CRTSⅡ型板销钉锚固限位与受力特性分析

袁博，刘学毅，陈醉，肖杰灵，刘浩，杨荣山

CRTSⅡ型板销钉锚固限位与受力特性分析

袁博1, 2，刘学毅1, 2，陈醉1, 2，肖杰灵1, 2，刘浩3，杨荣山1, 2

(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. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

通过建立CRTSⅡ型板高温上拱稳定性及销钉锚固性能综合分析模型，研究销钉尺寸和数量等对下轨道板上拱位移和受力的影响，提出合理的销钉锚固布设方案。研究结果表明：植入销钉可有效控制轨道板上拱变形，并使销钉结构受到应力集中作用，锚固区轨道板局部横向受拉、纵向受压；销钉直径越大，对轨道板的位移限制能力越强，但同时增大轨道板受拉破坏的风险；销钉的布置方式对轨道板局部应力无明显影响，但抑制板上拱位移效果有所差别。为保证高温下CRTSⅡ型板的服役状态，结合现场实际温度选用4组以上的销钉较为有利。

高速铁路；CRTSⅡ型板式轨道；销钉锚固；上拱变形；受力特性

CRTS Ⅱ型板式无砟轨道(以下简称“Ⅱ型板”)是我国高速铁路主型轨道之一，主要由预制轨道板、水泥沥青砂浆调整层(CA砂浆层)和连续支承层等部分组成[1]。轨道板通过纵向连接器及弹性混凝土砂浆组成的宽窄接缝结构实现纵向连接，形成纵连式轨道结构[2]。板下砂浆调整层对轨道板垂向约束能力有限，因受施工作业质量控制不佳、下部基础复杂多变、宽窄接缝结构状态不良和轮轨动力作用等因素影响，轨道板在夏季极端高温环境影响下易发生上拱变形和宽窄接缝挤碎、破损等病害，影响轨道系统的服役状态、行车的安全性和舒适性[3]。目前采用锚固销钉限位技术，通过在上拱、破碎部位附近一定范围内的轨道上植入销钉，可以限制轨道板的上拱变形，以利宽窄接缝的修复和轨道结构纵向力的调整与释放，该技术已在Ⅱ型板的维修中得到较广泛的应用[4]。但整治后的轨道板在列车荷载与温度应力等因素的长期作用下，锚固销钉与混凝土间的黏结作用会逐渐削弱，对列车运营安全产生隐患。因此，深入探讨销钉锚固对轨道系统稳定性与局部受力特性的影响，对线路运营与维护具有重要现实意义。针对Ⅱ型板的高温上拱变形问题，学者们做了大量工作，如卫军等[5]通过建立路基上Ⅱ型板的有限元分析模型，分析了温度作用下轨道结构的力学响应与局部损伤特性；韩志刚等[6]通过分析非均匀温度场对轨道板翘曲变形的影响，为无砟轨道结构设计及优化提供参考。赵林等[7]基于弹性薄板的功互等定理建立了适用于两对边自由的轨道板上拱计算模型，分析了Ⅱ型板上拱变形特性及不同因素的影响，并得到不同上拱线性；刘付山等[8]通过分析Ⅱ型板的上拱规律，得到砂浆层黏结强度及温度梯度对轨道板临界温升幅值的影响。上述研究表明温度作用对轨道结构的受力及变形均有显著影响，为Ⅱ型板上拱成因研究提供了理论基础。针对轨道板上拱的整治措施，谭社会[9]总结了既有Ⅱ型板离缝、上拱病害的植筋和注胶整治方案；肖春明[10]针对“注胶−植筋”方案，通过Ⅱ型板的现场监测，确认了“注胶−植筋”的整治效果；高睿[11]建立了桥上Ⅱ型板分析模型，研究了不同植筋锚固工况下结构纵向力的变化规律。上述研究主要基于数值仿真与现场观测的方法，重点关注销钉锚固后轨道板的整体变形问题，但对锚固销钉结构的细部受力状态，及Ⅱ型板整体受力的关系研究等尚需深入。本文根据Ⅱ型板的结构及材料特性，仿真分析销钉锚固后轨道板的高温上拱行为及销钉结构局部受力规律，探讨锚固整治效果。

