哈大铁路客运专线CRTSⅠ型轨道板温度变形及应力数值分析

易图兵，赵勤俭，肖 伟

(中铁二局股份有限公司，成都 610032)

1 概述

哈大铁路客运专线是我国在东北严寒地区修建的第一条无砟轨道铁路，设计时速350 km，轨道结构形式主要采用CRTSⅠ型板式无砟轨道系统。与南方地区相比，东北地区全年温差、日昼夜温差相当大，温度的急剧变化对板体结构的受力、变形影响显著，是引起板体开裂、板与垫层离缝等病害的主要原因之一［1-4］。以哈大客运专线铺板工程为背景，以有限元程序ANSYS为工具，对不同温度状况下CRTSⅠ型轨道板的变形及应力特征进行数值模拟分析，分析结果可为施工、设计等提供参考。

2 工程结构概况

哈大客运专线设计采用CRTSⅠ型预应力混凝土平板，整个轨道结构如图1所示，由钢轨、WJ-7B型扣件、轨道板、乳化沥青水泥砂浆(CA砂浆)、混凝土凸形挡台及混凝土底座等部分组成。

轨道板标准板长4 962 mm，宽2 400 mm，厚200 mm，混凝土强度等级C60，设计为无挡肩承轨台，采用纵横向预应力体系，预应力筋为低松弛无粘结预应力钢棒。底座及凸台为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C40。

图1 CRTSⅠ型轨道结构示意

轨道板与底座之间设计为50 mm厚的CA砂浆填充层，CA砂浆为低弹模砂浆，弹性模量100～300 MPa，充填采用灌注袋充填方式;板与凸形挡台之间灌注聚胺脂树脂，厚度在30～50 mm。

3 数值模拟方案

3.1 模型建立

温度变形及应力求解是一个复杂的热力耦合分析问题，用解析方法求解相当困难。本文借助数值分析程序ANSYS，采用三维有限元法来进行求解。为减少建模及计算工作量，本次建模分析做以下简化假设［5-7］:

(1)假设各种材料均为线弹性体、各向同性，材料参数不随温度变化;

(2)假设轨道板铺设时板体温度处于均匀状态;

(3)分析时考虑板体自重，但不考虑凸台、钢轨、扣件等外部约束作用，也不考虑板体预应力、混凝土收缩徐变等因素的影响。

取单块轨道板及其下砂浆垫层为分析对象，采用三维实体单元建模。板与垫层之间采用接触界面单元处理，以充分模拟两者间的摩擦、滑移、离合等力学行为。有限元计算模型见图2。

图2 有限元计算模型

3.2 边界条件及参数

最大温度梯度值参考文献［8-10］，取为0.5℃/cm。对于20 cm厚轨道板，则上下表面最大温差取为10℃。计算时通过对板模型下表面节点施加0℃，上表面施加10℃或－10℃的方式来分别模拟上下温差10℃(“上热下冷”)和上下温差－10℃(“上冷下热”)这2种不同温度状况。

各材料计算参数取值见表1。

表1 材料计算参数

4 计算结果分析

4.1.1 “上冷下热”工况结果

板底温度设为0℃，板表温度设为－10℃，计算得出“上冷下热”工况下轨道板竖向变形结果如图3所示。

图3 “上冷下热”轨道板变形(单位:m)

从图3可以看出，在“上冷下热”工况下，板体变形形态表现为中心下沉，四角向上翘曲。中心最大下沉仅0.05 mm，可以忽略不计。轨道板四角最大竖向变形量为1.37 mm，竖向变形值大于1 mm区域为板四角30～40 cm范围，表明该区域较易发生离缝超标现象，计算结果与实际相符。

计算得出此工况下轨道板上表层出现拉应力，X、Y、Z各方向均有，其中Y方向(竖向)拉应力相当小，X方向拉应力最大，X方向应力大小分布如图4所示(正为拉、负为压)。从图4可以看出，拉应力最大值为1.97 MPa，位于轨道板上表面中心区域。

图4 “上冷下热”轨道板主应力图(单位:Pa)

4.1.2 “上热下冷”工况结果

板底温度设为0℃，板表温度设为10℃，计算得出“上热下冷”工况下轨道板竖向变形结果如图5所示。

图5 “上热下冷”轨道板变形图(单位:m)

从图5可以看出，在“上热下冷”工况下，板体变形形态表现为中部上拱，四角下沉。板中间竖向上拱最大值为0.65 mm，四角下沉最大值为0.19 mm，均比较小。

此工况下轨道板拉应力出现在下表层，同样X、Y、Z各方向均有，其中Y方向拉应力最小，X方向拉应力最大，X方向应力大小分布如图6所示。计算得出拉应力最大值为2.05 MPa，位于轨道板下表面中部两侧边缘区域，表明该部位较为薄弱，容易出现裂纹。

