纵向轨枕式无砟轨道界面裂缝对轨道力学性能的影响

刘志彬，赵坪锐，胡 佳，刘 观

(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)

纵向轨枕式无砟轨道界面裂缝对轨道力学性能的影响

刘志彬，赵坪锐，胡 佳，刘 观

(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)

纵向轨枕轨道结构改用预制混凝土纵梁连续支撑的结构设计，故预制轨枕与道床板的新旧混凝土界面是结构稳定分析不可回避的因素。为了分析新旧混凝土界面对整体结构的影响，并为纵向轨枕式无砟轨道设计提供相关参考，通过建立纵向轨枕式无砟轨道的二维有限元计算模型进行研究。结果表明：纵向轨枕式无砟轨道在列车荷载和温度变化作用下，轨枕与道床板界面附近会出现纵向裂缝，并裂缝加快扩展。界面裂缝对轨道内部应力分布影响很大，对钢轨扭转有一定影响。

无砟轨道；新旧混凝土界面；纵向裂缝；钢轨扭转

轨道交通在各个国家的现代化进程中都发挥着重要作用，特别是在城市交通中，不仅大幅提高了能源利用率，减少了环境污染，更是极大地增强了运输能力，缓解了城市交通压力[1]。双块式无砟轨道是具有高平顺性、高稳定性、高精度要求的轨道结构，其施工工艺较复杂，需要逐枕调整角度。为简化施工工艺，加快施工进度，缩短工期，有必要进一步优化轨道结构。在此基础上，纵向轨枕式无砟轨道应运而生。

相对于横向轨枕，纵向轨枕能提供连续支撑，轨道刚度沿线路纵向呈现均匀性[2]特点，有利于保持良好的轨道几何状态。负载量和左右稳定性也都优于横向轨枕。同时车辆在纵向轨枕轨道上的运行平稳性和行车安全性都可以得到保障。纵向轨枕式无砟轨道具有平顺性高[3]、刚度均匀性好、轨道几何形位稳定性较好和维修工作量显著减少等特点。

国内外研究表明，双块式无砟轨道[4]现浇道床板与轨枕交界处易发生界面裂缝。纵向轨枕式无砟轨道作为一个实用的新型轨枕轨道结构，有必要对其预制纵向轨枕和道床板界面的特性做详细分析。

为此，在新旧混凝土粘结机理的基础上，与纵向轨枕式无砟轨道相结合，分析纵向轨枕式无砟轨道轨枕与道床板界面。纵向轨枕横断面见图1。纵向轨枕结构如图2所示。纵向轨枕长2.5 m，高0.2 m，枕上下边宽度分别为0.45 m、0.52 m，侧面采用1∶10的坡度。轨枕纵向采用2个三角桁架钢筋，桁架腹筋纵向支距为190 mm。扣件间距625 mm。

图1 路基上纵向轨枕横断面(单位：mm)

图2 纵向轨枕结构简图(单位:mm)

1 新旧混凝土粘结强度成因分析

双块式和长枕埋入式无砟轨道，由于轨枕是预制的，所以新旧混凝土容易因粘结不良而出现裂缝。即双块式和长枕埋入式无砟轨道中若不采用其他措施很容易出现裂缝。

而纵向轨枕式无砟轨道中也有这类新旧混凝土的粘结，是否也会出现同双块式和长枕埋入式无砟轨道类似的裂缝，这需要对新旧混凝土的粘结机理进行分析。

新旧混凝土有唯一的结合曲面[5，6]，但新旧混凝土破坏曲面却不是唯一的。在绝大部分情况下，新旧混凝土破坏曲面发生在原结合面附近或者稍微偏离结合面，这一破坏曲面可称为界面过渡区。

虽然目前对于界面过渡区的分子构成和形成机理以及其与宏观力学性能的认识还不够深入，但从界面过渡区的破坏过程和破坏形态分析，界面过渡区有以下特点[7]：(1)从微观角度来看，界面过渡区中的晶体(界面区中主要存在有水化硅酸钙、C-H晶体即氢氧化钙、Aft即钙矾石和未水化的熟料颗粒及空洞、裂缝)比水泥浆体(距离界面过渡区较远的混凝土)中的晶体粗大；(2)界面过渡区晶体择优取向；(3)界面过渡区的晶体之间有比水泥浆体中更大、更多的空隙。

