CA砂浆离缝对桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道的影响分析

冯青松，张思皓，孙魁，王威

CA砂浆离缝对桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道的影响分析

冯青松，张思皓，孙魁，王威

(华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

我国高速铁路无砟轨道无缝线路发展迅速，但随着列车的运营，轨道板与CA砂浆层之间常会出现离缝，这将对无砟轨道的长期服役性能产生一定的影响。以高速铁路多跨简支梁上CRTS I型板为例进行分析，研究板边、板端、板角、板中4种典型CA砂浆离缝病害对轨道几何形位及对无缝线路受力变形情况的影响。研究结果表明：离缝病害作用下，随着桥轨间温差变大，轨道水平偏差增幅较大，轨道高低偏差最值偏大，并且板端病害对离缝区平顺性影响大。在温度荷载作用下含病害的轨道结构伸缩受力更加明显，尤其体现轨道板、底座板上，其中板边位置的病害受力变形最为明显。在列车荷载作用下在离缝病害区域轨道结构挠曲受力情况变化较大，其中板角及板端病害影响大。根据计算结果建议在无缝线路养护维修时着重检查轨道板及底座板下表面的情况，及要注意检修钢轨正下方病害情况。

桥上无缝线路；CRTS I型板式无砟轨道；CA砂浆离缝；几何形位；纵向力

高速铁路无砟轨道CA砂浆层间出现离缝病害，病害一般分为4类：板边、板端、板中和板角离缝。CA砂浆离缝病害可能会对轨道平顺性及无缝线路受力情况产生影响。国内外学者对于桥上无缝线路及离缝病害的理论研究有很多，其中高亮[1]对无缝线路梁轨相互作用进行了深入的研究；WANG等[2]深入研究了温度对CA砂浆力学性能的影响；REN等[3−4]基于损伤力学的装配式板轨道模型，研究了脱黏对装配式板混凝土损伤分布和力学响应的影响；张向民等[5]研究了CRTSⅡ型板式无砟轨道的稳定性，得出轨道板与砂浆层的离缝或削弱是造成轨道板上拱最直接的原因；齐少轩等[6−7]对桥上CRTSⅡ型板砂浆离缝的影响进行研究，得到砂浆离缝对道岔板及钢轨的影响明显；邵丕彦等[9]对CRTSⅠ型轨道板受温度影响发生变形及对砂浆离缝实测进行对比，得出温度变化对轨道板温度翘曲变形及砂浆离缝的影响规律；王雪松等[9]建立了在温度梯度荷载作用下，CRTSⅡ型板式无砟轨道结构力学模型，并提出了抑制CRTSⅡ型轨道板与砂浆离缝的施工技术措施；孙旭等[10]对列车荷载与CA砂浆离缝下CRTSⅡ型板式轨道在正常状态和不同程度离缝状态时，对轨道板的翘曲位移和轨道板底部地基弹簧拉应力进行分析。从既有文献中可以看出，虽然对无缝线路研究的学者和成果较多，并总结出正常线路中纵向受力变形情况，但少有对桥上无缝线路中的病害进行研究；对CA砂浆病害的研究也较多，但多数停留在对梁-板模型的研究上对桥上三维实体精细化模型的研究较少。因此研究砂浆离缝病害对无缝线路受力的影响分析就显得十分必要。CA砂浆离缝是桥上CRTS I型板式无砟轨道中的一种常见病害类型，故本文研究砂浆离缝病害对轨道几何形位及线路纵向受力的影响。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

本文以高速铁路桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路为研究对象，基于梁轨作用理论和有限元计算方法，并根据桥上无缝线路病害的特点要求，建立简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道结构的三维实体精细化有限元分析模型。有限元计算整体模型如图1所示。

图1 简支梁桥上含离缝病害的CRTSⅠ型板式无砟轨道有限元模型

模型包括6跨32 m长的标准简支梁，标准32 m等截面简支梁结构由2块标准长度3.685 m的轨道板及5块标准长4.962 m的轨道板组成。桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路轨道结构，两端40 m长的路基。

桥上无砟轨道从上至下结构依次为：CHN60标准钢轨、扣件、凸型挡台及周围树脂凝胶、轨道板、CA砂浆、底座板以及梁体部分。其中钢轨采用beam 188单元模拟；扣件对钢轨的三向约束采用弹簧单元模拟，combin 14单元模拟横向和垂向刚度，combin 39单元模拟纵向阻力，扣件间距0.629 m；凸型挡台及周围树脂凝胶、轨道板及底座板部分采用solid 45单元模拟，轨道板间设置伸缩缝0.02 m。轨道板与底座板之间CA砂浆层三向相互作用采用弹簧单元模拟，CA砂浆离缝区不计纵横垂向黏接，CA砂浆层离缝区连接采用combin 39非线性弹簧单元模拟；非离缝区采用combin 14线性弹簧单元模拟。桥梁部分采用solid 45单元模拟，两端分别建立长度为40 m路基，保证两端路基对桥上无缝线路的约束作用，采用实体solid 45单元模拟。桥墩及桥台采用combine 14弹簧单元约束作用进行模拟。

