桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝开裂对纵连钢筋受力特性的影响

黄河山,曾 毅,徐光鑫,任娟娟

(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)

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝开裂对纵连钢筋受力特性的影响

黄河山,曾 毅,徐光鑫,任娟娟

(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)

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构作为一种纵连板式轨道结构,通常采用6根精轧螺纹钢筋实现轨道板的纵向连接；但因外部荷载作用易造成宽接缝新老混凝土连接处发生开裂,轨道板内部纵连钢筋应力重新分布,有可能会威胁到钢筋的正常工作。基于有限单元法,运用单元生死技术,建立不同宽接缝开裂状态(完全开裂或未开裂)下含预应力钢筋的桥上CRTSⅡ型板式轨道结构计算模型,研究不同外部荷载作用对纵连钢筋受力性能的影响。结果表明：宽接缝开裂会导致宽接缝位置处钢筋应力的突变；整体温降对钢筋应力的影响最大,降温幅值过大甚至会导致钢筋屈服破坏；正温度梯度对钢筋应力影响较大,会导致宽接缝开裂处钢筋应力的大幅降低；而负温度梯度和列车荷载作用下,宽接缝处钢筋应力变化均不明显。

CRTSⅡ型板式无砟轨道；宽接缝；纵连钢筋；有限单元法

为适应高速铁路的快速发展，我国通过引进、消化、吸收、再创新，形成了具有我国特色的成套无砟轨道系统技术，CRTSⅡ型板式无砟轨道技术便是我国在对国外无砟轨道技术加以改进的基础上形成的无砟轨道系统。CRTSⅡ型板式无砟轨道采用纵连结构，轨道板间通过6根精轧螺纹钢筋纵向连接，轨道板之间设置宽接缝[1-2]。路基和隧道区段下部基础为无配筋的支承层结构，桥梁区段设置钢筋混凝土底座板；底座板和桥面之间设置滑动层，以减小桥梁和轨道结构间的相互影响。因宽接缝处存在着新老混凝土结合的问题较易出现混凝土开裂，势必会减弱纵连钢筋和轨道板之间的协同工作；特别当宽接缝完全开裂时，混凝土完全退出工作，应力完全由6根纵连钢筋承担，对纵连钢筋的受力产生不利影响，严重时甚至可能导致纵连钢筋的屈服破坏。

1 桥上纵连板式无砟轨道有限元模型

为全面反映桥上纵连板式轨道结构各部件间的相互作用关系，本文参考弹性地基梁体理论，采用有限元法，针对不同的宽接缝开裂形式(宽接缝完全开裂或未开裂)，建立含宽接缝开裂破坏的桥上CRTSⅡ型无砟轨道计算模型，如图1所示。

图1 桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道计算模型

桥上纵连CRTSⅡ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、轨道板、高弹模砂浆层、底座板等组成，为消除边界效应选取4块轨道板进行模拟计算，并取中间2块轨道板为研究对象[3-5]。钢轨采用点支撑梁模拟，弹性扣件则等效为考虑垂向和纵向阻力的弹性元件；轨道板、砂浆层同底座板均参照实际尺寸进行实体建模；轨道板内部纵向的6根精轧螺纹钢筋为预应力钢筋，每根预加应力50 kN[6-7]。模型假定砂浆层同上下层的粘接性能完好；同时为简化模型，利用桥梁支承面刚度来模拟桥梁的支承作用，桥面与底座板间通过纵横向弹簧单元连接；梁缝与轨道结构间的固结机构等效为线性弹簧单元。桥上纵连CRTSⅡ型板式无砟轨道实体有限元模型如图2所示。

图2 桥上纵连CRTSⅡ型板式无砟轨道实体有限元模型

模型涉及的主要参数为：钢轨为CHN60轨；扣件垂向阻力刚度取2.5×107N/mm，纵向阻力刚度取1.04×104N/mm；轨道板尺寸为6.45 m×2.55 m×0.2 m，按C50混凝土计；高弹模砂浆层厚度为30 mm，弹性模量取值7 000 MPa；底座板宽3.25 m，高0.3 m，按C40混凝土计；纵连精轧螺纹钢筋直径20 mm，弹性模量取值2.05×105MPa；桥梁支承面刚度取值1 000 MPa/m；滑动层摩擦系数取0.25。

2 计算荷载同工况的选择

2.1 温度荷载和列车荷载取值

由于无砟轨道的热传导性差和气温变化的复杂性，无砟轨道内的温度分布并非始终保持均匀。轨道结构沿厚度方向较易出现温度差或温度梯度，致使轨道板发生翘曲变形或翘曲应力。参考无砟轨道最大温度梯度推荐值，分析采用常用温度梯度，即轨道板正温度梯度取45 ℃/m，负温度梯度取22.5 ℃/m，板厚修正系数为1.05；沿轨道板厚度方向逐层施加温度梯度荷载。

列车荷载作为无砟轨道主要承受的荷载形式，一般分为设计轮载和准静态检算轮载。其中，设计轮载取为静轮载的3倍或300 kN，常用轮载取为静轮载的1.5倍或150 kN。对于正常的轨道结构，单独考虑列车竖向轮载作用时，按设计轮载取值；对于列车荷载与其他荷载形式叠加作用时，采用常用轮载150 kN进行取值，按单轴双轮加载。

