CA 砂漿層掉塊對無砟軌道變形影響分析

孟慶武

(遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000)

水泥乳化瀝青砂漿(CA 砂漿) 對于減緩CRTSⅠ型軌道振動具有關(guān)鍵作用，是軌道不可缺少的組成部分。CA 砂漿本身強度較低，外加雨水及列車荷載的長期作用，使軌道經(jīng)常發(fā)生不同形式的病害，其中砂漿層的掉塊會造成軌道振動加劇，破壞速度加快，列車運行的安全性受到影響。

CA 砂漿層對軌道結(jié)構(gòu)的影響研究已開展大量工作，張鵬飛等[1]構(gòu)建了無縫線路軌道模型，將CA 砂漿用實體單元來模擬，得到橋梁上板式軌道位移和撓曲力的結(jié)果，探究了橋梁跨數(shù)及固定支座剛度對計算結(jié)果的影響。楊俊斌、趙坪銳等[2]建立了CRTS Ⅰ型軌道數(shù)值計算模型，CA 砂漿采取了線性彈簧的形式進行模擬。研究發(fā)現(xiàn)，在疲勞荷載作用下，CA 砂漿在規(guī)定服役期內(nèi)不會損壞，且不同疲勞荷載譜對整個結(jié)構(gòu)基本不會產(chǎn)生影響; 楊靜靜、高芒芒等[3]構(gòu)建的軌道各結(jié)構(gòu)均是實體單元，結(jié)果表明，軌道板上拱的主要形成是因為水平約束剛度不均，其變形隨離縫擴展趨于平穩(wěn)。謝露等[4]用線性彈簧模擬CA 砂漿，研究其與軌道板間產(chǎn)生的離縫破壞，研究發(fā)現(xiàn)，軸重的增加導(dǎo)致拍打速度和接觸應(yīng)力線性提高，建議以彈性模量較低的材料修復(fù)離縫破壞。

綜上所述，大多數(shù)現(xiàn)有軌道仿真計算中，CA 砂漿都視為線彈性體，忽視了其粘彈性，這與軌道實際情況不符。前期研究表明[5]，砂漿本構(gòu)關(guān)系不同時，其動力響應(yīng)結(jié)果有較大差異，考慮其粘彈性是必要的。本文基于CA 砂漿材料的粘彈性，建立CRTS Ⅰ型板式無砟軌道模型，探究在不同溫度CA 砂漿發(fā)生不同長度掉塊時，列車動載作用下軌道板和底座板的位移變化規(guī)律。

1 板式軌道模型建立

1．1 軌道模型

通過ABAQUS 軟件建立軌道模型。扣件采用線彈性元件模擬，即Cartesian 連接單元[6]。CA 砂漿考慮其粘彈性，用剪切松弛模量的Prony 級數(shù)表示[7]，依據(jù)現(xiàn)有計算方法[8]，擬合砂漿試件在三個溫度下的壓縮蠕變試驗結(jié)果，并獲得了修正的Burgers 模型參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為Prony級數(shù)，如表1 所示。路基為彈性地基，軌道結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

表1 Prony 級數(shù)參數(shù)(剪切模量)

圖1 CRTS Ⅰ型軌道結(jié)構(gòu)模型

1．2 列車動載

列車動載可用類似激振荷載形式的力來模擬[9]，即通過設(shè)置與三個頻率范圍相應(yīng)的激振力疊加列車靜載軸重，即可模擬列車動載，表達式如下:

F(t) =P0+P1sin(ω1t) +P2sin(ω2t) +P3sin(ω3t) 。

依據(jù)我國高鐵標準，取P0=150 kN，M0=750 kg，獲得設(shè)計速度350 km/h 時激振力結(jié)果如圖2 所示。列車動載施加在中間軌道板上的鋼軌中間位置，加載時長取2 個周期。

圖2 激振力時程曲線

1．3 CA 砂漿層掉塊

軌道的離縫病害如果治理不及時，列車經(jīng)過會使軌道結(jié)構(gòu)間形成拍打，一定程度下CA 砂漿塊會被帶離軌道，形成掉塊。模型中預(yù)先設(shè)定掉塊的位置和長度，在需要時對其激活。

