CA砂漿層破壞對無砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響

趙麗華，胡安澤，孟慶武，張吉松

(1.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院,大連 116028; 2.遼寧建筑職業(yè)學(xué)院,遼寧遼陽 111000)

引言

21世紀(jì)以來,中國軌道交通建設(shè)取得了舉世矚目的成就,為國民經(jīng)濟快速提升做出了卓越貢獻(xiàn)。尤其高速鐵路建設(shè)經(jīng)歷了一次跨越式的發(fā)展,在世界范圍內(nèi)的認(rèn)知度逐步提升。然而,隨著運營時間的不斷積累,作為鐵路車輛最主要和直接的承力結(jié)構(gòu),無砟軌道結(jié)構(gòu)在服役過程中出現(xiàn)了突發(fā)性、群發(fā)性的病害[1]。據(jù)調(diào)查,運營10年的哈大高速鐵路CRTSⅠ型軌道結(jié)構(gòu)的CA砂漿層出現(xiàn)了離縫、掉塊、水損害等病害[2]。CA砂漿的破損導(dǎo)致軌道板出現(xiàn)懸空現(xiàn)象,對軌道結(jié)構(gòu)受力、變形產(chǎn)生不利影響,嚴(yán)重時會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞,危及行車安全。因此,研究CA砂漿層破損程度對軌道結(jié)構(gòu)的影響,對于分析軌道結(jié)構(gòu)的服役壽命、確定大修周期,確保列車的運行安全具有重要意義。

關(guān)于CA砂漿層破壞現(xiàn)象、破壞機理、檢測技術(shù)及對軌道結(jié)構(gòu)影響等方面,國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究工作。ROSE等[3]討論了CA砂漿在無砟軌道上的應(yīng)用情況,以及應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的開裂、離縫等病害。RUTHEFORD等[4]對CA砂漿與混凝土間的黏結(jié)強度進(jìn)行了試件試驗,分析了層間剪切破壞問題。TANAKA等[5]應(yīng)用紅外檢測技術(shù)對橋上無砟軌道的掉塊、開裂等破壞進(jìn)行了測試,驗證了無損檢測方法的可行性。王森榮、劉鈺等[6-7]對既有線路無砟軌道的裂紋情況進(jìn)行了調(diào)研和匯總,指出溫度和混凝土收縮是層間開裂的主要原因。朱勝陽[8]建立了砂漿層的統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型,探究了含裂縫情況下砂漿層的動態(tài)性能變化及損傷發(fā)展。孫魁[9]建立了車輛-軌道耦合動力學(xué)模型,模型中考慮了CA砂漿的離縫,通過正交試驗分析了離縫長度、寬度及高度對輪軌系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響。劉克旭[10]分別使用ANSYS及ABAQUS軟件建立了橋上CRTS I型板式軌道模型,探究橋上CRTS I型板式軌道結(jié)構(gòu)存在離縫病害時的受力以及變形規(guī)律。張振[11]建立了列車-CRTS Ⅱ型板式軌道-路基耦合動力分析模型,考慮支撐層板端脫空和板中脫空兩種病害對軌道結(jié)構(gòu)的影響。楊榮山等[12]建立了CRTS Ⅱ型板式軌道靜力計算模型,將模型整體視為等效縱向連續(xù)的彈性體,研究底座板后澆帶脫空長度對軌道結(jié)構(gòu)的位移和受力影響。

綜上所述,現(xiàn)有板式軌道服役性能研究中,CA砂漿層掉塊對CRTS I型板式軌道動力性能影響研究還較少,且大多數(shù)軌道結(jié)構(gòu)數(shù)值計算模型中,將CA砂漿層視為線彈性體進(jìn)行定義,忽略CA砂漿自身的黏彈性,造成仿真計算與材料實際性能不一致。筆者前期研究表明[13-14],在CRTS I型板式軌道動力響應(yīng)分析中,將CA砂漿層定義為黏彈性材料或彈性材料兩種屬性,當(dāng)考慮5 s的激振力荷載作用時,軌道板和底座板力學(xué)響應(yīng)的差異不可忽略,尤其CA砂漿層的應(yīng)力幅值變化較大。當(dāng)采用車輪移動荷載作用時,材料的本構(gòu)關(guān)系不同對軌道板和底座板垂向位移的結(jié)果均有一定影響,因此在軌道結(jié)構(gòu)動力分析中考慮CA砂漿層的黏彈性是必要的。張艷榮等[15]采用有限元軟件基于時間硬化模型,建立了考慮CA砂漿黏彈性的有限元模型,研究軌道板與CA砂漿層之間的脫粘問題,及其對軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。研究表明,黏彈性參數(shù)的加入有效提高了有限元分析的性能,可以更好地預(yù)測層間脫粘的發(fā)生和軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。徐浩[16]基于Burgers模型轉(zhuǎn)換的Prony級數(shù)表征CA砂漿的黏彈性,并在此基礎(chǔ)上分析了其損傷對軌道力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),CA砂漿層脫空對軌道的受力有不利影響。基于問題的復(fù)雜性,繼續(xù)開展CA砂漿層破損程度對軌道結(jié)構(gòu)性能影響研究,具有重要的理論價值及工程指導(dǎo)意義。