上述特点决定了界面过渡区强度低，容易引发裂缝，并且裂缝易于传播，从而使界面过渡区成为最薄弱的环节。

通过上述理论可以分析出，与双块式和长枕埋入式无砟轨道类似，纵向轨枕式无砟轨道中预制轨枕与道床板结合处是薄弱环节，为下文的裂缝出现位置的计算结果提供了理论支持。

2 混凝土新旧界面裂纹位置分析以及对轨道结构受力的影响

预制纵向轨枕浇筑于道床板中，在纵向轨枕的各侧面存在新旧混凝土界面，该新旧混凝土界面为混凝土结构受力的薄弱区。在混凝土收缩、列车荷载、温度荷载等多种荷载的共同作用下，新旧混凝土界面不可避免会产生裂缝。在列车横向荷载的作用下，沿线路纵向的裂缝将会近一步扩展。裂缝扩展深度的不同，轨道结构受力也不相同。

2.1 计算模型

对线路直线地段，轨道结构在列车荷载作用下的受力近似满足平面应变状态。此外，在线路的横向考虑结构的对称性。基于此，采用Ansys建立纵向轨枕式无砟轨道的平面受力有限元计算模型，轨道各层可以简化为板，忽略轨道各层沿线路方向的应力和变形，采用Plane42单元模拟；桁架腹筋简化为梁，两端与混凝土固结，采用Beam3单元模拟，如图3所示。

图3 纵向轨枕式无砟轨道平面有限元计算模型

支撑层、轨道板、纵向轨枕分别用C20、C40、C60混凝土。腹筋采用φ8 mm的HRB335钢筋。模型中各层的等效弹性模量由下式得出

式中ηA——轨道各层的面积配筋率(不含腹筋)；

Eeq——钢筋混凝土的等效弹性模量；

Es——钢筋的弹性模量；

Ec——混凝土的弹性模量。

模型中，道床板及纵向轨枕的面积配筋率采用1%。桁架腹筋用Beam3单元模拟，采用分离式钢筋混凝土模型[8,9]，不考虑混凝土与钢筋间的黏结和滑移。

对模型的位移边界，支撑层底部固结；支撑层及道床板的右侧面采用对称约束。

列车轴重170 kN，扣件横向和垂向分布系数均采用0.4，则模型中的垂向力为

P=170/2×0.4=34 kN

横向力由最大脱轨系数及横向力分布系数求得

H=170/2×0.8×0.4=27.2 kN

在有限元模型轨枕上表面的中间节点施加垂向力和横向力，荷载均匀分布在钢轨轨底范围内。

采用Ansys中的接触单元的面面接触模拟裂缝[10]。根据接触单元的应用规律，以裂缝一侧的预制轨枕为目标面，裂缝一侧的道床板为接触面。

2.2 温度作用下裂缝位置

温度对纵向轨枕式无砟轨道结构的影响十分明显，置于自然环境中的混凝土结构工程，经受各种自然环境条件变化的影响，混凝土工程结构的表面和内部各点温度随时都在发生变化，由此轨道结构内部会产生很大的应力，在结构强度薄弱处甚至会出现裂缝。

假定整体浇筑混凝土的粘结强度为σ0，则新旧混凝土粘结强度σ可以表示为

σ=γσ0=1.4 MPa

式中，γ是新旧混凝土粘结强度折减系数，与结合面处的处理方法有关。本文按直接浇筑处理,γ取0.58[11]。

图4 轨道结构在温度与荷载作用下的第一主应力

由计算结果可知，新旧混凝土结合处的应力大于1.4 MPa。且纵向轨枕与道床板交界和支撑层与道床板交界处的上部有应力集中现象，相对于远离界面上部的混凝土第一主应力而言，其值偏大且分布区域集中。在界面强度远低于同属性混凝土的情况下，其应力又大于同属性的混凝土，所以在纵向轨枕与道床板交界处的应力集中处，容易引发裂缝。而轨枕是预制的高强度钢筋混凝土，其破坏极限大于道床板，故裂缝首先出现在交界处的道床板上端。

普通轨枕是横向的，裂缝一般是局部的。而纵向轨枕在整个线路是连续的，裂缝易连成一体。本模型是纵向轨枕式无砟轨道的任意断面，具有普遍性。假设整个线路是由无数个这样的模型组合而成，沿线路方向上在轨枕与道床板的交界处的道床板上端处的裂缝会连成线，形成沿线路方向的裂缝，此裂缝在列车荷载和温度变化的作用下不断加深扩展。

2.3 裂缝对结构应力的影响

沿线路方向的裂缝会不断加深扩展，这种扩展对轨道结构的整体性有一定程度破坏。为了保证车辆在纵向轨枕轨道上的运行平稳性和行车安全性，有必要分析在温度作用下不同深度的裂缝对轨道结构的影响。

