路基上CRTSⅡ型板式轨道纵向接缝损伤成因分析

苏成光，向　芬，胡　佳，牛　晨，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.重庆市轨道交通设计研究院，重庆　404100）



路基上CRTSⅡ型板式轨道纵向接缝损伤成因分析

苏成光1，向芬1，胡佳2，牛晨1，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.重庆市轨道交通设计研究院，重庆404100）

摘要基于混凝土塑性损伤本构关系建立路基上CRTSⅡ型板式轨道有限元模型，探讨温度荷载、层间状态、材料质量等对宽接缝处混凝土损伤的影响，分析宽接缝损伤产生的原因。结果表明：正常状态下，因混凝土材料极限抗拉强度较小，其受拉损伤程度远大于受压损伤程度；若轨道板与宽接缝混凝土粘结较好，则轨道板在降温荷载作用下会沿着“假缝”开裂，符合设计的初衷；当轨道板与砂浆层之间出现离缝时须及时修复，以免在温度荷载作用下加大宽接缝损伤；若宽接缝处混凝土强度下降，则轨道结构损伤明显增大，现场施工应保证宽接缝处的混凝土质量；轨道板与宽接缝之间的离缝病害会加剧轨道板与砂浆层层间离缝的发展，应及时修复。

关键词CRTSⅡ型板式轨道；纵向接缝；塑性损伤；离缝；假缝

截止到2015年底，我国高铁规模已达1. 9万km，居世界首位，达到世界高铁总运营里程的50％以上。目前我国高速铁路主要采用CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型板式无砟轨道和CRTSⅠ，CRTSⅡ型双块式无砟轨道结构形式［1］，其中京沪、京津、京杭、京石、宁杭、杭甬、杭长等高速铁路均采用CRTSⅡ型板式无砟轨道。由于我国幅员辽阔，气候复杂，无砟轨道结构的病害逐渐显现出来［2-4］。CRTSⅡ型板式无砟轨道常见的2种病害类型：宽窄接缝损伤（本文简称接缝损伤）和轨道板与砂浆层离缝，如图1所示。若不及时修复，会严重影响轨道结构的长期服役性能和耐久性。因此，探明轨道病害产生的原因并提出合理的设计与维修建议，是目前日益紧迫的课题。

徐浩等［5］针对CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂问题及修补材料对轨道板的影响进行了分析。黄河山［6］对CRTSⅡ型板式轨道“假缝”开裂的条件及开裂后对轨道结构受力的影响开展了研究。以上研究均采用线弹性模型，没有考虑混凝土材料的非线性特性。针对该现状，本文将混凝土塑性损伤引入有限元模型，探讨温度荷载、粘结方式、混凝土质量对CRTSⅡ型板式轨道宽接缝处混凝土损伤的影响，分析损伤产生的原因，为宽接缝设计及维修提供建议。

图1　CRTSⅡ型板式无砟轨道现场病害

1　CRTSⅡ型板式优化轨道塑性损伤有限元模型

无砟轨道产生损伤时，其构成材料已进入塑性损伤状态，应采用塑性损伤本构关系表征损伤部位混凝土的应力-应变关系。

1. 1混凝土塑性损伤本构关系

采用LEE等［7］提出的混凝土塑性损伤模型来描述混凝土的力学性能，该塑性损伤模型主要用于模拟低静水压力下由损伤引起的不可恢复的材料退化。

塑性损伤状态下的应变率分为弹性应变率和塑性应变率，即

应力-应变的关系式为

式中：σ为应力；d为刚度损伤变量，0≤d≤1，材料未损坏时，d = 0，材料完全损坏时为材料的初始（未损伤）弹性刚度；ε为应变；εpl为塑性应变。

混凝土材料的刚度退化可由2个独立的单轴损伤变量来描述，即拉伸损伤因子dt和压缩损伤因子dc，那么材料在单轴拉伸和压缩条件下的应力-应变关系分别为

式中：σt，σc分别为总拉、压应力；εt，εc分别为总拉、压应变分别为塑性拉、压应变。

1. 2计算参数及工况设置

在CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型中钢轨为CHN60轨，钢轨、扣件分别采用梁单元、弹簧单元，轨道板和底座板均采用实体单元。轨道板尺寸为6. 45 m×2. 55 m×0. 20 m，其中轨道板混凝土与宽接缝混凝土强度等级为C55，二者均采用混凝土塑性损伤表征本构关系，而支承层、砂浆层、钢筋等采用线弹性材料，路基支承面刚度为76 MPa/m。

通过调查分析［8］，张拉锁件、施工质量、温度荷载及轨道板与砂浆层的离缝均对接缝损伤有影响。本文通过设置轨道板与砂浆层粘结正常状态、轨道板与砂浆层全脱空、宽接缝混凝土质量不良（用C40混凝土参数代替C55混凝土）、接缝混凝土与轨道板间出现离缝这4种工况，对CRTSⅡ型板式无砟轨道接缝损伤的成因及其影响展开分析。

