应用快修砂浆修补CRTSⅠ型板式轨道充填层后轨道结构受力及行车安全评估

邓非凡，刘观，王涛，赵坪锐

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031; 2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

应用快修砂浆修补CRTSⅠ型板式轨道充填层后轨道结构受力及行车安全评估

邓非凡1，刘观1，王涛2，赵坪锐1

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031; 2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

CA砂浆层作为板式轨道的一个重要部件，具有支承、调整与缓冲等功能，在自然环境和列车荷载的共同作用下，容易产生伤损。快修砂浆作为一种修补伤损CA砂浆层的材料，需满足在天窗时间内完成修补并达到安全通车条件的要求。基于弹性地基梁体模型和轮轨系统动力学原理，建立了CRTSⅠ型梁体有限元模型和车辆—轨道垂向耦合动力学模型，从轨道结构静力及动力性能两方面对快修砂浆修补后的轨道结构进行了评价。结果表明，砂浆层最大垂向压应力为349.5 kPa，轮对和转向架的加速度最大值分别为7.53g和0.43g，均在限值范围内，轨道结构的安全性和列车运行安全性可得到保证。

CRTSⅠ型板式轨道 快修砂浆 温度梯度

CRTSⅠ型板式轨道具有结构简单、传力机理明确、施工快捷、维修方便等特点，在国外高速铁路上均有较多的铺设实践，在我国哈大、广珠等线路上得到了应用［1］。CRTSⅠ型板式轨道由钢轨、联结件(扣件和胶垫)、轨道板(框架型或平板型)、CA砂浆层、底座板、凸台和基床等组成［2-3］。CA砂浆层作为介于轨道板与底座板之间的一种调整、缓冲材料，在列车荷载与环境共同作用下容易产生损伤，若不及时修复，将对轨道的使用寿命及服役性能产生影响。快修砂浆强度可在有限的天窗时间内快速增长到0.2 MPa，满足尽快通车的要求。不利情况下，无砟轨道需进行抬板维修，全面更换板底砂浆，由于快修砂浆和普通砂浆存在的弹性模量差异，将对轨道结构的静、动力性能造成不利影响，需对快修砂浆维修后的板式轨道结构与列车运行安全性进行评价。

1 计算模型与参数

基于弹性地基梁体理论［4］建立CRTSⅠ型板式轨道梁体模型，如图1所示。其中钢轨采用梁单元模拟，轨道板、底座板、CA砂浆层采用实体单元模拟，扣件及基础采用线性弹簧模拟。由于砂浆层采用袋装施工，与上下的轨道板、底座板无黏接，其间界面处理为接触关系，摩擦系数取为0.3［5］。

在CRTSⅠ型板式轨道结构中，除列车荷载外，温度梯度也会引起轨道板翘曲［6］，影响CA砂浆层的受力状态，因此本文主要考虑列车荷载与温度梯度两种作用。参照《高速铁路设计规范》［7］，列车荷载取150 kN，温度梯度取45和－22.5℃/m。

图1 CRTSⅠ型板式轨道实体有限元模型

2 快修砂浆对轨道结构受力的影响

2.1 列车荷载单独作用

对于三块轨道板长度的板式轨道有限元模型，取中间板块为对象进行研究，板底填充快修砂浆。由于轨道板不连续，荷载作用于不同位置时的轨道结构应力反应并不相同，采用遍历加载的方式依次将轮载施加于中间板的扣件上方，如图2所示，其中快修砂浆弹性模量取为120 MPa，正常状态下CA砂浆弹性模量分别取200和300 MPa。

列车荷载单独作用时轨道板和砂浆层应力如图3所示。可见随砂浆弹性模量的增加，轨道板纵向拉应力(σZ)、横向拉应力(σH)最大值逐渐减小，纵向拉应力为中间大板端小。采用快修砂浆时，σZ，σH较正常状态下CA砂浆弹性模量为200，300 MPa时分别增加4.7%，8.6%和2.3%，5.3%，但均未超过混凝土的极限抗拉强度。板端位置处由于轨道板不连续，存在一定的突增现象，故板端部位CA砂浆更易受损。砂浆垂向压应力(σCA)随砂浆弹性模量的增加而增大，最大值依次为152.8，165.1和176.2 kPa，σCA小于正常状态的垂向压应力。

