严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场及变形研究

赵　勇，司道林，姜子清，王继军，李　慧

（1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081；3.铁道第三勘察设计院有限公司，天津　300142）



严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场及变形研究

赵勇1，2，司道林1，2，姜子清1，2，王继军1，2，李慧3

（1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081；3.铁道第三勘察设计院有限公司，天津300142）

摘要通过对哈大线TJ-Ⅱ标和TJ-Ⅲ标路基段及桥梁段CRTSⅠ型板式无砟轨道温度梯度及变形的观测，获得严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场。通过对该区段轨道板翘曲变形的调研发现砂浆充填层灌注质量的关键在于时机选择，圆曲线地段曲线外侧灌注质量尤为重要。采用有限元方法建立CRTSⅠ型板式无砟轨道模型，通过改变板厚及温差条件，对比分析了轨道板的翘曲规律。分析结果表明：随着温差的增大，翘曲值呈线性增大；相同温差作用下，轨道板厚度越大，翘曲值的增长速率越大。

关键词严寒地区；CRTSⅠ型板式无砟轨道；温度场；变形

温度荷载是无砟轨道的主要荷载之一，对无砟轨道结构的强度和稳定性有重要影响。无砟轨道设计时，轨道板的温度变化主要包括两个方面：一是轴向温度，即轨道板整体的温度升降，使得轨道板发生整体的伸缩；二是温度梯度，即轨道板沿厚度方向的温度变化，使得轨道板发生一定程度的翘曲［1-2］。

轨道板为混凝土结构，热传导性能差。无砟轨道结构直接暴露在大气中，混凝土在太阳辐射下，轨道板表面温度迅速上升，而结构内部大部分区域仍处于原来的温度状态［3-4］，从而使轨道板出现“上热下冷”；同样，在环境温度下降时轨道板表面温度迅速下降，使轨道板出现“上冷下热”。由于受重力作用以及钢轨和扣件系统的约束作用，轨道板在温度梯度荷载作用下其翘曲变形较为复杂［5-7］。本文针对哈大线TJ-Ⅱ标和TJ-Ⅲ标部分区段CRTSⅠ型板式无砟轨道轨道板的温度梯度及变形进行观测，并对所观测地段轨道板与砂浆充填层间的离缝现象进行调研。

1　现场观测及调研分析

1. 1哈大线TJ-Ⅱ标

选取路基地段砂浆灌注饱满处轨道板进行温度作用下轨道板翘曲变形情况观测。位移及温度测点布置如图1所示，观测结果如表1～3和图2～5所示。

图1　轨道板位移及温度测点布置

表1　轨道板翘曲位移统计mm

由以上图表可知，轨道板在1 d内由于气温变化在板内形成温度梯度，导致板表和板底之间“上冷下热”或“上热下冷”，由此引起轨道板翘曲变形。由于板底受砂浆填充层的约束作用，其下沉位移值较小，主要表现为4个板角的上翘变形。将1 d内轨道板上翘量和下沉量的总和定义为轨道板1 d内的位移变化

量，不同位置的最大值分别为轨道板板角处1. 26 mm和轨道板长边中心处0. 25 mm，且轨道板板角比板中的位移变化速度快，主要原因是由于混凝土热传导性能差，轨道板板角和大气接触且无周边约束。轨道板顶面与底面间温差最大值为上冷下热时-10. 6℃（西侧，上午6：00），上热下冷时9. 8℃（板中，上午10：00）。

表2　轨道板温度变化统计℃

表3　轨道板温差及气温变化统计　℃

图2　轨道板翘曲值随时间变化

图3　轨道板温度随时间变化

图4　轨道板温度梯度随时间变化

图5　气温随时间变化

对位于直线地段的八宝屯特大桥前50跨简支梁上共247块轨道板的现场观测发现：

1）阴天时（温差较小，可以排除板的翘曲变形影响），轨道板和砂浆离缝量为：A配方砂浆充填层区段4％，B配方砂浆充填层区段6％。

2）晴天低温时段，轨道板和砂浆离缝量为：A配方砂浆充填层区段16％，其中钢板尺插入深度＞20 cm的为4. 5％左右；B配方砂浆充填层区段26％，其中钢板尺插入深度＞20 cm的为14. 5％左右。