采用接触单元模拟裂缝的深度，计算时考虑轨枕左右两侧裂缝的深度相同。各裂缝深度下的第一主应力及X方向应力汇总于表1，而第一主应力云图和X方向应力云图受篇幅所限只列举3种具有代表性的工况，如图5～图10所示。

表1 第一主应力及X方向应力最大值

图5 裂缝深度1 cm下的第一主应力云图

图6 裂缝深度1 cm下的X方向应力云图

图7 裂缝深度3 cm下的第一主应力云图

图8 裂缝深度3 cm下的X方向应力云图

图9 裂缝深度7 cm下的第一主应力云图

图10 裂缝深度7 cm下的X方向应力云图

分析上述计算结果可知，随着裂缝深度的增加，整个结构最大值变化呈现减小趋势。而X方向最大拉力随着裂缝扩展逐渐增大，且裂缝尖端处属于大拉应力区，压应力亦有增大趋势。

在预制轨枕中，压应力分布区是由上部向下部扩展的，但在裂缝尖端处一定是拉应力。其中裂缝深度为7 cm时的X方向应力云图更能形象的表达出此规律。假设，裂缝尖端是压应力，裂缝停止扩展，与实际情况不相符。这从侧面说明，在列车荷载和温度变化作用下，裂缝会不断扩展。

2.4 裂缝对钢轨扭转的影响

随着裂缝的不断扩展，纵向轨枕与道床板间的荷载传递状态发生改变，故纵向轨枕的位移与截面形状会发生变化，不会再保持水平。因此，上述现象在整个线路方向是连续的，即在沿线路方向，钢轨会发生扭转。如果扭转角度过大，行车时会发生钢轨倾覆。须验证各裂缝深度的钢轨扭转。

提取模型中纵向轨枕与钢垫板接触面的边缘节点坐标值，以及各工况下的位移值，接触面宽度即钢轨底宽。假定纵向轨枕与钢垫板接触面在变形后保持平面形状，具体到有限元计算模型上荷载作用的节点变形后在同一直线上，如图11所示。

图11 钢轨扭转计算示意

由图11可知，钢轨倾覆角计算式

tanα=(Uy-Wy)/(L+Ux-Wx)

式中α——荷载作用下钢轨绕水平线转动角度；

L——钢轨轨底宽；

Ux、Uy——分别为节点a的沿坐标X、Y位移；

Wx、Wy——分别为节点b的沿坐标X、Y位移；

P——荷载作用后节点a和b之间的距离。

各不同裂缝深度下的钢轨扭转角列于表2。

表2 各工况倾覆角α计算

上述结果表明，钢轨的扭转角是很小的。而钢轨扭转对轮轨接触点分布的影响较明显[12]，但钢轨微小扭转变形对直线运行的轮轨动态安全性指标影响不大。

3 结论

本文通过建立纵向轨枕式无砟轨道的计算模型，对裂缝的产生位置以及裂缝扩展对轨道的影响进行了分析，结论如下。

(1)在温度、列车垂向荷载和横向荷载的作用下，在纵向轨枕与道床板的界面处产生较大的应力。在此应力的往复作用下，混凝土新旧界面处的裂纹将会不断扩展。

(2)纵向轨枕与道床板混凝土新旧界面处未开裂时，在列车垂向荷载和横向荷载作用下界面处的拉应力最大。

(3)随着裂纹深度的不断扩展，纵向轨枕与道床板混凝土新旧界面处的拉应力逐步增大。

(4)在温度、列车垂向荷载和横向荷载的作用下，轨枕的位移和钢轨扭转的角度很小，不会引起钢轨倾覆也不会影响运行平稳性和行车安全性。

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The Influence of Cracks in Longitudinal Sleeper Ballastless Track Interface on Track Mechanical Performance

Liu Zhibin， Zhao Pingrui， Hu Jia， Liu Guan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The change of longitudinal sleeper track structure ballastless to precast concrete longitudinal continuous support structure has made the structural stability an inevitable factor to be analyzed in the interface between precast sleeper and track slab with new and old concretes. In order to analyze the impact in the interface with new and old concretes on the overall structure， and provide reference for the longitudinal sleeper ballastless track design， a two-dimensional finite element modeling longitudinal sleeper Ballastless model is established for research. The results show that， around the interface between sleeper and slab， cracks may appear under train load and the effect of temperature change and develop quickly. Cracks in interface have a considerable impact on internal stress distribution in the track， and also certain impact on rail twisting．

Ballastless track; Interface with new and old concretes; Longitudinal crack ; Rail twisting

2014-01-13；

：2014-02-18

国家自然科学基金项目(51008258)；中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU12CX065)

刘志彬(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：1006753987@qq.com。

1004-2954(2014)10-0047-04

U213.2+44

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.012