温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析

徐 浩，刘 霄，徐金辉，王 平

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031;2.西南交通大学信息科学与技术学院，成都 610031)

温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析

徐 浩1，刘 霄2，徐金辉1，王 平1

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031;2.西南交通大学信息科学与技术学院，成都 610031)

轨道板与水泥乳化沥青砂浆离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一，水泥乳化沥青砂浆具有支承、缓冲、传载等作用，离缝将影响无砟轨道的变形与受力。基于弹性地基梁体理论和有限元方法，建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型，分析在温度荷载和自重作用下不同离缝长度以及产生离缝后CA砂浆层参数对轨道结构的影响。结果表明：轨道板的翘曲位移及纵向应力均随着离缝长度增大而增加;当离缝长度超过1.95 m时，轨道板的翘曲变形及纵向应力都急剧增大，建议轨道板与CA砂浆层离缝长度不宜超过1.95 m。

CRTSⅡ型板式轨道;轨道板;温度荷载;离缝

CRTSⅡ型板式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、水泥沥青砂浆调整层、连续底座板(桥梁)或支承层(路基)、滑动层(桥上)、侧向挡块(桥上)等部分组成［1］，其中水泥乳化沥青砂浆是填充于轨道板与混凝土底座板之间的一种弹性缓冲材料，可以调整轨道板的几何位置，其厚度一般20～40 mm，起到支承、调节、吸振、隔振和传力的作用［2-3］。温度梯度作用下轨道板发生翘曲、下部基础沉降或砂浆破损等，均可能造成轨道板与砂浆层间出现离缝。现场调查表明砂浆层出现离缝现象较为普遍，图1为某线路轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝的情况。国内外已经有许多正常情况下单元板式轨道轨道板翘曲变形与翘曲应力的研究［4-8］，也有关于砂浆层破损对路基上板式轨道动力响应的研究［9-10］，但是关于CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板翘曲变形和翘曲应力研究很少，研究水泥乳化沥青砂浆层离缝对路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板翘曲变形及翘曲应力的影响则更少。

当轨道板与水泥乳化沥青砂浆产生离缝后，由于离缝区域水泥乳化沥青砂浆对轨道板的粘结力消失，温度荷载作用下离缝区域轨道板的翘曲变形必然增大，一旦变形超过一定的限值，将影响行车的平稳性和安全性。因此本文将利用有限元方法分析温度荷载作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式无砟轨道的影响，有利于为CRTSⅡ型板式无砟轨道的养护维修提供理论依据。

图1 CRTSⅡ型板式轨道中轨道板与CA砂浆层离缝

1 计算模型与求解方法

轨道板与水泥乳化砂浆层离缝主要影响无砟轨道的竖向变形与纵向受力，因此本文仅考虑轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝对CRTSⅡ型板式无砟轨道的竖向变形和纵向受力。根据弹性地基梁体理论与有限元方法［8］，建立路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道计算模型，如图2所示。建立有限元模型时，可对轨道结构的各组成部件几何模型进行合理简化，并采用不同的单元模拟。

图2 弹性地基梁体力学模型

钢轨为无砟轨道的重要组成部分，作为等截面的细长结构物，有限元分析时可看成无限长点支承梁;扣件系统主要考虑其竖向刚度，等效为线性弹簧;由于CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板在纵向上通过6根预应力钢筋连接，混凝土支承层则在线路纵向上连续施工，且轨道板、混凝土支承层的形状比较规则，建立模型时可按纵向连续的弹性体考虑，离散为八节点的六面体实体单元;水泥乳化沥青砂浆层和路基基础则考虑竖向支承作用，采用连续均匀的线性弹簧模拟;而对于离缝区域，水泥乳化沥青砂浆不再有粘结力，因此可将其模拟成单方向受力的非线性弹簧。

计算中仅考虑温度荷载的作用，轨道板与混凝土支承层的板边为自由边界，钢轨、轨道板、混凝土支承层的端部均约束纵、横向位移，模拟路基的弹簧底部约束其3个方向的自由度，在这样的边界条件下，模型无刚体位移，无多余约束，符合CRTSⅡ型板式无砟轨道的实际边界情况。计算时取等效3块板的长度，并以中间相当一块板长作为离缝设置区域。

利用ANSYS有限元分析软件，建立相应的有限元模型，求解温度荷载作用下轨道板与CA砂浆离缝对轨道结构的影响。

2 计算条件

2.1 计算假定及基本参数

在计算过程中，假定一旦CRTSⅡ型板式轨道的轨道板与水泥乳化沥青砂浆之间产生离缝，即认为此处沿轨道板的横向均产生离缝，因此在计算过程中轨道板与水泥沥青砂浆层的离缝面积大小可通过沿轨道板纵向的离缝长度表示。