图6 “上热下冷”轨道板应力图(单位:Pa)

4.1.3 2种工况比较

上下温差－10℃和上下温差10℃这2种工况最大变形及应力计算结果见表2。

表2 计算结果统计

通过比较可以看出，“上热下冷”工况板中心上拱值比“上冷下热”工况四角翘曲值要小得多，说明在重力作用下，板抗上拱能力比抗翘能力强。这是因为板上拱时，变形趋势为四角下沉板中上拱，此时板中上拱区的抵抗重力明显比翘曲时四角抵抗重力要大。由于“上热下冷”工况抑制板体变形过多，板内产生的温度拉应力显然比“上冷下热”工况要大。

4.1.4 与实测结果比较

2010年7月15日，在鞍辽特大桥选取1块已灌注CA砂浆但尚未灌注凸台树脂的P4962A型轨道板，连续观测该板温度变化状况及四角变形情况。图7为现场监测实景。

图7 轨道板温度变形现场监测

当日晴天，全天环境温度最高35℃，最低23.2℃，在昼间11:00～14:00时间段内轨道板出现较大上热下冷温差，最大达13℃，板四角下沉，最大值0.33 mm。夜间0:00～4:00轨道板出现较大上冷下热温差，最大达5.8℃，板四角向上翘曲，最大值1.58 mm。

理论计算与实测结果对比发现，二者数据结果比较接近，所揭示的温度变形规律是一致的，数值分析与实际吻合较好。

5 最不利工况分析及对策

在实际施工过程中，轨道板铺设时板体温度不一定是均匀的，上下表面往往存在温差，那么随着时间的推移、环境温度的变化，轨道板铺设后其温度状况将出现2种极端情况:一是由初始状态的“上热下冷”变化至“上冷下热”，二是由“上冷下热”变化至“上热下冷”。

在第1种情况下，当CA砂浆灌注并硬化后，板体温度变化至“上冷下热”时，上下表面的温度变化幅度差值较板体初始温度均匀工况要大(甚至成倍增加)，势必引起板体变形量增大，板四角与砂浆出现较大离缝。在第2种情况下，当灌浆后板体温度变化至“上热下冷”时，引起板体上拱变形的温度变化幅度差值也肯定较板体初始温度均匀工况要大，但由于板抵抗上拱的能力比抗四角上翘的能力要强，因此相比之下比第1种情况要有利。

由以上分析可知，从防止板四角离缝过大的角度出发，在板体温度均匀或“上冷下热”情况下灌浆是相对有利的，而“上热下冷”较为不利，要尽量避免在此情况下灌浆。在实际操作中，应注意轨道板精调后不宜放置太久，应尽快灌注CA砂浆，以免灌注与精调环境温度相差太大;夏季施工避免在日间太阳辐射较强时灌注，减少温度梯度荷载变化影响。

从温度应力角度来看，随着板体温度“上热下冷”、“上冷下热”交替变化，轨道板上下表面纵横向均将受到温度拉、压应力的反复作用。因此轨道板纵横向、上下层均设置预应力筋是很有必要的。施工时应严格控制预应力张拉质量，确保预应力施加准确，提高轨道板的抗裂、抗疲劳荷载能力。

6 结语

(1)计算结果表明，轨道板上下表面负温差时变形表现为四角翘曲，上下表面正温差时则为中部上拱。在温度梯度荷载为10℃时，四角翘曲最大值达1.37 mm，而中部上拱最大值仅为0.65 mm，轨道板抗上拱能力比抗四角翘曲能力强。

(2)轨道板温度变形受到外界约束时，板内会有拉应力出现。上下表面负温差时拉应力出现在上表层，上下表面正温差时则出现在下表层，且各方向均有。

(3)轨道板CA砂浆灌注时的初始温度状态对以后的四角离缝有较大影响，最不利情况是“上热下冷”，而板体温度均匀或“上冷下热”情况较为有利。

(4)随着温度的升降温交替变化，轨道板上下表层、纵横向均会有温度拉应力出现，纵横向预应力体系是抵抗混凝土受拉开裂的重要措施，施工时应准确施加。

(5)影响轨道板温度变形及应力大小的因素很多，如外部荷载及约束、材料各向异性及非线性行为、预应力施加及损失情况等，而受有限元程序、模拟手段等的限制，本次数值模拟未能一一加以考虑，今后还需作进一步的研究。

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