对南英城特大桥206～213跨梁上共104块轨道板，采用钢板尺对板角插入进行排查，发现其中6块板可以插入10 cm左右，占排查板总数的5. 7％左右。

对田家村特大桥48～69跨梁上共308块轨道板（B配方砂浆，曲线半径10 000 m，超高115 mm）进行排查发现：晴天低温时段，离缝量为22％；受轨道板侧面凃刷防护漆的影响，其量值较直线地段略小。离缝现象主要发生在圆曲线地段的曲线外侧。

1. 2哈大线TJ-Ⅲ标

选取路堑地段砂浆灌注饱满处轨道板进行观测。位移及温度测点布置如图6所示。观测结果如表4～表6和图7～图10所示。由以上图表可知，轨道板最大上翘值为1. 16 mm，轨道板顶面与底面温差最大值为上冷下热时- 10. 2℃，上热下冷时7. 2℃。

图6　位移及温度测点布置

表4　轨道板翘曲位移统计mm

表5　轨道板温度变化统计℃

表6　轨道板温差及气温变化统计　℃

图7　轨道板温度随时间变化

图8　轨道板翘曲位移随时间变化

图9　轨道板温度梯度随时间变化

图10　气温随时间变化

对直线地段路堑共122块轨道板现场排查发现：晴天低温时段，钢板尺插入深度＞10 cm的为92. 6％；晴天高温时段，钢板尺插入深度＞10 cm的为27. 8％。

对施家特大桥大连端半径7 000 m，超高140 mm的曲线上共154块轨道板现场排查发现：晴天低温时段，曲线外侧离缝量为64. 3％，曲线内侧离缝量为48. 1％；晴天高温时段，曲线外侧离缝量为2％，曲线内侧离缝量为2％。离缝现象在圆曲线和缓和曲线地段均有发生，其中曲线内侧离缝主要发生在缓和曲线上。

2　轨道板温度翘曲变形研究

根据CRTSⅠ型板式无砟轨道的特点，采用直接有限单元法，系统分析温度变化幅度对轨道板温度翘曲变形的影响规律。

模型中轨道板、砂浆充填层及底座板采用实体单元；钢轨用梁单元模拟；扣件用垂向和纵向弹簧模拟；轨道板和砂浆充填层之间采用接触单元处理［8-10］。计算基本参数按照哈大客运专线CRTSⅠ型轨道板的有关设计选取；砂浆弹性模量为300 MPa，板下无胶垫，砂浆充填层厚度为50 mm；扣件采用WJ-7型扣件，橡胶垫板垂向刚度30 kN/mm，纵向刚度9 kN/mm。

2. 1计算工况

计算中考虑3种工况：

工况1，上冷下热，考虑整个铁垫板区域刚化；

工况2，上冷下热，考虑1 /2铁垫板区域刚化；

工况3，上冷下热，不考虑铁垫板区域刚化。

每种工况均分别计算150，200，250，300 mm 4种板厚在10，15，20℃3种板底与板面温差作用下轨道板的翘曲变形。

2. 2轨道板翘曲区域分析

在温度荷载作用下，轨道板产生翘曲变形，当板面温度低于板底时，板端、板边向上翘曲，板中则由于砂浆压缩产生反向变形。图11描述了板厚为150 mm、温差为20℃情况下轨道板的翘曲变形，经上述3种工况分析可知，此情况下轨道板的翘曲变形最为显著；由图11（a）中的位移云图可以看出，板角的翘曲量最大。图11（b）中的等值线（具有相同翘曲量位置点的连线）说明了温度载荷作用下轨道板产生的翘曲变形的形状。产生相同翘曲量的点连线后呈椭圆形，椭圆长轴、短轴分别与板长、板宽成比例，以下将着重分析个各等值线所形成区域的大小。