1 计算模型与参数

为分析销钉−纵连体系的整体传力行为，并深入研究销钉锚固结构的受力，需要考虑多尺度建模问题；分别通过建立销钉−纵连体系整体模型和销钉锚固结构局部模型求解。

1.1 计算模型

1.1.1 销钉−纵连体系模型

根据Ⅱ型板的结构特性[12]，建立包括轨道板、CA砂浆层、支承层及锚固销钉力学分析模型(如图1所示)，并作如下假定：

1) 将轨道结构简化为截面均匀的叠合梁模型，采用Euler梁单元模拟轨道板，忽略轨道板不同截面的差异性；但考虑宽窄接缝的影响，设置板间铰接模拟宽窄接缝。

2) 受温度、水及列车荷载等多场长耦合荷载共同影响，砂浆层与轨道板间的黏结状态在线路运营后将逐渐减弱甚至消失[13]，砂浆层仅起垂向支承的作用。因此不考虑砂浆层的黏结作用，将砂浆层对轨道板的支承作用简化为如图2所示的单向受压弹簧支承。

3) 为消除边界效应，计算模型取5块轨道板长，模型两端根据温度力的平衡机制，采用基本温度力作为约束边界。

通过施加温升荷载模拟轨道板升温作用。受预制板长影响，以其为弦长的上拱变形是最常见形态，故假定上拱弦长为6.5 m[14]；轨道板与支承层之间的竖向约束采用单向受压非线性弹簧单元模拟，其支撑刚度通过CA砂浆层弹性模量定义的力-位移曲线实现(图3)；销钉采用线性弹簧模拟，弹簧刚度同时考虑销钉的弹性模量及与界面的黏结力。

图1 销钉-纵连体系力学模型

图2 板下砂浆层垂向力-位移曲线

通过上述建模分析可以得到销钉的整体受力情况。

1.1.2 锚固销钉结构分析模型

为进一步厘清销钉及周围轨道板的局部受力特性，再建立如图3所示的锚固销钉结构分析模型。基于轨道板脱空的假定，砂浆层的约束作用满足单向受压弹簧的力学特性。销钉与轨道板之间简化为黏结作用。由于轨道板在上拱过程中同时受轴向温度力与附加弯矩作用，故销钉周围局部混凝土的边界应力满足式(1)。

式中：为整体计算模型中所得轨道板上拱的附加弯矩；为轨道板截面面积；为轨道板温度压力，满足Δ的关系；为轨道板的线膨胀系数与整体；Δ表示轨道结构整体升温；为轨道板的弹性模量。

基于上述思路，通过分析销钉及周围混凝土的应力分布特性，讨论销钉半径、数量、分布等因素对防止轨道板上拱及销钉部位受力变化规律。

1.2 计算参数

模型中采用的主要计算参数如表1所示。

图3 局部力学特性

表1 CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构模型计算参数

2 温度作用下的销钉−纵连体受力 分析

为研究温度作用对销钉锚固效果的影响，根据现场普遍的销钉布置方式[15]，现假定销钉满足尺寸为f28的2组均匀分布，轨道板上拱弦长为6.5 m。由于近年来南方高温天气频发，部分地区可达到40 ℃以上，参考钢轨温度计算方法[16]，分别计算结构在30，40，50，60和70 ℃的整体升温条件下的销钉修复效果。其中，轨道板最大上拱位移及销钉最大应力如图4所示，轨道板的各向应力分布如图5所示，底座板的各向应力分布如图6所示。