钢轨采用CHN60钢轨;扣件采用WJ-8扣件，扣件刚度取为50 kN/mm，扣件的间距取0.65 m;轨道板采用实际尺寸，宽度为2.55 m，厚度为0.2 m，采用C55混凝土，其弹性模量为35 500 MPa，线膨胀系数为1×10-5/℃，为了消除边界的影响取等效3块轨道板的长度考虑，为19.5 m;模拟水泥乳化沥青砂浆层的线性弹簧按弹性模量7 000 MPa换算;混凝土支承层也采用实际尺寸，其长度与轨道板的长度相同，宽度为3.25 m，厚度为0.3 m，弹性模量取7 000 MPa，线膨胀系数为1×10-5/℃;模拟路基线性弹簧则按支承刚度75 MPa/m换算，计算中的温度荷载按正温度梯度取90℃/m，计算时考虑轨道板的板厚修正系数［11-13］。

2.2 计算工况

计算时主要考虑自重和温度荷载共同作用下轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝的长度对轨道结构变形和受力的影响;由文献［13］可知，水泥乳化沥青砂浆层的参数取值在一定范围内，假定轨道板与水泥乳化沥青砂浆层产生相同长度的离缝时，系统研究了温度荷载作用下，水泥乳化沥青砂浆层参数变化对轨道结构的影响，从而为CRTSⅡ型板式轨道的水泥乳化沥青砂浆层参数优化提供理论依据。

轨道板与水泥乳化沥青砂浆层的离缝长度分别考虑:无离缝，离缝 0.65、1.3、1.95、2.6、3.9、5.2 m 和6.5 m 8种不同情况。

对水泥乳化沥青砂浆层的参数进行优化时，假定离缝的长度为1.95 m(即3个扣件间距)，砂浆层的参数变化主要考虑其厚度及弹性模量。厚度分别考虑10、30、50、150 mm 和 200 mm 5 种情况，而弹性模量考虑 50、100、300、500、1 000、3 000、5 000、7 000 MPa和10 000 MPa 9种工况。

3 结果分析

计算结果主要分析温度荷载作用时不同工况下轨道板的翘曲位移及翘曲应力，分析时以中间等效一块板长为计算板段。

3.1 离缝长度的影响

在正温度梯度与自重作用下，轨道板将产生上拱的翘曲变形，计算板段板中的翘曲变形以及不同离缝长度下轨道板板中的最大翘曲位移变化如图3所示。

将产生离缝后温度荷载作用下轨道板的翘曲位移曲线与未离缝时轨道板的翘曲位移曲线两交点之间的范围作为轨道板翘曲位移影响范围，不同离缝长度下轨道板翘曲位移的影响范围如表1所示。由于计算中假定离缝沿轨道板横向全部离缝，从而用离缝长度表示离缝面积，因此轨道板翘曲位移的影响范围也用其影响的长度表示。

图3 不同离缝长度下轨道板的翘曲位移

表1 轨道板翘曲位移影响范围

不同离缝长度下轨道板内的最大翘曲压应力及翘曲拉应力变化如图4所示。

图4 轨道板的最大翘曲应力

从图表中可以看出，随着轨道板与水泥乳化沥青砂浆层离缝的增大，由于水泥乳化沥青砂浆层对轨道板的约束作用逐渐降低，在相同的温度荷载及自重作用下，轨道板的翘曲位移及其影响范围均逐渐增大。当没有离缝存在时，轨道板的翘曲位移为0.073 mm，而当离缝长度达到相当轨道板的长度(6.5 m)时，轨道板的翘曲位移增大到0.539 mm，翘曲位移增大了7.38倍。从图3(b)可以看出，当离缝长度达到1.95 m时，轨道板的最大翘曲位移出现突变。表1说明轨道板与CA砂浆层一旦产生离缝，其影响范围将出现突变，当离缝长度达到1.95 m时，轨道板翘曲位移影响范围就达到一块轨道板的长度。

图4说明，轨道板内纵向最大拉、压应力均随着离缝长度逐渐增大，同样在离缝长度为1.95 m时，出现拐点，且随着离缝长度的进一步加大，轨道板内的翘曲应力基本不变，但翘曲位移发生较大变化，因此建议在实际运营中，轨道板的离缝长度达到1.95 m时应及时进行维护，以防止离缝长度进一步扩大，影响轨道结构的变形和受力，甚至影响行车的安全性和平稳性。

