温升荷载下宽窄接缝伤损对轨道板垂向稳定性的影响研究

赵春光,肖杰灵,邸银桥,刘笑凯,刘学毅

(1.中铁四院集团新型轨道交通设计研究院有限公司,江苏苏州 215000； 2.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)

无砟轨道具有高平顺性、高可靠性和少维修性等优点，是高速铁路的主要轨道结构型式之一。其中，Ⅱ型板以纵连结构、定位精度高、均匀连续等特点被广泛应用于京津城际、京沪高铁等线路[1-3]。近年来，因高温气候导致轨道板温升幅度过大，使轨道结构内产生巨大的纵向温度压力，产生了轨道板上拱、宽窄接缝破损和砂浆层离缝等系列病害[4-8]，严重影响结构服役寿命和高铁运营安全，引起铁路工作者密切关注。图1所示为宽窄接缝处典型伤损状态。

图1 Ⅱ型板宽窄接缝处的典型损伤

宽窄接缝破损或者砂浆层产生离缝后，轨道结构的刚度、受力和约束条件均会发生变化，成为结构的薄弱环节，温升引起的压力能将向此处集中，影响轨道板的垂向稳定性。关于Ⅱ型板的伤损和稳定性问题，学者们已进行了大量的研究，如曾毅和杨俊斌等[9，10]对道床板的高温稳定性问题进行了研究，认为在自然环境温度下因温度压力导致道床板垂向失稳的可能性极小；张丰华等[11]运用有限元法研究了Ⅱ型板底座板屈曲问题，研究表明底座板在单线制动情况下仍有发生屈曲变形的危险；谭社会[12]利用有限元方法分析了植筋锚固和注胶对轨道板离缝上拱的整治效果，提出了Ⅱ型板离缝上拱病害整治的优化及预防措施，为无砟轨道结构病害的养护维修提供参考；高睿[13]研究了植筋锚固措施对轨道板上拱前后轨道结构受力的影响，研究表明桥上Ⅱ型板进行植筋锚固均对各结构的制动力影响显著；高亮等[14]建立了温度荷载作用下Ⅱ型板宽窄接缝在不同破损程度时的无缝线路模型，研究表明宽窄接缝破损后砂浆与轨道板将产生脱连，为宽窄接缝的养护维修提出了参考意见。综上，目前对Ⅱ型板的研究主要是针对轨道结构的受力以及伤损后的修复措施，而宽窄接缝出现不同伤损对轨道板垂向稳定性影响研究较少，下面将针对常见的宽窄接缝损伤形式，研究宽窄接缝损伤对轨道板垂向稳定性的影响。

1 力学模型

在Ⅱ型板结构中，相邻的两块轨道板之间设置了宽窄接缝，如图2所示。其中宽缝宽度为210 mm，窄缝宽度为50 mm。宽窄接缝处结构较为复杂，每个宽接缝处均设有6个张拉锁件，用连接轨道板之间的6根纵向筋，使轨道板之间形成纵连。

图2 宽窄接缝

根据Ⅱ型板的结构特点，基于有限元软件ABAQUS，建立了轨道板垂向稳定性分析的力学模型，如图3所示。考虑到轨道板上拱时一般伴随着板下层间脱连，故不考虑轨道板与砂浆层的粘结行为，处理为板下垂向受压支承。轨道板两端、底座板两端及底座板底面采用固定约束，不考虑底座板变形的影响。不考虑轨道结构横向差异、横向非均匀受力及宽窄接缝处张拉锁件等影响，轨道板和底座板均采用2D平面应力单元模拟。为消除边界效应，共建立4块轨道板长度(26 m)的模型，且只考虑1处宽窄接缝的损伤。

图3 轨道板的力学模型(单位：m)