基于修正Burgers模型轉(zhuǎn)換的Prony級數(shù)表征CA砂漿的黏彈性屬性,建立CRTS I型板式無砟軌道模型,研究車輪荷載作用下,CA砂漿層板端、板中不同區(qū)域出現(xiàn)不同程度的掉塊破壞時,軌道結(jié)構(gòu)各部件的動力響應(yīng),為進(jìn)一步確定無砟軌道結(jié)構(gòu)的維修時機提供理論指導(dǎo)。

1 板式無砟軌道3D數(shù)值模型

1.1 模型參數(shù)

CRTSⅠ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、擋臺、擋臺樹脂、混凝土底座板及基礎(chǔ)組成。采用ABAQUS有限元軟件,首先建立無砟軌道各部件模型,賦予材料屬性,再由接觸關(guān)系、連接器等將各部件組合,形成了CRTSⅠ型板式無砟軌道三維數(shù)值模型。為提高計算精度,本研究建立了3塊軌道板長度的軌道模型,如圖1所示,模型各結(jié)構(gòu)層主要參數(shù)如表1所示。

表1 軌道結(jié)構(gòu)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of track structure

圖1 軌道及車輪荷載模型Fig.1 Track and wheel load model

CA砂漿在材料屬性中考慮其黏彈性,在ABAQUS有限元軟件中,可以通過材料剪切松弛模量的Prony級數(shù)式(1)來實現(xiàn)材料的黏彈特征[17]。課題組前期開展了30 ℃條件下CA砂漿試件的室內(nèi)壓縮蠕變試驗[18],獲得了應(yīng)變-時間曲線,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了多個黏彈性蠕變方程的參數(shù)擬合,通過對比分析,確定修正Burgers模型(式2)能更好地表征CA砂漿的蠕變特征[19]。擬合試驗數(shù)據(jù)獲得的修正Burgers模型參數(shù)結(jié)果如表2所示。

(1)

(2)

參照現(xiàn)有研究成果,計算修正Burgers模型的Prony級數(shù)表達(dá)式[20]。G1為初始剪切模量;ti為松弛時間;ai為相對剪切模量;CA砂漿剪切模量G0=0。通過對表2數(shù)據(jù)的參數(shù)轉(zhuǎn)換,獲得CA砂漿材料的Prony級數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

表3 CA砂漿的Prony級數(shù)Table 3 Prony series of CA mortar

1.2 列車荷載

當(dāng)列車在軌道行駛時,其計算荷載取最大值,CRH2型動車組定員100人時質(zhì)量為56 t,此時平均軸重Pv=56.0×1 000×9.8/8=68 600 N,則最大計算載荷為

Pmax=Pv(1+kvd)

(3)

式中,Pmax為最大垂向載荷,N;Pv為平均軸重,N;kvd為彈簧撓度裕量系數(shù),動車組客車轉(zhuǎn)向架中有油壓減振器,取kvd=0.5。在忽略輪對質(zhì)量的條件下,每個車輪與鋼軌之間的平均最大壓力P=Pmax/2=51 450 N。模型中使用一個轉(zhuǎn)向架上的兩組輪對對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,建立軌道及列車移動荷載模型(圖1),輪對速度取哈大高速鐵路夏季運行速度300 km/h。