计算表明：在销钉锚固作用下，轨道板的最大上拱位移与整体升温幅值呈线性增长关系，植入销钉后的轨道板最大上拱位移下降比值随温度不断提高，故温度越高更能体现销钉锚固的作用。在整体升温70 ℃的条件下，轨道板最大上拱位移由8.012 mm减小为0.177 mm，故植入销钉能有效限制轨道板的上拱；销钉的最大应力随整体升温的不断增加呈线性增加，表明销钉结构随着温度的增加破损风险增加；此时销钉的最大应力为201 MPa，小于销钉强度，销钉的强度失效可能性不大；销钉锚固后的轨道板在温度压力的作用下，应力集中在销钉周围，且横向上承受拉应力，纵向上承受压应力，如图7所示。销钉与混凝土胶接界面处有应力峰，该处混凝土应力大小成为衡量销钉锚固方案合理性的一个关键。图5表明，销钉周围的轨道板的各向应力分量均随着整体升温幅值呈线性增大；整体升温70 ℃时轨道板的横向最大拉应力为3.1 MPa，已高于轨道板所用C55混凝土的抗拉强度。图7表明，销钉周围的底座板的各向应力分量均随着整体升温幅值呈线性增大；底座板的横向和纵向最大拉应力均高于底座板所用C20混凝土的抗拉强度。因此，受高温环境影响，轨道板和底座板的销钉锚固区存在局部受拉破坏的风险，日常应加强销钉结构的维护工作，特别关注高温季节的状态。由于轨道板是轨道结构的直接承力结构，轨道板的破坏对列车运营安全尤为重要，故本文将对轨道板进行着重分析。

图4 不同整体升温轨道板最大上拱位移及销钉最大应力

图5 不同整体升温轨道板各向最大应力

图6 轨道板应力分布图

图7 不同整体升温底座板各向最大应力

3 销钉尺寸对整治效果的影响

为研究销钉尺寸对轨道板上拱整治效果的影响，根据现有钢筋的公称直径[17]，选取f20，f25，f28，f32和f36 5种规格的销钉，并假定上拱弦长为6.5 m，销钉均匀布置为2组。分析锚固前后轨道板在30~70 ℃整体升温条件下的最大上拱位移，如图8所示；轨道板的最大拉、压应力如图9~10所示。

图8 不同销钉直径时轨道板最大上拱位移

图9 不同销钉直径轨道板最大拉应力

图10 不同销钉半径轨道板最大压应力

计算表明：销钉直径越大，对轨道板的位移限制作用越强；且温升幅值越大，限制效果越明显；在整体升温70 ℃时，销钉直径增加30%，轨道板最大上拱位移由0.259 mm减小到0.122 mm，上拱位移限制能力提高了约53%，销钉周围轨道板的各向应力值均随着销钉直径的增大呈正增长关系，整体升温分别为50，60和70 ℃时，分别植入f36，f32和f25及以上直径的销钉时，轨道板最大拉应力超过轨道板混凝土的抗拉强度限值。因此，增大销钉的直径虽能一定程度上限制轨道板的上拱位移，但也增大轨道板受拉破坏的风险。故现场选择锚固销钉尺寸时，应在保证轨道结构在上拱位移与局部应力满足要求的基础上，结合现场温度的实际情况，选取适当尺寸的销钉。

4 销钉布置方式对整治效果的影响

4.1 不同销钉数量的影响

参考现场销钉的布置方式，分别选取2，4，6和8组f28的销钉布置方式(如图11所示)。分析上拱弦长为6.5 m的轨道板在30~70 ℃整体升温条件下的最大上拱位移如图12所示。轨道板的最大拉压应力如图13~14所示。

(a) 2组销钉布置；(b) 4组销钉布置；(c) 6组销钉布置；(d) 8组销钉布置

结果表明；在不同温度作用下，销钉的数量布置方式对轨道板局部应力无明显影响，但会使上拱位移发生变化。图12表明，温度为30 ℃时，植入6组后，轨道板最大上拱位移限制能力由植入2组时的50%到增至60%，植入4组销钉以后，轨道板的上拱位移变化趋于稳定。因此，综合分析表明，为尽可能限制轨道板的上拱变形，同时为保证轨道板受力的对称性，结合现场实际经济情况，现场轨道板植筋宜选用4组以上的销钉。

