单元双块式无砟轨道道床板温度翘曲变形的影响研究

付　娜，刘　钰，李成辉

(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)



单元双块式无砟轨道道床板温度翘曲变形的影响研究

付娜，刘钰，李成辉

(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)

摘要:单元双块式无砟轨道中的道床板在温度梯度作用下会产生翘曲变形，可能对轨道几何形位产生不利影响，从而危害行车安全。采用有限元方法建立单元双块式无砟轨道计算模型，探索温度梯度作用下道床板的翘曲变形规律及其对轨道几何形位的影响。结果表明:在正温度梯度作用下，道床板的翘曲变形较大，可能危害高速行车安全，需采取措施进行控制;而在负温度梯度作用下，道床板的温度翘曲变形较小，可忽略。

关键词:双块式无砟轨道;温度梯度;翘曲变形;轨道几何形位

1　概述

图1　单元双块式无砟轨道结构

双块式无砟轨道结构广泛应用于高速铁路线路中，如我国的武广、郑西、兰新二线、西宝和合福高铁等，截止2014年双块式无砟轨道运营总里程达6 845 km［1］。常用的双块式无砟轨道为连续结构，即道床板沿线路纵向连续浇筑。考虑到连续结构的温度荷载问题，在大温差地区采用改进设计后的单元道床板结构。单元双块式无砟轨道结构由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板以及支承层组成，如图1所示。

经过多年运营，部分双块式无砟轨道开裂严重［2-3］，出现了较多病害，如道床板开裂、道床板上拱、道床板与支承层层间粘结失效，层间细颗粒析出等［4］。对于单元道床板，其在温度梯度作用下产生的变形受到约束后，道床板内会产生翘曲应力［5］。翘曲应力增大引起道床板开裂，列车动荷载在裂缝处的冲击作用也随之增大，造成更大的板内应力。道床板裂缝继续增大，向下传递至支承层，可能引起通缝导致轨道结构破坏，在列车动荷载作用下出现翻浆冒泥等病害。另外，在正负温度梯度交替作用下，道床板与支承层之间的界面受到拉压应力的交替作用，极可能破坏二者的相互粘结作用，导致新老混凝土界面出现分离，不利于轨道几何形位的保持，尤其是垂向几何形位。轨道几何形位的变化引起列车动力作用加剧，同时动力作用的增大又使得轨道几何形位恶化，形成恶性循环，最终导致轨道结构系统破坏。因此，温度梯度引起的温度翘曲对道床板轨道几何形位的不利影响亟待深入研究。

目前对于混凝土板温度翘曲的研究成果，主要集中在公路路面和高速铁路的板式轨道领域。对于双块式无砟轨道道床板温度翘曲方面的研究几乎没有，而由于其结构与前述二者的差异，又不能完全借鉴前述两者的研究成果，原因如下:(1)公路路面板尺寸较大，长宽比小，而双块式无砟轨道道床板的宽度小，长宽比较大，大板和细长板的温度翘曲变形规律差异大; (2)公路车辆对于路面几何形位的控制标准较低，而高速铁路由于车辆行驶速度快，对轨道几何形位的控制标准很高，受混凝土板温度翘曲变形影响的重要性差异大; (3)与CRTS I型轨道板相比，双块式道床板的长度、厚度均较大，温度翘曲的变形值更大。另外，当CRTSⅠ型轨道板发生温度翘曲变形时，其下弹性模量较小的CA砂浆填充垫层具有一定的调整作用，可在一定程度上降低轨道几何形位变化带来的不利影响，而双块式道床板其下无填充垫层，直接与支承层刚性接触，温度翘曲变形无法协调; (4)与CRTSⅡ型轨道板相比，双块式道床板下的凹槽主要提供道床板的纵、横向约束，在竖向上除自重外则无其余约束，温度翘曲变形量难以控制。然而CRTSII型轨道板纵连后，相邻板的约束和板下CA砂浆层的粘结作用极大限制了轨道板温度翘曲引起的几何形位变化［6-7］。本文采用有限元方法，对双块式道床板的温度翘曲变形规律进行了研究，并分析了其对轨道几何形位的影响。

2　计算模型及参数

为研究单元道床板的翘曲变形规律，采用实体单元模拟道床板、支承层和下部基础。采用弹簧单元模拟道床板板底凹槽约束。最大正温度梯度取100 ℃/m，最大负温度梯度取－50℃/m，并考虑重力作用。计算模型如图2所示。

图2　计算模型

模型采用以下假设:

(1)钢轨对道床板翘曲变形的约束作用较小［6］，可忽略，计算时不考虑钢轨和扣件;

(2)假设道床板板底凹槽只提供纵、横向限位作用，对道床板无竖向约束作用;

(3)计算时考虑道床板翘曲变形的最不利情况，假设道床板与支承层层间完全分离，并且假设层间摩擦力均匀分布;

(4)根据文献［6］的测试结果，气温对板式无砟轨道结构的影响主要作用在轨道板上。故计算时不考虑温度梯度作用对支承层的影响，温度梯度荷载只施加于道床板。

因此，模型采用以下边界条件:

(1)为消除边界条件，建立3块道床板长度的计算模型，取中间一块板进行分析;

(2)计算时道床板与支承层之间采用面面接触模拟，支承层与基础之间共用节点;

(3)基础底部节点施加全约束。

单元双块式无砟轨道结构模型中的具体参数见表1。

表1　双块式无砟轨道结构模型参数

3　计算结果分析

3.1负温度梯度

图3为道床板在负温度梯度作用下的翘曲变形图，由图3看出:在负温度梯度作用下，道床板变形呈中部下凹、四角上翘。图4为负温度梯度作用下道床板纵截面翘曲变形图，由图4看出:轨下最大翘曲变形为0.906 mm，板中最大翘曲变形为0.767 mm，板边最大翘曲变形为1.25 mm。图5为负温度梯度作用下道床板横截面翘曲变形图，由图5看出:板中最大翘曲变形为0.115 mm，板边最大翘曲变形为1.25 mm。