主要计算参数如表1所示[15-17]。

表1 主要计算参数

2 计算分析

2.1 宽窄接缝弹性模量对轨道板垂向稳定性的影响

2.1.1 宽窄接缝弹性模量对稳定性的影响

宽窄接缝为现场锁定、灌注的结构，形状复杂，尺寸维度差异大，养护困难，质量难以控制，特别是决定接缝物理力学性能的弹性模量波动较大，影响着轨道板的垂向稳定性。为此，定义d为宽窄接缝与轨道板的混凝土弹性模量之比，分别计算d值不同时轨道板的最大上拱位移，如图4所示。由图4可知，随着宽窄接缝弹性模量的降低，d值减小，轨道板的垂向上拱位移逐渐增大；当0.5≥d≥0.1时，随着d的减小，轨道板的最大垂向上拱位移差别不大，轨道板整体温升为50 ℃，最大垂向位移约为0.3 mm；当d=0.01时，轨道板的最大垂向上拱位移有较为明显的降低，这是因宽窄接缝处材料弹性模量过低，使温度压力得到释放所致，亦表明较低的宽窄接缝弹性模量有利于高温时板内温度应力的调整，缓解可能引起的垂向上拱问题。

图4 轨道板最大上拱值随整体温升的变化

轨道板上下表面的最大应力分别如图5(a)和图5(b)所示。从图5可以看出，对于d的不同取值，轨道板的最大应力值均不会超过其强度，但可能会超过砂浆的抗压强度，导致宽窄接缝的破坏，这里不做深入探讨。

图5 轨道板应力

2.1.2 窄接缝弹性模量对稳定性的影响

窄接缝由于存在张拉锁件等结构，施工空间狭窄，不易振捣密实，使其孔隙率较大，混凝土难以达到弹性模量的设计值。窄接缝弹性模量下降后，轨道板沿垂向将产生偏心受压，产生附加弯矩，二阶效应明显增大[18-19]。运营过程中，宽窄接缝将受服役时间和复杂运营环境影响，出现不同程度的伤损、劣化。宽窄接缝的施工质量及经时劣化行为均可视为材料伤损，力学表现为弹性模量的下降，其程度可用部件间的弹性模量比表述。

定义e为窄接缝的弹性模量与宽接缝弹性模量之比，且取宽接缝弹性模量与轨道板相同，分别计算e取不同值时，轨道板在不同温升下的最大垂向位移。图6为轨道板在整体温升荷载下的垂向位移云图。轨道板的最大垂向位移出现在有伤损的宽窄接缝(板中)处。

图6 轨道板的位移云图

经实测，无砟轨道在夏季内部的最高温度约为50 ℃[20]。设轨道板的最大温升为50 ℃，e取不同值时轨道板的上拱波形如图7所示。由图7可知，窄接缝最先伤损破坏，随之轨道板出现尖角状波形；e越小，窄接缝伤损程度越高，尖角变形越明显，上拱越严重；上拱波长也随之增长。若窄接缝质量极差，极端情况下可视为e=0，此时轨道板最大上拱位移达5.61 mm，上拱波长约为6.5 m。若窄接缝与轨道板弹模相当，则e=1，宽窄接缝不易伤损，此时轨道板上拱波形的周期为相邻的两个假缝间距，在假缝处形成向下的尖角，且在两块板交接处(宽窄接缝处)位移较大。

图7 轨道板上拱波形

不同e值条件下轨道板最大上拱位移随整体温升的变化如图8所示。随着整体温升的增加，轨道板的最大上拱位移逐渐增大，e越小，增加速度越快，轨道板的稳定性越低。当e取值小于0.1时，轨道板的垂向位移均较大，需重点监控。

图8 轨道板最大上拱值随整体温升的变化

轨道板上、下表面的最大应力随温升变化如图9所示。图9(a)表明，随着e的减小，轨道板上表面的应力状态由受压转变为受拉，并最终超过混凝土的受拉强度。由图9(b)可知，随着e的减小，轨道板下表面的压应力值则有所增大，最终超过混凝土的抗压强度。