图12 不同销钉数量时轨道板最大上拱位移

图13 不同销钉数量轨道板最大拉应力

4.2 不同销钉位置对上拱整治效果的影响分析

参考现场销钉的布置方式，分别选取4种销钉位置布置方式(如图15所示)，并假定上拱弦长为6.5 m，均匀布置2组f28的销钉，分析轨道板在30~70 ℃整体升温条件下的最大上拱位移如图16所示。轨道板的最大拉压应力如图17~18所示。

图 14 不同销钉数量轨道板最大压应力

(a) 销钉布置位置1；(b) 销钉布置位置2；(c) 销钉布置位置3；(d) 销钉布置位置4

结果表明；在不同温度作用下，销钉的位置对轨道板局部应力和上拱位移均无明显影响。图16表明，温度为70℃时，采用位置2锚固时，轨道板最大上拱位移减小量由位置1锚固时的96%增至98%，没有明显的变化。因此，销钉位置的布置对轨道板的上拱位移抑制效果基本相同，并无明显 差异。

图 16 不同销钉位置时轨道板最大上拱位移

图17 不同销钉位置轨道板最大拉应力

图18 不同销钉位置轨道板最大压应力

5 结论

1) 植入销钉可有效限制轨道板高温上拱变形，轨道板的应力集中在销钉周围，并呈横向受拉、纵向受压分布；当整体升温为70 ℃时，轨道板的横向最大拉应力为3.1 MPa，超出了轨道板的抗拉强度限值，轨道板的锚固销钉结构有局部受拉破坏的风险。

2) 销钉直径越大，对轨道板的位移限制作用越强，且温升幅值越大，限制作用越明显，但同时增大轨道板受拉破坏风险；在70 ℃整体升温条件下，随着销钉直径由f20增至f36，位移减小量由95%增至98%；故现场锚固销钉尺寸应结合现场实际温度进行选取。

3) 销钉的布置方式对轨道板局部应力无明显影响，但会使上拱位移发生变化。轨道板植入4组销钉及以上时，轨道板最大上拱位移变化趋于平稳；销钉位置的布设对轨道板上拱位移抑制效果无明显差异。

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Investigating pin anchorage limit and force characteristics of CRTSⅡSlab

YUAN Bo1, 2, LIU Xueyi1, 2, CHEN Zui1, 2, XIAO Jieling1, 2, LIU Hao3, YANG Rongshan1, 2

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. Railway Construction Research Institute of China Academy of Railway Sciences Group, Beijing 100081, China)

Through the establishment of a comprehensive analysis model of the stability of the high-temperature upper arch and the pin anchoring performance of the CRTS II slab, the influence of the number and size of pins on the displacement and stress of the upper arch of the lower track slab was studied, and a reasonable pin anchoring layout scheme was proposed. The results show that the embedded dowels can effectively control the deformation of the wrapping-up of the track slab, and make the pin structure subject to stress concentration, and the track slab in the anchorage area is partially under transverse tension and longitudinal compression. The larger the pin diameter is, the stronger the displacement-restraining ability is, but the higher the risk of the track slab being damaged by tension. The pin arrangement has no significant effect on the local stress of the track slab, but the effect of hindering the displacement of arch on the slab is different. In order to ensure the serviceability of CRTSⅡtrack slab at high temperature, choosing more than 4 groups of pins in combination with the actual temperature is more favorable.

high-speed railway; CRTS Ⅱ slab track; track slab; pin anchorage; stress characteristic

U216.4

A

1672 − 7029(2020)04 − 0791 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190676

2019−07−29

国家自然科学基金资助项目(51678506)；国家自然科学基金面上资助项目(51778543，51978584)；四川省科技计划资助项目(2016GZ0333)；博士后创新人才支持计划项目(BX20190388)；京沪课题(京沪科研−2018−06)

肖杰灵(1978−)，男，湖南汨罗人，副教授，博士，从事高速、重载及城市轨道交通轨道结构及轨道动力学研究；E−mail：xjling@ home.swjtu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)