3.2 CA砂浆层弹性模量的影响

当轨道板与水泥乳化沥青砂浆层的离缝长度为1.95 m时，不同弹性模量的水泥乳化沥青砂浆层下的轨道板的最大翘曲位移及翘曲应力如图5、图6所示。

图5 轨道板最大翘曲位移

图6 轨道板内最大翘曲应力

当轨道板与水泥乳化沥青砂浆层产生离缝后，随着水泥乳化沥青砂浆层弹性模量的提高，在离缝两侧的CA砂浆对轨道板翘曲变形的限制也逐渐加强，因此轨道板的翘曲位移会逐渐降低，轨道板内的翘曲应力也随之增大。从轨道板的翘曲位移和纵向拉、压应力最大值的变化曲线可知，当CA砂浆的弹性模量达到5000 MPa以后，其翘曲位移和纵向应力基本没有变化，这也说明文献［13］中水泥乳化沥青砂浆层的弹性模量取值为5 000～7 000 MPa具有一定的合理性。

3.3 CA砂浆层厚度的影响

当轨道板与水泥乳化沥青砂浆层的离缝长度为1.95 m时，不同厚度的水泥乳化沥青砂浆层下的轨道板的最大翘曲位移及翘曲应力如表2所示。

从表2的数据中可以看出，随着CA砂浆层的厚度降低，CA砂浆层对轨道板的约束逐渐降低，因此轨道板的翘曲位移增大，纵向应力降低，综合轨道板翘曲位移、纵向应力以及CA砂浆层施工中的调整作用，建议CA砂浆层的厚度取为30～100 mm，这也说明CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆层设计的合理性。

表2 不同砂浆层厚度下轨道板的最大翘曲位移、纵向应力

4 结论与建议

基于弹性地基梁体理论，建立路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道模型，系统研究了温度荷载作用下轨道板与CA砂浆层在轨道板横向全宽范围内出现离缝时对轨道结构的影响及离缝条件下CA砂浆层参数变化的影响研究，得到如下结论与建议。

(1)随着轨道板与CA砂浆层离缝长度的增大，轨道板板中的翘曲位移和纵向拉、压应力均不断增大，且当轨道板与CA砂浆层的离缝长度达到1.95 m时，轨道板的翘曲位移和纵向应力出现急剧增大，且轨道板翘曲位移影响范围增大到6.5 m，之后增大趋势趋于平缓。

(2)通过研究离缝条件下，CA砂浆层参数对轨道结构的影响，验证了当前CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆层设计的合理性，同时为其参数进一步优化提供了理论依据。

(3)水泥乳化沥青砂浆层作为CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的中间垫层结构，其服役性能将直接影响无砟轨道的耐久性、安全性和经济性，一旦轨道板板底与CA砂浆层之间出现离缝，在列车荷载的作用下会造成轨道板在砂浆上的拍打或冲切，加大砂浆受力，加速砂浆的破损。因此建议当CRTSⅡ型板式轨道中当轨道板与CA砂浆层的离缝长度达到1.95 m时，应及时进行养护维修，防止离缝长度扩大、翘曲位移加剧，从而影响行车安全与舒适性。

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［13］铁道部工程管理中心.京津城际轨道交通工程CRTSⅡ型板式轨道技术总结报告［R］.北京:铁道部工程管理中心，2008.

Influence on CRTS-ⅡSlab Track Structure Caused by the Debonding between Slab and CA Mortar under the Action of Temperature Load

XU Hao1，LIU Xiao2，XU Jin-hui1，WANG Ping1
(1.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.School of Information Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The debonding between the slab and emulsified asphalt cement mortar is one of the main failure modes of CRTS-Ⅱslab track;the emulsified asphalt cement mortar plays the roles such as supporting，buffering and transferring the forces，so the debonding between the slab and CA mortar will have negative effects on stress state and deformation behaviors of ballastless track.In this paper，based on elastic foundation beam theory and finite element method，the finite element model of CRTS-Ⅱ slab track on railway subgrade was established.And then the influences on the track structure caused by different lengths of debonding and caused by the parameters of CA mortar after the debonding appeared were analyzed under the actions of both temperature load and self weight load.The results show that both the warping deformation and the longitudinal stress increase with the growth of the debonding length;if the debonding length exceeds 1.95 m，both the warping deformation and the longitudinal stress will increase sharply.So it is suggested that the debonding length between the slab and CA mortar should be controlled within 1.95 m.

CRTS-Ⅱslab track;slab;temperature load;debonding

U213.2+44

A

1004-2954(2013)09-0009-04

2013-02-25

国家973计划(2013CB036202);国家自然科学基金资助项目(51008258);铁道部科技研究开发计划(2011G002)

徐 浩(1989—)，男，博士研究生。