同时除温度梯度和列车荷载外，整体温度作用对连续式CRTSⅡ型无砟轨道亦将产生较不利的影响。整体温度变化时轨道结构同纵连钢筋产生伸缩变形，宽接缝处新老混凝土因伸缩量的不同可能出现开裂的进一步破坏[8-9]。升温时宽接缝处裂缝受压而闭合，相反降温时裂缝受拉而扩大；根据考虑不利荷载的原则，选择整体降温作为计算工况。

2.2 计算工况

理论研究表明，宽接缝处因新老混凝土共同服役过程中性能的差异较易产生混凝土的开裂现象，且开裂的位置及开裂程度同施工质量、列车荷载及复杂的外界环境有关。依据开裂的最不利情况，在有限元模拟计算中假定宽接缝沿纵横向完全开裂贯通，并且仅考虑宽接缝处混凝土完全开裂和未开裂两种情况。根据2.1节的分析结果，主要考虑温度梯度、整体降温和列车荷载的作用下，两种宽接缝开裂形式对纵连钢筋受力特性的影响。具体工况如下。

工况一：轨道整体降温，降温幅值从5 ℃逐级递增至30 ℃，步长为5 ℃。

工况二：考虑温度梯度荷载，分正温度梯度作用和负温度梯度作用。

工况三：考虑列车荷载，作用在中间宽接缝右侧的第一个扣件处。

3 各荷载工况下纵连钢筋受力情况

3.1 整体降温对纵连钢筋的影响

一般来说，宽接缝发生开裂后开裂处混凝土同钢筋的协同工作能力削弱，纵向连接的6根钢筋受力状态复杂化，对钢筋的受力特性产生较不利的影响[10]。为便于分析整体降温作用对纵向钢筋受力特性的影响，选定中间两块轨道板内的某一根纵连钢筋，比较宽接缝完全开裂或未开裂时纵连钢筋受降温作用影响的应力变化情况，计算结果如图3所示。

图3 纵连钢筋应力分布

由图3可知，随着降温幅度的增大，纵连钢筋应力也相应提高。在宽接缝未开裂时，钢筋应力分布均匀，降温5 ℃将导致钢筋应力上升10 MPa左右；宽接缝开裂后，在宽接缝开裂处，钢筋应力有了明显变化，表现在宽接缝开裂处钢筋应力显著上升，宽接缝开裂处周围钢筋应力有所下降。在降温5 ℃的情况下，宽接缝开裂使得纵连钢筋的最大应力由169.54 MPa突增至200.53 MPa，增幅达31 MPa；在降温10 ℃的情况下，宽接缝开裂使得纵连钢筋最大应力由180.3 MPa突增至243.49 MPa，增幅达63 MPa。由此可见，随着降温幅度的增大，宽接缝开裂对宽接缝处钢筋应力的影响也越来越大。越靠近板中位置，宽接缝开裂对钢筋应力的影响越小。

同时，由图3可见，在宽接缝开裂位置处钢筋应力发生突变，分析其原因，是由于在宽接缝未开裂时，混凝土和钢筋协同工作，整体温降导致的内部应力由钢筋和混凝土共同承担；但是在宽接缝处混凝土开裂后，整体温降导致的内部应力在宽接缝开裂处将完全由纵连钢筋承担，混凝土则退出工作；而在远离宽接缝开裂处的板中位置，混凝土与钢筋仍然能够较好地协同工作，表现为在板中位置钢筋应力变化较小。

此外，为比较不同降温幅值对纵向钢筋受力特性的影响作用强弱，提取宽接缝开裂位置处的钢筋应力，如图4所示，宽接缝开裂后，随着温降幅值的增大，钢筋应力快速上升，在温降幅值达30 ℃时，应力已超过425 MPa，已逼近纵连精轧螺纹钢筋的屈服强度500 MPa。在宽接缝未开裂时，钢筋应力随温降幅值增大上升趋势相对缓慢。

图4 宽接缝开裂前后宽接缝位置处的钢筋纵向应力

3.2 温度梯度对纵连钢筋的影响

在温度梯度作用下，轨道板会发生翘曲，翘曲表现为自由边的上翘或者下翘。在宽接缝未开裂时，自由边有两个，其翘曲形式如图5(a)所示，此种翘曲形式由于与纵连钢筋平行，对纵连钢筋应力影响不大；宽接缝贯通开裂后，轨道板的自由边增加至4个，其翘曲形式如图5(b)所示，由于纵连钢筋设置在轨道板中性轴位置，此种翘曲形式对于板中钢筋影响较小，但是在宽接缝开裂位置处，轨道板的上翘或是下翘必然会导致纵连钢筋在此处受剪，从而导致钢筋应力发生变化。提取中间两块轨道板处一根钢筋的应力，其应力变化如图6所示。