設(shè)置固定的掉塊高度5 mm，掉塊位置在中間軌道板之下的CA 砂漿層。調(diào)用10 ℃，20 ℃，30 ℃不同的CA砂漿粘彈性參數(shù)時，掉塊長度取0． 625 m，1． 25 m，1．875 m，2．5 m 和3．125 m 五種工況。

2 軌道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果分析

對模型進行運算，分別得到不同溫度下CA 砂漿層出現(xiàn)不同長度掉塊時軌道結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果。圖3 為30 ℃條件下CA 砂漿層未掉塊時的軌道位移云圖，在圖3 中可發(fā)現(xiàn)，垂向位移在軌道模型中間位置達到最大，因此各結(jié)構(gòu)垂向位移取模型中點處進行分析。圖4 中提供了在30 ℃條件下CA 砂漿層板中掉塊0．625 m 時軌道板垂向位移結(jié)果，而底座板垂向位移結(jié)果則如圖5 所示。

圖3 軌道位移云圖

圖4 軌道板垂向位移時程曲線

圖5 底座板垂向位移時程曲線

忽略列車荷載的初期施加和后期撤去階段，取各結(jié)構(gòu)垂向位移的峰值進行分析，對比結(jié)果如表2 所示。

表2 垂向位移峰值

從表2 數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，隨著溫度升高CA 砂漿的粘彈性參數(shù)變化，當(dāng)CA 砂漿層發(fā)生相同程度掉塊時，軌道板位移增大，而底座板位移則減小。

2．1 掉塊對軌道板位移的影響

不同長度的CA 砂漿掉塊及不同溫度的粘彈性參數(shù)對軌道板垂向位移峰值的影響規(guī)律如圖6 所示。

圖6 掉塊長度對軌道板垂向位移峰值的影響

從圖6 可以看出:

1) 在相同溫度條件下，掉塊長度擴展造成軌道板垂向位移峰值不斷增大，這是由于掉塊位置上部的軌道板缺少了CA 砂漿層的支承; 掉塊長度擴展相同幅度時，位移的增幅逐漸增大。

2) 板中掉塊擴展至3．125 m，與未出現(xiàn)掉塊時比較，CA 砂漿采用10 ℃，20 ℃，30 ℃的粘彈性參數(shù)時，軌道板垂向位移峰值分別增大至0． 582 6 mm，0． 584 7 mm，0．588 1 mm，增幅分別為28．581%，28．789%，29．139%。隨著溫度升高，其垂向位移峰值增幅略有上升。

3) 溫度在10 ℃～30 ℃范圍變化導(dǎo)致的砂漿粘彈性改變，相對于掉塊破壞(0 m 擴展至3．125 m) 對軌道板垂向位移峰值的影響并不顯著。

2．2 掉塊對底座板位移的影響

不同長度的CA 砂漿掉塊及不同溫度的粘彈性參數(shù)對底座板垂向位移峰值的影響規(guī)律如圖7 所示。

圖7 掉塊長度對底座板垂向位移峰值的影響

從圖7 可以看出:

1) 在相同溫度條件下，掉塊長度的擴展導(dǎo)致了底座板垂向位移峰值不斷降低，這是因為荷載向軌道結(jié)構(gòu)底部的傳遞隨著掉塊長度擴展而逐步降低; 掉塊長度擴展相同幅度時，位移峰值的減小幅度逐漸增大。

2) 板中掉塊擴展至3．125 m，與未出現(xiàn)掉塊時比較，CA 砂漿采用10 ℃，20 ℃，30 ℃的粘彈性參數(shù)時，底座板垂向位移峰值分別減小至0． 363 8 mm，0． 363 1 mm，0．361 8 mm，減 小 幅 度 分 別 為16． 997%，17． 138%，17．397%。隨著溫度升高，其垂向位移峰值減小幅度越大。