图2 快修砂浆轨道结构示意

图3 列车荷载单独作用时轨道板和砂浆层应力

在路基不均匀沉降地段，需要抬高轨道板进行维修［8-10］。选取砂浆层厚度为5，10 cm两种工况分析砂浆厚度的影响。

不同快修砂浆层厚度时轨道板和砂浆层应力如图4所示。当砂浆层厚度由5 cm增加为10 cm时，σZ，σH均变小，但σZ减少幅度更大。σCA随其厚度的改变而发生较大的变化，最大值增幅为21.4%，表明砂浆厚度的增加不利于砂浆层受力的均匀分配，板边砂浆将承受更大的力，在疲劳荷载的作用下，板边砂浆更容易破坏。因此，CRTSⅠ型无砟轨道结构板下充填层厚度不宜过大。

图4 不同快修砂浆层厚度时轨道板和砂浆层应力

2.2 温度梯度和列车荷载共同作用

在正温度梯度作用下，轨道板中部将向上拱起，由于自重的作用，其表面受压底部受拉。正温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层应力如图5所示。随砂浆弹性模量的增加，σZ最大值分别减小2.05%和3.52%;σH最大值分别增加1.55%和2.33%，但二者均与正常情况相当。σCA随砂浆弹性模量的增加而增加，最大值增幅为13.9%和11.1%，其变化率在逐渐减小，不会影响行车安全。

图5 正温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层应力

在负温度梯度作用下，轨道板板边向上翘曲，而列车荷载的作用限制了轨道板的翘曲变形。负温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层应力如图6所示。随砂浆弹性模量的增加，σZ最大值分别减小3.2%，6.3%，σH最大值分别减小5.4%，10.7%，但二者均与正常情况相当。σCA随砂浆弹性模量的增加而增加，但其变化率逐渐减少且远小于正温度梯度和列车荷载共同作用时的压应力，因此不会影响行车安全。

图6 负温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层应力

3 快修砂浆对轨道结构动力特性的影响

基于轮轨系统动力学原理，结合车辆—轨道垂向耦合动力学理论［11］，利用前述建立的有限单元模型，建立用快修砂浆修复过的车辆—轨道垂向耦合振动模型［12］，研究快修砂浆对车辆及轨道动力特性的影响。

1)快修砂浆对车辆系统动力特性的影响

图7是行车速度V=350 km/h时，在德国低干扰不平顺谱激励下［13-14］，列车通过快修砂浆段前后时转向架、车体及轮对垂向振动加速度部分时程曲线对比。

由图7可见，当列车以350 km/h速度通过快修砂浆区域时，车轮和转向架的加速度最大值分别为7.53g和0.43g。由于车辆系统一系、二系弹簧的减振作用，此时车体垂向振动加速度仅为0.06g，并没有超过限值(0.13g)［15］。

2)砂浆伤损对轮轨垂向力的影响

轮轨垂向力主要取决于机车车辆性能、轨道结构状态、行车速度等。一般认为轮重增加和轮重减轻不仅加快车轮和轨道的破坏和疲劳，而且有诱发脱轨的危险［16］。图8是在不同行车速度作用下，列车通过快修砂浆区域前后时最大轮轨垂向力对比。快修砂浆区域垂向轮轨力略大于其他区域，并随速度的增加而增大，无论是快修砂浆区域还是正常区域，垂向轮轨力均低于允许限值(170 kN)。