图5 宽接缝开裂前后轨道板的翘曲变形

图6 温度梯度作用下纵连钢筋应力分布

由图6可见，正温度梯度作用下，宽接缝的开裂导致宽接缝开裂位置处钢筋应力的显著下降，其应力值由未开裂时的161 MPa降至92 MPa；在宽接缝开裂位置周围，钢筋应力有所上升，这是由于宽接缝开裂位置处钢筋释放的应力向周边转移的结果；在板中位置处，钢筋应力几乎和宽接缝开裂前相等。在负温度梯度作用下，宽接缝开裂对钢筋应力的影响相对较小，但是在宽接缝开裂处，钢筋应力也有一定程度下降，由159 MPa降至157 MPa。在宽接缝未开裂的情况下，钢筋应力较为均匀，正温度梯度时的钢筋应力要略大于负温度梯度时。由此可见，正温度梯度对于纵连钢筋的影响要大于负温度梯度。

3.3 列车荷载对纵连钢筋的影响

如前所述，列车荷载按单轴双轮加载，按常用轮载150 kN取值，加载点位于中间宽接缝右侧第一扣件位置处。在列车荷载作用下，提取中间两块轨道板内部一根纵连钢筋的应力，宽接缝开裂对纵连钢筋应力分布的影响如图7所示。

图7 纵连钢筋应力分布

由图7可知，宽接缝开裂时，宽接缝处钢筋应力出现了小幅下降，由158.5 MPa将至155.5 MPa左右，同时宽接缝开裂位置周边钢筋应力也出现了一定程度的上升。从图7中宽接缝未开裂时的钢筋应力分布曲线看出，列车荷载作用下，在荷载作用点正下方的钢筋应力也出现了下降，列车荷载导致轨道板内部钢筋应力分布不均。但是，无论宽接缝开裂与否，列车荷载作用均不至于影响纵连钢筋的正常使用。

4 结论

针对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝处发生开裂后纵向钢筋的受力特性进行了研究，分析了不同荷载情况对纵向钢筋的受力的影响。主要得到如下结论。

(1)综合对比整体温降、温度梯度和列车荷载作用对纵连精轧螺纹钢筋受力性能的影响，整体温降的影响最大。在整体温降工况下，宽接缝开裂处的纵连钢筋应力随着温降幅值的增大而显著上升。

(2)在宽接缝开裂位置处，由于宽接缝贯通开裂，纵连钢筋在此位置承受所有外力，所以宽接缝开裂处纵连钢筋的应力会发生突变，如在降温5 ℃的情况下，宽接缝开裂使得纵连钢筋的最大应力由169.54 MPa突增至200.53 MPa，增幅达31 MPa。在整体温降工况下，纵连钢筋在宽接缝开裂位置的应力增幅较大，在整体温降不超过30 ℃时，其应力尚不至于超过纵连钢筋的屈服强度；在温度梯度和列车荷载工况下，纵连钢筋在宽接缝开裂位置的应力均有所下降。

(3)宽接缝的开裂并不会影响无砟轨道结构的整体正常使用，但是宽接缝的开裂必然导致纵连钢筋锈蚀速度的加快，宽接缝开裂区域也成为薄弱区域，会对轨道结构的耐久性产生较大影响。

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Effect on longitudinally Continuous Reinforcing Bars’ Mechanical Property Caused by the Cracking at Wide Juncture of CRTS-Ⅱ Slab Ballastless Track on Bridge

HUANG He-shan, ZENG Yi, XU Guang-xin, REN Juan-juan

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

CRTS-Ⅱ slab ballastless track belongs to longitudinally continuous slab-type track structure, and the slabs are usually connected by 6 finish-rolled thread reinforcing bars. However, under the action of external loads, the interface between new and old concrete of wide juncture tends to crack. Subsequently, the cracking will cause stress redistribution of the slab’s longitudinally continuous reinforcing bars, posing a threat to the normal work of the reinforcing bars. Based on finite element method and using element birth-death technology, the paper established a calculation model of CRTS-Ⅱ slab ballastless track on bridge containing prestressed reinforcing bars under the different crack conditions (complete cracking or non-cracking) at the wide juncture, and then researched the influence on the longitudinally continuous bar’s mechanical property caused by different external loads. The research results show that: (a) The cracking at the wide juncture would cause abrupt stress changing of reinforcing bars. (b) Structure’s overall temperature drop has greatest influence on the stress state of reinforcing bars, and if the magnitude of temperature drop is too large, the yield failure will even occur in the reinforcing bars. (c) Positive temperature gradient has greater influence on the stress of reinforcing bars, causing considerable stress decreasing of the reinforcing bars at the cracked location of the wide juncture. (d) Under the actions of negative temperature gradient and train load, there is no significant stress changing of reinforcing bars at the wide juncture.

CRTS-Ⅱ slab ballastless track; wide juncture; longitudinally continuous reinforcing bars; finite element method

2013-06-14；

：2013-06-28

铁道部科技开发计划重大项目(2011G002，2011G001-1)；国家自然基金(51208438)；高等学校博士学科点专项科研基金(20100184120021)；中央高校基本科研业务费专项资金科技创新项目(2682013CX046)

黄河山(1989—)，男，硕士研究生，E-mail:235818364@qq.com。

1004-2954(2014)02-0033-04

U213.2+44

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.009