試驗對照板，在軌道板上表面、中部、軌道板下表面（CA 砂漿層上表面），支承層中部、支承層下表面（級配碎石層上表面）和級配碎石層（距底座板下表面150 mm處）的中心鉆孔布置6 個溫度傳感器（量程-20～80 ℃），如圖2所示。

圖1 監測現場

圖2 溫度測點布置（單位：mm）

1.2 溫度荷載取值

混凝土結構最大溫度梯度與混凝土結構的厚度有關［1］。現場試驗采用的CRTSⅡ型軌道板厚度為200 mm。對于厚度不是200 mm 的軌道板，可根據熱傳導解析式推導出溫度梯度修正系數。CRTSⅠ型軌道板厚度為190 mm，利用熱傳導解析式［13］計算得到CRTSⅠ型軌道板的最大溫度梯度修正系數為1.05。

溫度應力分析時考慮最大值。僅考慮日溫度變化與考慮年溫度變化和徐變溫度應力的計算結果基本一致［1］，故本文溫度荷載取日溫度荷載。日溫度變化近似按軌道板中部的溫度變化進行取值。選取太陽輻射較強的2017 年7 月18 日至21 日的試驗數據進行分析，結果見圖3。

圖3 CRTSⅡ型軌道板中部溫度梯度和表面溫度時程曲線

由圖3 可以看出，在軌道板上涂刷涂料可有效抑制軌道板最大正溫度梯度和軌道板表面最高溫度。未涂刷涂料和涂刷涂料時CRTSⅡ型軌道板最大正溫度梯度分別為96，64 ℃∕m，中部表面日溫度變化最大值分別為12，8 ℃，兩者均降低33%。經修正（最大溫度梯度修正系數1.05），CRTSⅠ型軌道板對應的最大正溫度梯度分別為100.8，67.2 ℃∕m，其表面溫度可取CRTSⅡ型板式無砟軌道表面溫度實測值。

2 有限元分析

2.1 計算模型的建立與參數的選取

CRTSⅠ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿調整層、混凝土底座板、凸型擋臺、樹脂填充層等組成。本文基于CRTSⅠ型板式無砟軌道的結構特點，依據彈性地基梁體理論，采用有限元法，建立路基上CRTSⅠ型板式無砟軌道計算模型，見圖4。鋼軌視為等截面的無限長梁，采用梁單元進行模擬。扣件采用彈簧單元模擬，軌道板、砂漿調整層、底座板、凸型擋臺、樹脂填充層采用8 節點的三維實體單元模擬。軌道板與砂漿層間采用標準接觸。

圖4 CRTSⅠ型板式無砟軌道計算模型

鋼軌采用CHN60 型鋼軌。WJ?7 型扣件動剛度取50 kN∕mm。軌道板尺寸為4 950 mm（x軸）×2 400 mm（y軸）×190 mm（z軸），彈性模量取36 GPa。砂漿層厚50 mm，彈性模量取300 MPa。混凝土底座板尺寸為3 200 mm × 300 mm，彈性模量取32.5 GPa。樹脂填充層具有高彈性，彈性模量為25 MPa。路基段地基系數為76 MPa∕m，軌道板與CA 砂漿層間摩擦因數為0.55［14］。基床底部和鋼軌兩端均為全約束。

將涂刷涂料前后對應的軌道板溫度作為輸入荷載，分析涂料對軌道結構受力和變形的影響。

2.2 結果與分析

2.2.1 反射隔熱涂料對軌道板翹曲的影響

在溫度梯度作用下軌道板發生翹曲變形，可能導致軌道板與砂漿層間出現脫空現象，同時在軌道板翹曲變形和列車荷載的共同作用下會加劇板下彈性墊層的磨損，影響軌道結構正常服役。因此需重點研究溫度梯度作用下涂刷與未涂刷反射隔熱涂料時軌道板的受力特性。

軌道板上表面翹曲變形云圖見圖5。可以看出，在正溫度梯度作用下，軌道板出現板中上拱和板角下沉現象，且涂刷反射隔熱涂料對板中上拱的抑制效果優于板角下沉。使用反射隔熱涂料后板中上拱量由0.654 mm 降至0.287 mm，減少了56%，板角下沉量由0.895 mm降低為0.668 mm，減少了25%。

圖5 軌道板上表面翹曲變形云圖

在正溫度梯度作用下，由于受到鋼軌和扣件的約束及軌道板的自重作用，軌道板內部產生翹曲應力，致使板頂受壓，板底受拉。因此CRTSⅠ型軌道板設計時，將軌道板翹曲應力作為重要控制指標。未涂刷與涂刷反射隔熱涂料時，CRTSⅠ型軌道板最大翹曲應力見表1。

表1 反射隔熱涂料對CRTSⅠ型軌道板翹曲應力的影響

由表1 可知：①在軌道板上涂刷反射隔熱涂料能有效控制軌道板的翹曲應力。涂刷反射隔熱涂料后，軌道板縱橫向最大拉應力分別降低24.7%和38.8%，縱橫向壓應力分別降低25.0%和35.2%。②未涂刷和涂刷反射隔熱涂料軌道板縱向拉應力均小于混凝土極限抗拉強度（2.74 MPa）。

2.2.2 反射隔熱涂料對樹脂填充層的影響

凸型擋臺是CRTSⅠ型板式無砟軌道的重要傳力部件，為減緩沖擊，在凸型擋臺周圍充填了柔性樹脂材料，整體溫升時軌道板膨脹延伸，導致凸型擋臺樹脂填充層被壓縮。隨著溫度的降低，軌道板降溫回縮，樹脂填充層壓力得到釋放。當樹脂填充層的變形超出了其彈性范圍，則會導致樹脂填充層與軌道板之間產生離縫；同時在溫度荷載作用下樹脂填充層受到擠壓易產生較大壓應力，極易產生傷損［15-16］。因此，需要對樹脂填充層沿線路縱向的最大壓縮變形和3塊單元板接縫處樹脂填充層的最大壓應力進行分析。分析結果見表2。

表2 反射隔熱涂料對樹脂填充層的影響

由表2可知：與未涂刷涂料相比，涂刷反射隔熱涂料后樹脂填充層沿線路縱向的最大壓縮變形減小33.3%，最大壓應力減小33.6%。

3 結論

本文對涂刷反射隔熱涂料后，CRTSⅠ型軌道板翹曲和凸形擋臺樹脂填充層受力進行了分析，得出以下結論：

1）涂刷反射隔熱涂層對軌道板的降溫效果十分明顯，最大正溫度梯度和日溫度變化最大值均降低33%。

2）涂刷反射隔熱涂料能夠有效降低CRTSⅠ型軌道板的翹曲變形。在正溫度梯度作用下板中最大上拱量減少56%，板角最大下沉量降低25%。

3）涂刷反射隔熱涂料能有效控制CRTSⅠ型軌道板的翹曲應力。涂刷反射隔熱涂料后，軌道板縱橫向拉應力分別降低24.7%和38.8%，縱橫向壓應力分別降低25%和35.2%。

4）涂刷反射隔熱涂料后凸型擋臺樹脂填充層沿線路縱向的最大壓縮變形減小33.3%，軌道板接縫處樹脂填充層的最大壓應力減小33.6%。