3) 溫度在10 ℃～30 ℃范圍變化導(dǎo)致的砂漿粘彈性改變，相對于掉塊破壞(0 m 擴展至3．125 m) 對底座板垂向位移峰值的影響并不顯著。

2．3 掉塊對相對位移的影響

采用不同溫度CA 砂漿粘彈性參數(shù)及不同掉塊長度，分析軌道板與底座板之間垂向相對位移的影響規(guī)律如圖8 所示。

圖8 溫度及掉塊長度對軌道板與底座板相對位移的影響

從圖8 可以看出:

1) 在相同溫度條件下，掉塊長度擴展導(dǎo)致軌道板與底座板相對位移不斷增大，這是由于掉塊現(xiàn)象對列車荷載的向下傳遞產(chǎn)生了削弱的作用。

2) CA 砂漿板中掉塊從0 m 擴展至3．125 m，采用10 ℃粘彈性參數(shù)時，軌道板與底座板相對位移從0．014 8 mm 增大至0．218 8 mm，增大14． 784 倍; 20 ℃時，相對位移從0．015 8 mm 增大至0．221 6 mm，增大14．025 倍;30 ℃時，相對位移從0． 017 5 mm 增 大 至0．226 2 mm，增大12． 926 倍。溫度越高，軌道板與底座板的相對位移增幅越小。

2．4 掉塊的預(yù)防與修復(fù)

CA 砂漿掉塊對無砟軌道造成了明顯的不利影響，掉塊發(fā)生在軌道板中間位置時，此處軌道板處于懸空狀態(tài)，與CA 砂漿之間的拍打作用加劇，結(jié)構(gòu)間應(yīng)力增大，造成CA 砂漿的掉塊范圍繼續(xù)擴展，損傷速度加快，形成惡性循環(huán)，軌道整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響服役壽命，同時軌道變形及結(jié)構(gòu)振動的加劇使得線路不平順，危害列車運行的安全性。

綜合以上分析，應(yīng)采取必要措施避免CA 砂漿掉塊帶來的嚴重后果。在CA 砂漿制備時，應(yīng)從原材料、制備工藝及檢驗方法等方面創(chuàng)新，全面提高CA 砂漿質(zhì)量，將耐久性較好的CA 砂漿用于軌道結(jié)構(gòu); 在軌道施工時，各步驟中的微小差錯都可能降低砂漿質(zhì)量，應(yīng)重視提高施工工藝，尤其應(yīng)注意CA 砂漿層與軌道板的貼合，防止軌道服役過程中雨水、冰凍等滲入造成材料劣化;在軌道運營時，應(yīng)定期觀測與檢查軌道結(jié)構(gòu)，做好養(yǎng)護工作，一旦發(fā)現(xiàn)CA 砂漿出現(xiàn)掉塊病害應(yīng)及時控制并根據(jù)實際情況進行修復(fù)，避免軌道整體破壞。

3 結(jié)論

本文基于CA 砂漿的粘彈特征，建立了CRTS Ⅰ型軌道模型，通過調(diào)用10 ℃，20 ℃，30 ℃時CA 砂漿的粘彈性參數(shù)，研究在動荷載作用下，CA 砂漿層不同程度掉塊對軌道結(jié)構(gòu)變形的影響，得到結(jié)論如下:

1) 在相同溫度條件下，隨著CA 砂漿層板中位置掉塊長度擴展，軌道板垂向位移峰值增大，底座板垂向位移峰值減小，軌道板與底座板的相對位移增大。

2) 在CA 砂漿層掉塊相同時，隨著溫度升高，軌道板垂向位移峰值增大，底座板垂向位移峰值減小，軌道板與底座板的相對位移增大。

3) CA 砂漿層掉塊長度從0 m 擴展至3．125 m，對軌道變形影響較大;溫度在10 ℃～30 ℃范圍變化時，軌道結(jié)構(gòu)在短期動荷載作用下，CA 砂漿的粘彈性變化對軌道變形影響并不顯著。

4) 考慮CA 砂漿層掉塊對軌道明顯不利，建議在分析掉塊原因及變形幅度的基礎(chǔ)上，深入研究掉塊擴展過程以預(yù)防其破壞，并研發(fā)新的砂漿材料;應(yīng)加強對無砟軌道的觀測與養(yǎng)護，及時對發(fā)生的掉塊破壞進行修復(fù)。