2 CA砂漿層掉塊簡化

CRTS I型板式無砟軌道是由多層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成,受環(huán)境以及列車荷載等因素的影響,CA砂漿層出現(xiàn)了多種病害。當(dāng)軌道板與CA砂漿層間存在離縫破壞后,列車經(jīng)過會使軌道結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生拍打作用,造成CA砂漿層頂?shù)魤K破壞并逐漸擴展。本研究中僅考慮CA砂漿掉塊發(fā)生在層頂位置,固定掉塊高度5 mm(層高的1/10),并沿橫向貫通,探究在板端位置及板中位置發(fā)生不同長度掉塊時,軌道結(jié)構(gòu)整體變形及受力的變化規(guī)律。

對于板端掉塊,其掉塊方向由一側(cè)板端開始向板中擴展,首次掉塊長度到達(dá)第一個扣件位置,距離板端0.287 5 m,此后以相鄰扣件間距的一半為單位進(jìn)行擴展。對于板中掉塊,掉塊方向由板中開始向兩側(cè)板端擴展,首次掉塊為板中兩個扣件之間的長度,此后以相鄰扣件間距為單位均勻向兩側(cè)擴展。計算工況如下。

工況一:CA砂漿層板端掉塊長度L1分別為0,0.287 5,0.6,0.912 5,1.225,1.537 5,1.85,2.162 5,2.475 m;掉塊高度5 mm,發(fā)生在CA砂漿層頂位置。板端首次掉塊時(即L1=0.287 5 m)如圖2(a)所示。

圖2 CA砂漿層掉塊示意Fig.2 Schematic diagram of CA mortar layer falling blocks

工況二:CA砂漿層板中掉塊長度L2分別為0,0.625,1.25,1.875,2.5,3.125 m;掉塊高度5 mm,發(fā)生在CA砂漿層頂位置。板中首次掉塊時(即L2=0.625 m)如圖2(b)所示。

在ABAQUS中可以使用Model-change功能模擬部件掉塊,預(yù)先在模型中設(shè)定CA砂漿層掉塊的位置和長度,并在需要的分析中激活。

3 結(jié)果分析

3.1 CA砂漿無破壞時軌道結(jié)構(gòu)受力與變形

對無破壞的板式無砟軌道數(shù)值模型施加車輪移動荷載,運算后獲得基于CA砂漿黏彈性的軌道結(jié)構(gòu)變形及受力結(jié)果。查看軌道結(jié)構(gòu)的垂向位移云圖如圖3(a)所示,中間塊軌道板和CA砂漿部件以及底座板的Mises應(yīng)力云圖分別如圖3(b)～圖3(d)所示。提取各結(jié)構(gòu)部件的位移及應(yīng)力仿真計算結(jié)果,并與遂渝線、武廣客運專線實測及相關(guān)文獻(xiàn)仿真結(jié)果進(jìn)行對比,如表4所示。

表4 仿真結(jié)果與其他文獻(xiàn)結(jié)果對比Table 4 Comparison of simulation results with other literature results

圖3 軌道結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力云圖(位移單位:m;應(yīng)力單位:Pa)Fig.3 Displacement and stress cloud diagram of track structure (displacement unit: m; stress unit: Pa)

從圖3可以看出,軌道結(jié)構(gòu)整體垂向位移中間板處最大;中間軌道板的Mises應(yīng)力在扣件處有明顯增大效果,這是由于扣件對鋼軌作用造成的;CA砂漿層的四個板角位置應(yīng)力較大,因此,在列車荷載長期作用下,板角處易發(fā)生破壞,實際工程中應(yīng)尤其注意此處的養(yǎng)護和檢修;底座板外圍應(yīng)力值偏大,這是由于車輪荷載對底座板外側(cè)產(chǎn)生了擠壓,是導(dǎo)致運營中的底座板邊緣掉塊碎裂的原因之一。由表4結(jié)果表明,CA砂漿定義為黏彈性時,有限元模型仿真計算結(jié)果與實測值和其他文獻(xiàn)仿真結(jié)果吻合度較好。其中,CA砂漿壓縮量小于實測值,但其值與其他文獻(xiàn)仿真結(jié)果相近。鋼軌下方軌道板垂向壓應(yīng)力略大于實測值,這是由于模型計算中移動荷載的取值為計算荷載最大值。

通過上述對比分析可以看出,應(yīng)用修正Burgers模型轉(zhuǎn)換Prony級數(shù)的方法來表征CA砂漿的黏彈性,用輪對模擬列車荷載,仿真計算結(jié)果顯示的最不利應(yīng)力位置與實際結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律基本一致,仿真計算數(shù)值與實測值和其他文獻(xiàn)仿真結(jié)果能夠較好地吻合,表明本模型符合實際情況,可以用于分析CRTS I型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的服役性能。