图9 轨道板应力

根据混凝土的强度要求，可以得到e取不同值时，轨道板的允许温升如表2所示。随着e的减小，轨道板允许温升逐渐减小；当e≥0.5时，轨道板整体温升50 ℃均不会出现混凝土强度失效；当e由0.1降至0.01时，允许温升由35.89 ℃降至6.73 ℃，降幅达到81.25%；当e=0时(窄接缝完全损伤)，轨道板温升4.20 ℃即会发生上拱。

表2 不同e值时的允许温升值

由以上分析可以得出，窄接缝自身弹性模量降低比宽窄接缝整体弹性模量降低更加不利，因此施工过程中，满足宽窄接缝强度要求后，应保证宽接缝与窄接缝的弹性模量接近一致，以减小因偏心带来的轨道板受力不合理。

2.2 窄接缝破损高度对稳定性的影响

现场表明，混凝土破损是一种常见的宽窄接缝伤损形式。当窄接缝出现破碎和裂纹后，危及结构的垂向稳定性和列车运行安全。

窄接缝破碎的高度是衡量其碎裂程度的一种近似方法，定义h为窄接缝由下至上的损伤高度，探究h取不同值时轨道板的上拱波形，如图10所示。窄接缝伤损后，轨道板会出现折角上拱；h越大折角越明显，上拱值越大；当h由7 cm增至10 cm时，轨道板上拱波长由4 m增大到6.6 m，增幅达65%。

图10 轨道板上拱波形

h不同时，轨道板在不同温升荷载下的最大垂向位移如图11所示。随着h的增大，轨道板的最大垂向位移逐渐增大，h≤7 cm时，温升50 ℃轨道板最大垂向位移均小于1.5 mm。当h=10 cm时，窄接缝完全破坏，轨道板的垂向位移迅速增大，温升50 ℃时为5.5 mm，这与窄接缝弹性模量降至最低水平时的计算结果一致。

图11 轨道板最大上拱值随整体温升的变化

轨道板上下表面的最大应力分别如图12(a)和图12(b)所示。轨道板的上下表面应力随温升呈线性变化。随着h的增大，轨道板上表面应力由受压转变为受拉，并最终超过混凝土允许抗拉强度，导致板顶面开裂；轨道板下表面一直处在受压状态，并随着h逐渐增大，最终超过混凝土允许抗压强度，导致板底受压破碎。

图12 轨道板应力

若宽窄接缝混凝土强度等级取C40，可以得到不同h值时轨道板的允许温升，如表3所示。随着h的增大，轨道板允许温升逐渐减小，当h≤1 cm时，轨道板在最大温升50 ℃时不会出现混凝土强度失效；当h分别为5、7 cm和10 cm时，轨道板允许温升分别为28.02、20.75 ℃和4.20 ℃，宽窄接缝极易发生强度失效。

表3 不同h值时的允许温升值

2.3 宽窄接缝界面损伤的影响

宽窄接缝界面也是常见轨道伤损位置之一(见图1(a))。宽窄接缝界面伤损后，轨道板最大垂向位移随整体温升的变化如图13所示。从图13可以看出，宽窄接缝界面完好与伤损时的计算结果接近，这表明界面伤损对轨道板稳定性影响较小。

图13 轨道板最大上拱值随整体温升的变化

3 结论

(1)宽窄接缝整体弹性模量不足时，温度应力释放均匀、轨道板纵向受力不存在明显的偏心效果，在宽窄接缝强度满足的前提下，有利于轨道结构垂向稳定。

(2)在温升荷载作用下，窄接缝弹性模量降低将导致温度应力出现偏心作用，轨道结构上拱，存在失稳风险，特别是当其与轨道板弹性模量比由0.1降至0.01时，允许温升由35.89 ℃降至6.73 ℃，降幅达81.25%。

(3)温升荷载下，随着窄接缝损伤高度的增长，轨道板宽窄接缝处出现带折角的上拱波形；伤损高度越高，上拱位移越大，轨道板也越容易发生破坏；特别是损伤高度大于5 cm时，允许升温指仅为28.02 ℃。

(4)温升荷载下，宽、窄接缝交界面损伤对轨道板的垂向稳定性影响较小。