图4　负温度梯度作用下道床板纵截面翘曲变形曲线

图5　负温度梯度作用下道床板横截面翘曲变形曲线

分析可知:在负温度梯度作用下，道床板板边翘曲变形比板中大，轨下翘曲变形较大。道床板轨下最大翘曲变形为0.906 mm，对轨道几何形位有一定影响。根据文献［8］内容，轨道高低几何形位限值为2 mm。因此，在负温度梯度作用下，道床板翘曲变形引起的几何形位变化未超限，可以忽略。由文献［6，9］可知，当温度梯度为－50℃/m时，CRTSⅠ型轨道板最大翘曲变形为0.334 mm，CRTSⅡ型轨道板最大翘曲变形为1.0 mm。而单元道床板最大翘曲变形为1.25 mm。可见，在负温度梯度作用下，单元道床板翘曲变形与CRTSⅠ型轨道板、CRTSⅡ型轨道板翘曲变形差异较大。

3.2正温度梯度

图6为道床板在正温度梯度作用下的翘曲变形图，由图6看出:在正温度梯度作用下，道床板变形呈中间上拱、四角下翘。图7为正温度梯度作用下道床板纵截面翘曲变形图，由图7看出:轨下最大翘曲变形为2.57 mm，板中最大翘曲变形为2.87 mm，板边最大翘曲变形为1.81 mm。图8为正温度梯度作用下道床板横截面翘曲变形图，由图8看出:板中最大翘曲变形为2.87 mm，板边最大翘曲变形为0.364 mm。

图6　正温度梯度作用下道床板竖向位移云图

图7　正温度梯度作用下道床板纵截面翘曲变形

图8　正温度梯度作用下道床板横截面翘曲变形

分析可知:在正温度梯度作用下，道床板板边翘曲变形比板中小，轨下翘曲变形很大。道床板轨下最大翘曲变形为2.576 mm，超过了轨道高低几何形位限值，对轨道几何形位影响极大。因此，在正温度梯度作用下，单元道床板翘曲变形引起的几何形位变化超限，需要采取相应措施控制轨下翘曲变形。由文献［6，9］可知，当温度梯度为100℃/m时，CRTSⅠ型轨道板最大翘曲变形为0.593 mm，CRTSⅡ型轨道板最大翘曲变形为1.183 mm。而单元双块式道床板最大翘曲变形为2.87 mm。可见，在正温度梯度作用下，单元双块式道床板翘曲变形与CRTSⅠ型轨道板、CRTSⅡ型轨道板翘曲变形差异较大。

4　结论

(1)在最大负温度梯度作用下，单元道床板轨下最大翘曲变形为0.906 mm，对轨道几何形位影响未超限，可以忽略。在最大正温度梯度作用下，单元道床板轨下最大翘曲变形为2.57 mm，超过轨道几何形位限值，需要采取相应措施进行控制道床板翘曲变形。

(2)在负温度梯度作用下，板边翘曲变形比板中大。在正温度梯度作用下，板边翘曲变形比板中小。

(3)在相同正、负温度梯度作用下，单元道床板的翘曲变形比CRTSⅠ型轨道板、CRTSⅡ型轨道板的翘曲变形更大。

参考文献:

［1］万章博.CRTSI型双块式无砟轨道温度场特性试验研究［D］.成都:西南交通大学，2015.

［2］徐光鑫，杨荣山.双块式无砟轨道裂纹对道床板受力的影响分析［J］.铁道标准设计，2013(12):32-35.

［3］杨永明.CRTSⅠ型双块式无砟道床板裂缝成因分析及控制措施［J］.铁道标准设计，2015，59(4):17-23.

［4］韦有信.大温差地区路基上单元双块式无砟轨道结构设计及优化研究［D］.成都:西南交通大学，2014.

［5］黄卫，钱振东.高等水泥混凝土路面设计理论与方法［M］.北京:科学出版社，2000.

［6］刘钰.CRTSⅡ型板式轨道早期温度场特征及其影响研究［D］.成都:西南交通大学，2013.

［7］刘钰，赵国堂.CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间早期离缝研究［J］.中国铁道科学，2013，34(4):1-7.

［8］中华人民共和国铁道部.铁建设［2005］140号新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［9］王继军，尤瑞林，王梦，等.单元板式无砟轨道结构轨道板温度翘曲变形研究［J］.中国铁道科学，2010，31(3):9-14.

Study on Warping Deformation of Slab in Unit Twin-block Ballastless Track

FU Na，LIU Yu，LI Cheng-hui
(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Abstract:Warping deformation of track slab under the effect of temperature gradient may do some harm to track geometry and even endanger traffic safety.In this paper，the finite element method is adopted to establish a calculation model of unit twin-block ballastless track to explore warping deformation of the slab under the effect of temperature gradient and its impact on track geometry.Results show that large warping deformation of slab under positive temperature may endanger traffic safety and measures should be taken to control it.However，under negative temperature，warping deformation of slab is so small that it can be ignored.

Key words:Twin-block ballastless track; Temperature gradient; Warping deformation; Track geometry

作者简介:付娜(1983—)，女，博士研究生，E-mail:eliza2100 @ 163.com。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2013G004-B)

收稿日期:2015-06-12;修回日期:2015-08-04

文章编号:1004-2954(2016) 03-0016-03

中图分类号:U213.2+44

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.004