3.2 CA砂漿層板端掉塊對軌道結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 對軌道板和底座板的影響

對CA砂漿板端不同長度掉塊(工況一)的軌道模型進(jìn)行加載計算。為對比分析,選擇鋼軌下方處,第1、2扣件中點位置(距離板邊0.6 m)各部件層頂節(jié)點的計算結(jié)果,提取軌道板和底座板的加速度、位移、縱橫向應(yīng)力峰值,繪制CA砂漿層板端掉塊長度與軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 CA砂漿層板端掉塊長度對軌道結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of the length of CA mortar layer plate falling block on track structure

由圖4(a)和圖4(b)可以看出,隨著CA砂漿層掉塊長度增加,軌道板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸增大,底座板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸減小;表明CA砂漿層板端掉塊對軌道板產(chǎn)生了不利影響,增加了軌道板振動頻率及垂向位移振動幅值,而底座板的振動頻率和幅值卻減小。當(dāng)CA砂漿層板端掉塊長度達(dá)到0.912 5 m以后,軌道板垂向加速度迅速增長,掉塊長度達(dá)到2.475 m(即薄層掉塊長度達(dá)到板長一半)時,軌道板垂向加速度、垂向位移峰值分別增加了35.6%和20.2%。

圖4(c)結(jié)果表明,軌道板的橫向拉應(yīng)力受CA砂漿層板端掉塊長度的影響較小;而縱向拉應(yīng)力則先減小后增大,這是由于軌道板的支承突然減弱,讀取點位置距離板邊較近,導(dǎo)致局部位置出現(xiàn)應(yīng)力減小,當(dāng)?shù)魤K長度達(dá)到1.225 m以后,軌道板出現(xiàn)較長一段支撐層變?nèi)?軌道板讀取點位置的縱向拉應(yīng)力快速增長,掉塊長度達(dá)到2.475 m時,軌道板縱向拉應(yīng)力從284.06 kPa增大到471.13 kPa,增大幅度為65.9%,CA砂漿層板端掉塊對軌道板縱向拉應(yīng)力影響顯著。

圖4(d)結(jié)果表明,底座板的橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力均先增大后逐漸減小,這是由于CA砂漿層出現(xiàn)較小長度掉塊時,軌道板對底座板的拍打作用,導(dǎo)致底座板應(yīng)力增加;隨著CA砂漿掉塊長度增加,減弱了荷載的向下傳遞,因此底座板的應(yīng)力呈減小趨勢。

3.2.2 對CA砂漿層的影響

當(dāng)列車經(jīng)過掉塊區(qū)域時,將形成較大的軌道不平順,產(chǎn)生沖擊作用,從而使掉塊區(qū)域邊緣的CA砂漿承受的垂向壓應(yīng)力急劇增大。提取鋼軌下方對應(yīng)CA砂漿掉塊邊緣處的壓應(yīng)力,與無掉塊時相同位置計算結(jié)果進(jìn)行對比,如表5所示。

表5 CA砂漿板端掉塊區(qū)域邊緣處壓應(yīng)力與無掉塊時對比結(jié)果Table 5 Comparison results of compressive stress at the edge of the CA mortar board end falling block area with that without falling block

從表5可以看出,隨著掉塊長度增大,CA砂漿層掉塊邊緣處的垂向壓應(yīng)力急劇增大。當(dāng)?shù)魤K長度為0.912 5 m時,壓應(yīng)力的增長幅度達(dá)到了87.2%;掉塊長度達(dá)到2.475 m時,CA砂漿層的垂向壓應(yīng)力達(dá)到了60.87 kPa,雖然此時CA砂漿的垂向壓應(yīng)力仍低于其抗壓強度,但在列車荷載的往復(fù)加載下,CA砂漿層將繼續(xù)破損,抗壓強度逐漸降低,最終導(dǎo)致CA砂漿層出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞,縮短軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.3 CA砂漿層板中掉塊對軌道結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1 對軌道板和底座板的影響

對CA砂漿板中掉塊(工況二)的軌道模型進(jìn)行加載計算。為對比分析不同板中掉塊長度對軌道結(jié)構(gòu)的影響,在車輪荷載通過軌道的過程中,讀取中截面鋼軌下方軌道板和底座板層頂對應(yīng)節(jié)點的數(shù)值計算結(jié)果,各部件提取點位置的垂向加速度、垂向位移及縱橫向應(yīng)力峰值如圖5所示。