2　正常状态下结构损伤分析

参考文献［9］中温度取值方式，本文假设夏季升温情况时最大正温度梯度为80℃/m，沿轨道板垂向线性分布，轨道板上表面升温40℃；冬季降温情况时最大负温度梯度为- 40℃/m，沿轨道板垂向线性分布，轨道板上表面降温30℃。板厚修正系数均为1. 05。

1）夏季升温情况

夏季升温时，宽接缝混凝土在整体升温和正温梯共同作用下的损伤分布如图2所示。

图2　宽接缝混凝土在整体升温和正温梯共同作用下的损伤分布

由图2可知，宽接缝混凝土受压损伤位置比较集中，位于结构中部，受压损伤最大值为0. 1。与受压损伤相比，宽接缝混凝土的受拉损伤则十分明显，影响范围大，受拉损伤最大值为0. 92，可认为混凝土已经退出工作，不能继续承载。这与混凝土材料极限抗拉强度较小有关，受拉损伤程度远大于受压损伤程度。

2）冬季降温情况

冬季降温时，宽接缝混凝土在整体降温和负温梯共同作用下的损伤分布如图3所示。

图3　宽接缝混凝土在整体降温和负温梯共同作用下的损伤分布

由图3可知，轨道板在“假缝”处受拉损伤值为0. 92，可认为轨道板沿“假缝”全断面开裂。在轨道板与宽接缝混凝土粘结作用较强的情况下，宽接缝混凝土损伤较小，轨道板在降温荷载作用下沿着“假缝”开裂，符合设计的初衷［9］。但实际上轨道板与宽接缝粘结作用较弱，因此宽接缝与轨道板出现离缝破坏较“假缝”开裂严重。

3　轨道板与砂浆层粘结状态的影响分析

对轨道结构整体升温，在不同温度荷载作用下正常状态和离缝状态损伤如图4所示。

由图4可知，在2种状态下，宽接缝混凝土受压损伤均较小，几乎没有破坏。2种状态的受拉损伤值则随着温度的增加而快速增加，特别在离缝状态下，当温度达到30℃时，受拉损伤值就达到0. 92，混凝土材料已破坏。因此，当轨道板与砂浆层之间出现离缝时，应及时修复，以免在温度荷载作用下进一步加剧宽接缝的损伤。

图4　不同温度荷载下正常状态和离缝状态损伤

在相同层间粘结状态下，随着整体温度升高，宽接缝混凝土的损伤分布基本相同，只是损伤程度逐渐增加。本文主要选取整体升温30℃的损伤分布情况进行分析，正常状态和离缝状态受拉、受压损伤分布分别如图5、图6所示。

图5　正常状态和离缝状态受拉损伤分布

图6　正常状态和离缝状态受压损伤分布

由图5可知，整体升温30℃时，轨道板与砂浆层粘结正常状态下宽接缝混凝土受拉损伤最大值为0. 237，多分布在张拉锁件的上部。而在离缝状态下，受拉损伤最大值达到了0. 917，主要出现在中间2个张拉锁件的下方。一旦轨道板与砂浆层出现离缝，则在轨道结构升温时宽接缝混凝土容易出现拉伸损伤。

由图6可知，2种状态下的损伤均较小。说明在一般情况下，宽接缝混凝土抗压能力较强，不会出现受压破坏。

4　宽接缝施工质量不良时损伤分析

宽接缝处的混凝土是现场浇筑，若养护不足，则可能没有达到混凝土强度设计指标。为了研究宽接缝处混凝土强度对结构损伤的影响，假设在质量不良的状态下（下文简称低强状态），宽接缝混凝土强度等级为C40，分析层间粘结良好和层间离缝2种状态在整体升温50℃的作用时宽接缝处混凝土强度与损伤程度的关系。

4. 1层间粘结良好

层间粘结良好时，正常状态和低强状态受拉、受压损伤分布分别如图7、图8所示。

图7　层间粘结良好时正常状态和低强状态受拉损伤分布

由图7可知，2种状态下受拉损伤最大值均较大，低强状态下混凝土的受拉损伤最大值为0. 829，主要集中在宽接缝两端，其损伤范围比正常状态下范围更大。

图8　层间粘结良好时正常状态和低强状态受压损伤分布

由图8可知，受压损伤主要分布在宽接缝结构的上半部分，张拉锁件上部区域较多，不过数值均较小。但混凝土强度下降后，损伤明显增大。

4. 2轨道板与砂浆层离缝

层间离缝时，正常状态和低强状态受拉、受压损伤分布分别如图9、图10所示。

图9　层间离缝时正常状态和低强状态受拉损伤分布

图10　层间离缝时正常状态和低强状态受压损伤分布

由图9可知，2种状态的受拉损伤均较大，但低强状态下混凝土损伤破坏影响范围更大，现场施工应保证宽接缝处的混凝土质量。

由图10可知，正常状态下，混凝土的受压损伤集中在张拉锁件边缘，损伤值较小。而低强状态下，混凝土的受压损伤主要集中在窄接缝混凝土处，最大值达到0. 576。混凝土强度下降后，将明显增加窄接缝混凝土的受压损伤程度。

