温度荷载下锰渣矿粉改性CA砂浆层力学响应分析

杨 洋，韦红教，林 洁，茅 俊

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530000)

0 引言

在我国的轨道交通铁路发展中，高速与重载一直是发展的核心目标。对于客运专线的建设，主要针对列车速度的稳步提升所带来的便利以及铁路安全性与使用寿命的加强[1]。无砟轨道结构由于其整体性好、平顺性高、轨下基础变形小、维修工作量少、整体社会经济效益显著等优点，成为高速铁路轨道结构的主要选择[2]。目前为止，我国高速铁路中应用较为广泛的板式无砟轨道，由于建造周期短、运营经验尚浅，在实际服役中均出现不同程度的伤损现象，究其原因可以归结为无砟轨道结构处于不同自然环境中、受不同形式荷载作用、轨道结构各部分本身缺陷等一系列原因。由水泥、细骨料、沥青乳液、水以及多种添加剂等原材料组成的CA砂浆，目前广泛应用于板式无砟轨道结构中[3]。由于众多影响因素的影响，CA砂浆在目前运营阶段正逐步出现疲劳破坏的现象，大大影响了板式无砟轨道结构的整体稳定性，甚至会影响线路的行车安全，增加维修费用。

针对CA砂浆材料在铁路运营中出现的疲劳伤损等问题，国内外学者试图通过研发改性CA砂浆提高其材料的力学性能，从而延长疲劳寿命[4-6]。课题组通过长期从事水泥乳化沥青路用性能分析与研究、橡胶粉改性CA砂浆研究、绿色CA砂浆经济分析研究，积累了大量改性CA砂浆分析经验，在实验室已经得到适用于高温多雨地区锰渣矿粉改性CA砂浆的力学性能与变化趋势，其改性效果良好，尤其在流动度、扩展度、抗压性能、抗折性能等评价CA砂浆基本性能指标上改善效果明显。本文为了改善目前板式无砟轨道运营中出现的CA砂浆材料疲劳伤损问题，在已有的试验数据基础上，通过建立有限元模型，将锰渣矿粉改性CA砂浆应用于板式无砟轨道中，得到板式无砟轨道CA砂浆层在温度荷载作用下的受力情况，试图分析锰渣矿粉改性CA砂浆层应力分布与薄弱环节位置，为今后改性砂浆的现场应用提供理论基础。

1 板式无砟轨道有限元模型

我国板式无砟轨道结构形式主要有CRTSⅠ、CRTSⅡ两种形式，其中CRTS Ⅱ型板式无砟轨道是我国高速铁路的主要轨道结构形式之一，主要由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆、底座板(桥梁)/支承层(路基)等组成[7]，其主要结构如图1所示。

图1 CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构图(单位：mm)

1.1 模型的建立

在建立有限元模型时，主要应用实体单元建立轨道板、CA砂浆层、底座板、支承层，应用beam单元模拟钢轨以及扣件，以一个单元板范围为研究对象，轨道各项参数与锰渣矿粉改性CA砂浆力学参数如表1～2所示，其中锰渣矿粉改性CA砂浆各项物理性能、工作性能、力学性能均为锰渣掺入量为20%时进行测试，测试结果符合《客运专线铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》，扣件间距为650 mm，有限元模型如图2所示。

图2 CRTS Ⅱ型板式无砟轨道ANSYS有限元模型图

主要部件规格弹性模量(MPa)泊松比钢轨CHN602.11e50.3扣件系统WJ-7--轨道板4 950×2 400×200(mm3)3.65e40.2CA砂浆4 950×2 400×50(mm3)8.0e30.15底座板4 950×3 000×300(mm3)2.8e40.2

表2 锰渣矿粉改性CA砂浆主要性能参数表

1.2 荷载形式

实际运营中，无砟轨道结构直接暴露在外部环境中，其内部温度特别是轨道板温度场受外部环境温度、日照条件的影响较大[8]。由于CRTS Ⅱ型板式无砟轨道中，预制轨道板通过纵连钢筋进行连接，这使得其在温度引力作用下产生较大的温度应力，导致CA砂浆层产生离缝、伤损、剥落等病害，影响CA砂浆层的结构功用。为了研究CA砂浆层在极端温度条件下应力分布情况，文章结合了前人研究数据[9-10]和高温多雨地区情况并参照《高速铁路设计规范(TB10621-2014)》，取温度梯度荷载为90 ℃/m和-45 ℃/m。