圖5 CA砂漿層板中掉塊長度對軌道結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 The effect of falling block length on track structure in CA mortar layer board

圖5(a)和圖5(b)結(jié)果表明,隨著CA砂漿層掉塊長度增加,軌道板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸增大,底座板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸減小;表明CA砂漿層板中掉塊對軌道板產(chǎn)生了不利影響,增加了軌道板振動頻率及垂向位移振動幅值,當(dāng)板中掉塊長度為3.125 m時,軌道板垂向加速度、垂向位移峰值分別增大25.4%和8.4%。

圖5(c)結(jié)果表明,軌道板的橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力會隨板中掉塊長度的增大而增大,這是因為軌道板失去原有CA砂漿對其的支撐作用,豎向變形增加,從而承受的縱橫向拉應(yīng)力增大;其中軌道板縱向拉應(yīng)力變化幅度顯著,當(dāng)板中掉塊長度超過1.25 m以后,軌道板的縱向拉應(yīng)力開始快速增長,掉塊長度達(dá)到3.125 m時,軌道板縱向拉應(yīng)力增大幅度為1 051.6%。

圖5(d)結(jié)果表明,隨著CA砂漿掉塊長度的增加,底座板的橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力逐漸減小,這是因為CA砂漿的掉塊減弱了荷載的向下傳遞。

3.3.2 對CA砂漿層的影響

當(dāng)列車經(jīng)過板中掉塊區(qū)域時,與板端掉塊類似,掉塊區(qū)域邊緣與軌道板接觸處的CA砂漿層的垂向壓應(yīng)力急劇增大,提取鋼軌下方對應(yīng)CA砂漿掉塊邊緣處壓應(yīng)力計算結(jié)果,與無掉塊時數(shù)值進(jìn)行對比分析,結(jié)果如表6所示。

表6 CA砂漿板中掉塊區(qū)域邊緣處壓應(yīng)力與無掉塊時對比結(jié)果Table 6 Comparison results of compressive stress at the edge of the falling block area in CA mortar board with that without falling block

從表6可以看出,CA砂漿層掉塊邊緣處的垂向壓應(yīng)力急劇增大,且隨著掉塊長度增大,應(yīng)力增長幅度越大。當(dāng)?shù)魤K長度為1.25 m時,壓應(yīng)力的增長幅度達(dá)到了81.1%;當(dāng)?shù)魤K長度達(dá)到3.125 m時,CA砂漿層的垂向壓應(yīng)力達(dá)到了59.32 kPa,增大幅度為262.1%。與板端發(fā)生掉塊情況類似,雖然此時CA砂漿的垂向壓應(yīng)力仍低于其抗壓強度,但在列車荷載作用下,CA砂漿層同樣會繼續(xù)破損。

4 結(jié)論

本文建立了基于CA砂漿黏彈性的CRTSⅠ型板式無砟軌道數(shù)值計算模型,通過對CA砂漿層不同程度的板端、板中掉塊破壞的模擬,獲得車輪荷載作用下,砂漿層不同掉塊長度對軌道結(jié)構(gòu)各部件動力響應(yīng)的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論。

(1)應(yīng)用修正Burgers模型轉(zhuǎn)換Prony級數(shù)的方法來表征CA砂漿的黏彈性,可用于分析CRTS I型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的服役性能。

(2)隨著CA砂漿層的板端及板中掉塊區(qū)域增大,軌道板的垂向位移、垂向加速度和縱向拉應(yīng)力均顯著增大,底座板垂向位移及受力均減小,掉塊破壞對軌道板的影響大于對底座板。掉塊區(qū)域邊緣位置的CA砂漿層的壓應(yīng)力急劇增大,將進(jìn)一步加快掉塊的擴展,容易引起軌道結(jié)構(gòu)破壞的惡性循環(huán)。

(3)軌道板與CA砂漿層存在離縫,并產(chǎn)生薄層破壞時,應(yīng)引起重視。車輪荷載作用下,當(dāng)CA砂漿層板端薄層掉塊達(dá)到0.912 5 m,板中掉塊達(dá)到1.25 m時,軌道板的振動和CA砂漿層的壓應(yīng)力將顯著增大,根據(jù)實際情況,有針對性地對CA砂漿層進(jìn)行檢修,避免軌道結(jié)構(gòu)破壞快速擴展。