5　宽接缝与轨道板间离缝时的影响分析

本节假设宽接缝处混凝土与轨道板混凝土之间出现离缝，而轨道板与砂浆层粘结良好，研究在整体降温20℃时，宽接缝与轨道板离缝对轨道板损伤的影响。离缝时轨道板损伤分布如图11所示。

图11　离缝时轨道板损伤分布

由图11可知，轨道板的受压损伤值不大，主要集中在板端底部边缘处。但轨道板板端底部出现了大范围的拉伸损伤，受拉损伤最大值达到0. 917，受损严重。离缝时，在低温荷载作用下，轨道板的收缩主要依靠轨道板与砂浆层的粘结力抵抗，这样会加剧轨道板与砂浆层离缝的病害。因此，在宽接缝与轨道板出现离缝病害时应及时修复，避免轨道板与砂浆层等病害的产生。

6　结论与建议

本文通过对不同层间状态、宽接缝质量及宽接缝与轨道板离缝下的轨道结构损伤状况进行分析，主要得到以下结论，并给出相关建议。

1）正常状态下，因混凝土材料极限抗拉强度较小，受拉损伤程度远大于受压损伤程度。若轨道板与宽接缝混凝土粘结较强，则宽接缝混凝土损伤较小，轨道板在降温荷载作用下会沿着“假缝”开裂，符合设计的初衷。

2）轨道板与砂浆层在层间离缝状态下，当温度达到30℃时，受拉损伤就达到0. 92，混凝土材料已破坏。当轨道板与砂浆层间出现离缝时，要及时修复，以免在温度荷载作用下进一步加剧宽接缝的损伤。

3）轨道板与砂浆层层间粘结完好和离缝2种状态在宽接缝施工质量不良时损伤破坏均较大，现场施工应保证宽接缝混凝土质量。

4）轨道板与宽接缝间出现离缝时，在低温荷载作用下，轨道板的收缩主要靠轨道板与砂浆层的粘结力抵抗，这样会加剧轨道板与砂浆层层间离缝的病害。因此，在宽接缝与轨道板出现离缝病害时应及时修复，避免轨道板与砂浆层等病害的产生。

参考文献

［1］王永义.高速铁路板式无砟轨道施工技术［M］.北京：中国铁道出版社，2012.

［2］胡华洁，范诗建，夏松林，等.高铁无砟轨道结构病害与维修技术探讨［J］.低温建筑技术，2014，36（11）：149-151.

［3］楼梁伟，谢永江，辛学忠，等. CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板与宽接缝界面开裂研究［J］.铁道建筑，2015（1）：98-101.

［4］柴强.高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道养护维修技术研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2014.

［5］徐浩，谢铠泽，陈嵘，等. CRTSⅡ型板式轨道宽接缝开裂及修补材料对轨道板的影响分析［J］.铁道标准设计，2012 （7）：30-32，37.

［6］黄河山.桥上CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂及其影响研究［D］.成都：西南交通大学，2014.

［7］LEE J，FENVRS G L. Plastic-damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structure［J］. Journal of Engineering Mechanics，1998，124（8）：892-900.

［8］胡佳. CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝损伤行为研究［D］.成都：西南交通大学，2015.

［9］刘学毅，赵坪锐，杨荣山，等.客运专线无砟轨道设计理论与方法［M］.成都：西南交通大学出版社，2010.

（责任审编郑冰）

第一作者：苏成光（1989—），男，博士研究生。

Causes Analysis of Longitudinal Joint Damage of CRTSⅡSlab-type Track on Subgrade

SU Chengguang1，XIANG Fen1，HU Jia2，NIU Chen1，ZHAO Pingrui1
（1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute，Chongqing 404100，China）

AbstractBased on the concrete plastic damage constitutive，a finite element model of CRT SⅡslab-type track on subgrade was established to explore the influence of temperature，interface state and material quality on the concrete damage，and analyze the cause of longitudinal joint damage. T he results show that the ultimate tensile strength of concrete is small in normal state，the tension damage is much greater than the compression damage. If the bonding performance between the track slab and the longitudinal joint concrete is fine，the cracks of track slab will appear along the dummy joints under the cooling load，which meet the design requirements. W hen the gap between the track slab and the CA mortar layer appears，it should be repaired in time to avoid further damage of longitudinal joint. If the concrete strength of longitudinal joint decreases，the damage of track structure will increase significantly. Site construction should ensure the concrete quality of longitudinal joint. T he gap between the track slab and the longitudinal joint will aggravate the expansion of the gap between the track slab and the CA mortar layer，it should be repaired in time.

Key wordsCRT SⅡslab-type track；Longitudinal joint；Plastic damage；Interface connection damage；Dummy joints

中图分类号U213. 2+44

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 14

文章编号：1003-1995（2016）05-0064-05

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-03-14

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB036202）；国家自然科学基金——高铁联合基金（U1434208；U1534203）；中国铁路总公司科技研究开发计划（Z2013G001；2014G001-A）

通讯作者：赵坪锐（1978—），男，副教授，博士。