2 温度荷载下CA砂浆层力学响应与分析

通过有限元软件ANSYS建立CRTS Ⅱ型板式无砟轨道有限元模型，分别应用热力学分析模块施加温度荷载90 ℃/m和-45 ℃/m，如图3～4所示。此时，CA砂浆层均呈现沿厚度方向的温度线性变化。当温度梯度为90 ℃/m时，CA砂浆层顶面处由于与轨道板接触传热和白天日照等作用，温度比底层CA砂浆高7.35 ℃；当温度梯度为-45 ℃/m时，CA砂浆层夜晚顶面散热，底面有部分白天储存的热量未及时放散，顶面温度比底面温度低4.1 ℃。

图3 90 ℃/m下锰渣矿粉改性CA砂浆层温度梯度分布云图

图4 -45 ℃/m下锰渣矿粉改性CA砂浆层温度梯度分布云图

根据这两种温度梯度作用结果，分别将热力学分析施加于结构模型中，进行结构分析，得到90 ℃/m和-45 ℃/m温度梯度作用下CA砂浆层最大应力值如表3所示，CA砂浆层位移与应力云图分布如图5～8所示。

表3 温度梯度作用下CA砂浆层最大应力表

图5 90 ℃/m下锰渣矿粉改性CA砂浆层位移情况云图

图6 90 ℃/m下锰渣矿粉改性CA砂浆层应力云图

图7 -45 ℃/m下锰渣矿粉改性CA砂浆层位移情况云图

图8 -45 ℃/m下锰渣矿粉改性CA砂浆层应力云图

由表3和图5～8可知：(1)锰渣矿粉改性CA砂浆在温度梯度荷载作用下最大应力均符合按照《客运专线铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》测得的改性CA砂浆标准，理论上不会出现伤损问题。(2)在90 ℃/m梯度荷载作用下，CA砂浆层呈现“上凸”形状，最大位移出现在板中上表面；而在-45 ℃/m梯度荷载作用下则呈现“下凹”，最大位移出现在板角处。这是由于正温度梯度使得CA砂浆层上表面温度大于下表面温度，上部CA砂浆层受拉而下部CA砂浆层受压；而负温度梯度时则相反。(3)应力云图中，两种温度梯度作用下CA砂浆层最不利应力状态出现在板中与半角位置，尤其是当负温度梯度作用时板底边角处应力最为明显，与现场CA砂浆应用过程中砂浆层下底面边角出现掉块等损伤吻合。(4)由于砂浆层横向与纵向尺寸不同，纵向应力普遍大于横向应力，这也是CRTS Ⅱ型板式无砟轨道需通过纵连钢筋连接轨道板的意义所在。与此同时虽然温度梯度的绝对值-45 ℃/m相对于90 ℃/m小，但是应力的最大值却比-45 ℃/m大，这说明负温度梯度较正温度梯度更容易使CA砂浆产生伤损，应在今后的运营中加强对负温度梯度的控制。

3 结语

通过有限元软件建立CRTS Ⅱ型板式无砟轨道模型，结合前人研究与高温多雨地区实际情况，分别取正温度梯度90 ℃/m、负温度梯度-45 ℃/m，利用锰渣矿粉改性CA砂浆试验性能数据，针对锰渣矿粉改性CA砂浆层进行温度梯度荷载下力学分布的研究，得到以下结论：

(1)通过ANSYS软件模拟现场情况，当只考虑温度荷载作用时，应用锰渣矿粉改性CA砂浆材料作为调整层，其力学分布情况满足规范要求，为今后改性CA砂浆现场应用打下理论基础。

(2)通过应力计算结果与分析可知，锰渣矿粉改性CA砂浆层纵向应力大于横向应力，需通过设置轨道板纵向钢筋等方法加强对纵向应力的控制，以便减少实际运营中CA砂浆层的伤损。

(3)通过对正、负温度梯度下锰渣矿粉改性CA砂浆层应力对比与分析，正温度梯度下CA砂浆层呈现“上凸”形状，负温度梯度下呈现“下凹”形状，应力最大位置分别出现于板中及板边角处，且负温度梯度对CA砂浆层的影响大于正温度梯度的影响，与现场CA砂浆伤损情况相符。

(4)通过考虑现场情况与前人研究数据，仅以温度梯度作为单一荷载进行研究，虽然各项指标符合《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)，但由于现场情况较为复杂，在今后的研究中应当充分考虑温度荷载、列车荷载、环境条件等因素。研究考虑单一荷载尤其是温度梯度荷载作用下锰渣矿粉改性CA砂浆层应力分布情况，为今后的全面分析与现场应用提供理论基础。