结合对哈大线轨道板翘曲量的现场调研，针对上述3种工况，对厚度为200 mm轨道板的翘曲区域及翘曲量进行分析。以图11所示的某一等值线A为例，说明等值线的含义为：等值线内部区域的翘曲量小于A，外部区域的翘曲量大于A。为定量描述等值区域，将轨道板划分6个等值区域，以等值线距板边和板端的最小距离描述翘曲区域。

在上述3种工况下分析发现，当翘曲值较小时，等值线呈完整椭圆形，随着翘曲值的增大，椭圆短轴首先达到极值，换言之，等值线距板边的距离首先达到0值；之后，等值线由椭圆状变为半圆形，向板端扩展；至板端后，等值线近似为一圆弧线，最终扩展至板角，由此亦说明板角的翘曲值最大。当等值线扩展至板边和板端后，板角等值线所包含的区域较小，由轨道板的最大翘曲值代表板角区域的翘曲值。

图11　轨道板翘曲位移

图12对比分析了各工况下，不同温差作用下翘曲区域分布。图12（a）中描述了工况1在3种温差作用下等值线距板端的距离，随着温差的增大，同值等值线所形成的区域越小；图12（b）描述了同一温差（10℃）作用下3种工况所形成的等值线分布，产生相同翘曲值时，由于铁垫板的约束作用，工况1所形成的区域最大，工况2次之，工况3最小。

图12　翘曲区域对比分析

3　结语

通过以上分析，对CRTSⅠ型板式无砟轨道温度场及变形得出如下结论：

1）轨道板顶面与底面间温差最大值为上冷下热10. 6℃，上热下冷9. 8℃。

2）轨道板1 d内的位移变化量，其最大值分别为轨道板板角处1. 26 mm，轨道板长边中心0. 25 mm，且轨道板板角比板中的位移变化速度快，量值较大。

3）轨道板在负温度梯度作用下，板角处存在一定离缝现象，因此应注意砂浆充填层的灌注时机，尽量选取轨道板温度梯度较小时灌注；与直线地段相比在圆曲线地段的曲线外侧离缝比例略大，因此应注意曲线地段砂浆充填层的灌注品质。

4）各种板厚条件下轨道板翘曲值的变化规律一致；随着温差的增大，翘曲值呈线性增大；相同温差作用下，轨道板厚度越大，翘曲值的增长速率越大。

5）板面与板底温差对轨道板的翘曲起着决定性作用；随着铁垫板处刚化区域面积的减小，温差作用愈加明显，轨道板翘曲量不断增大。

6）随着温差的增大，轨道板翘曲位移同值等值线所形成的区域越小。

参考文献

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（责任审编周彦彦）

Study on Temperature Field and Deformation of CRTSⅠSlab-type Ballastless Track in Severe Cold Area

ZHAO Yong1，2，SI Daolin1，2，JIANG Ziqing1，2，WANG Jijun1，2，LI Hui3
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China；3. The 3rd Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300142，China）

AbstractT hrough the observation of temperature gradient and deformation of CRT SⅠslab-type ballastless track structure between T J-Ⅱand T J-Ⅲsubgrade section and bridge section in Harbin-Dalian line，the temperature field of CRT SⅠslab-type ballastless track in severe cold area was obtained. Based on the investigation of track slab warping deformation in these sections，the key of mortar filling layer perfusion quality is the timing and lateral perfusion quality for circular curve section is especially important. CRT SⅠslab-type ballastless track model was established by FEM method and the warping law of track slab was analyzed by changing the slab thickness and the temperature difference. T he results show that warping value increases linearly with the increase of temperature difference，and the growth rate of warping value increases with the track slab thickness increasing under the same temperature difference.

Key wordsSevere cold area；CRT SⅠslab-type ballastless track；T emperature field；Deformation

中图分类号U213. 2+42；U213. 2+44

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 11

文章编号：1003-1995（2016）05-0047-06

收稿日期：2016-03-10；修回日期：2016-04-05

基金项目：中国铁路总公司科技开发计划（Z2013-G001；2014G001-A）

作者简介：赵勇（1983—），男，助理研究员。