3)快修砂浆对轨道动力特性的影响

图7 车辆各部分垂向加速度对比

图8 最大轮轨垂向力随行车速度的变化规律

在速度350 km/h和考虑轨道自重的情况下钢轨的位移和加速度的时程曲线分别见图9(a)、图9(b)。可见，快修砂浆区域的位移略大于正常轨道区域的钢轨位移。这是因为快修砂浆弹性模量较低，砂浆压缩位移较大的缘故。快修砂浆区域最大钢轨加速度略大于正常轨道区域，分别为29.59g和26.02g。

在扣件、砂浆采用具有线性刚度和阻尼的离散梁单元模拟的情况下，扣件垂向力和砂浆垂向动应力变化不大，正常轨道区域的扣件垂向力略大于快修砂浆区域，见图9(c)、图9(d)。扣件垂向力最大值分别为39.5和36.1 kN;砂浆垂向动应力最大值分别为0.058和0.057 MPa。

钢轨位移和砂浆压缩量与速度的关系见图10，由图可知，钢轨位移和砂浆压缩量均随时速的增加呈增大态势。快修砂浆区域由于砂浆强度较小，当列车通过时产生的动位移更大［17］，350 km/h时常态砂浆的压缩量为0.069 mm，而快修砂浆由于强度较小，压缩量为0.118 mm，较常态砂浆压缩量增大70%。

图9 轨道结构各部分参量时程曲线

图10 钢轨位移和砂浆压缩量与速度的关系

综上分析可得，快修砂浆对车辆和轨道的动力特性有一定的影响，但各个指标均在控制标准以内，对行车安全不会造成不利影响。

4 结论与建议

本文对采用快修砂浆修补后的CRTSⅠ型板式轨道静力和动力特性进行了分析，结论如下:

1)在温度梯度与列车荷载的组合作用下，快修砂浆所在的轨道板纵横向拉应力及砂浆垂向压应力均与正常情况相当，轨道结构安全性可得到保证。

2)当快修砂浆层厚度由5 cm增大至10 cm时，压应力虽未超限，但轨道板受力很不均匀，板边砂浆容易破坏，因此建议快修砂浆层不宜过厚。

3)在德国低干扰不平顺谱激励下，快修砂浆对轨道结构和车辆的各项动力特性指标的影响均没有超限，行车安全性不受快修砂浆修补的影响。

4)本文分析工况为极端条件下的全面维修。在局部维修工况下，将局部维修范围内的砂浆弹性模量取为快修砂浆，其余部位仍取CA砂浆，即可进行局部维修条件下的分析评价。

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Safety evaluation on CRTSⅠslab-type track structure and train running in using rapid repairing mortar measure

DENG Feifan1，LIU Guan1，WANG Tao2，ZHAO Pingrui1
(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 2.Metals＆Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As an im portan t part of CRT SⅠslab-type track，the CA m ortar layer has the functions o f supporting，ad justm ent，buffering and so on，w hich cou ld be in jured easily under the coup ling action of environm ent and train load.T he rapid repairing m ortar need to com p lete the repair in the sky ligh t tim e and m eet the safe traffic requirem en t as a kind of m aterial for repairing inju red CA m ortar layer.Based on the elastic foundation-beam solid m odel and wheel-rail system dynam ics theory，a CRT SⅠbeam solid finite elem en t m odel and vehicle-track vertical coup ling dynam ic m odel w as established，and the track structure after the repairing of rapid repairing m ortar was evaluated from such tw o aspects as the static and dynam ic perfo rm ance o f track structure respectively.Analysis resu lts showed that the m axim um vertical com pressive stress of m ortar layer is 349.5 kPa，the m axim um acceleration of w heel set and bogie are 7.53g and 0.43g w hich are w ithin the lim its，and the safety of track structu re and running stability could be guaran teed.

CRT SⅠslab-type track;Rap id repairing m o rtar;T em peratu re grad ien t

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.39

1003-1995(2015)06-0152-05

(责任审编李付军)

2014-10-30;

2014-12-20

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB036202);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G008-A，2014G001);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU12X065)

邓非凡(1992—)，男，湖南衡阳人，硕士研究生。