1.2 计算参数

1.2.1 轨道结构几何尺寸参数

轨道结构几何尺寸参数如表1所示。

表1 几何尺寸参数

1.2.2 轨道结构各单元指标参数

1) 扣件：WJ-8型常用阻力扣件:横向刚度取50 kN/mm、垂向刚度取35 kN/mm，纵向阻力取值如式(1)所示：

式中：为扣件纵向阻力，kN/m∙轨；为钢轨相对扣件的纵向位移。

单位：mm

图2 双线简支箱梁跨中截面

Fig. 2 Cross-sectional section of double-line simple supported box girder

根据《铁路无缝线路设计规范》：单组WJ-8型阻力扣件最大纵向阻力取15 kN/组。

2) CA砂浆层：CA砂浆弹簧单元刚度计算[12]：

式中：为道床长度；为道床宽度(2.4 m)；k为CA砂浆层面刚度有效值(1 000 MPa/m)；为轨道板下弹簧单元的总数量。

计算得出CA砂浆层单个弹簧垂向刚度为67 kN/mm，并根据离缝区非线性弹簧力−位移曲线图来设定离缝区的非线性弹簧单元刚度[8]。当离缝高度=2 mm时，离缝区非线性弹簧力−位移曲线如图3所示[11]。

图3 非线性弹簧单元力-位移曲线

1.3 计算工况

本文根据已有文献[6]中现场调研的实际情况，按照离缝宽度、长度和位置将砂浆离缝分为4种类型(板边、板端、板中、板角病害)，典型离缝形式示意图如图4所示。

(a) 板边离缝；(b) 板端离缝；(c) 板角离缝；(d) 板中离缝

工况1：正常状态下的轨道线路；

工况2：含有板端离缝病害的轨道线路，板端离缝长度、宽度为：=1.26 m，=2.4 m；

工况3：含有板边离缝病害的轨道线路，板边离缝长度、宽度为：=5.9 m，=0.4 m；

工况4：含有板中离缝病害的轨道线路，板中

离缝长度、宽度为：=5.9 m，=0.9 m；

工况5：含有板角离缝病害的轨道线路，板角

离缝长度、宽度为：=0.9 m，=0.9 m。

2 无缝线路轨道几何形位

保持几何形态良好是保证轨道平顺性的基本要求。本文根据高速铁路无砟轨道平顺性要求，从钢轨轨向、水平、高低、轨距4个方面分析离缝病害对轨道几何形位的影响。根据《铁路轨道设计规范》容许值为：轨距±1 mm，水平±2 mm，采用弦测法测量高低和轨向偏差，10 m弦长对应高低和轨向容许值为±2 mm。选取轨道板与桥梁之间温度梯度取值−40，−60 和−90 ℃/m进行计算分析。轨道几何偏差如图5所示，3种工况最值如表2所示。

表2 不同工况下轨道不平顺最值计算结果

注：Δmax%为轨道不平顺偏差最大工况与正常工况差值量相对于正常工况的变化率。

分析表2可知，随着轨桥温差变大，轨道几何形位的偏差值逐渐增大，Δmax%也逐渐增大，其中水平、轨距的偏差增幅明显，行车品质可能存在较大隐患；轨向、高低变化率成稳定状态。从最值上看，板中病害对轨向偏差值影响较大、板端病害对水平偏差值影响较大、板角病害对高低偏差值影响较大、板边病害对轨距偏差值影响较大，不同位置上的离缝病害均可能产生几何形位偏差，其中高低、水平偏差数值最大，随着梁轨温差变大很大可能会影响行车安全；轨向、轨距值相对较小，对线路影响不大。其中选取在不同温差工况下板中病害条件下轨向偏差、板角病害条件下高低偏差、板端病害条件下水平偏差、板边病害条件下轨距偏差进行分析。

分析图5(a)可知，板中病害随着桥轨温差的增大影响越发严重，板中病害引起整体轨道结构几何形位发生变化，在温差为−40 ℃/m时轨向偏差最值在0.23 mm左右，−60 ℃/m时达到0.4 mm左右，−90 ℃/m时达到0.6 mm左右，此时会对行车舒适性有一定的不利影响。分析图5(c)和表2可知，板端离缝病害随着温差增大，对轨道水平偏差的影响也在快速增大，在跨中的离缝区的变化较为明显，对线路几何形位存在不利影响。当板端出现病害时，该处偏差值出现变化，在温度梯度为−40 ℃/m上涨0.05 mm，−60 ℃/m上涨了近0.1 mm，−90 ℃/m上涨了近0.2 mm。板边病害不平顺偏差最值相较正常线路高出15.66%，19.14%和22.24%。分析图5(b)和表2可知，在进行桥上无缝线路设计时，存在离缝病害的线路在温度梯度为−60 ℃/m时，第2跨开始高低偏差达到2.3 mm已经超过相应的容许限值，对线路高低影响严重，行车品质可能受一定的影响。分析图5(d)和表2可知，板边离缝病害对轨距平顺性影响较为明显。在温度梯度为−60 ℃/m时，轨距偏差最值约上升15.22%，−90 ℃/m时随着温度梯度增大，最值约上升18.03%影响更加明显。

(a) 轨向偏差；(b) 高低偏差；(c) 水平偏差；(d) 轨距偏差

综上所述，CA砂浆离缝主要对轨道水平和高低偏差有影响。其中板中病害对整体轨道结构平顺性影响较大，板端病害对离缝区的平顺性影响较大。

3 无缝线路受力分析

无缝线路受力分析结果如图6和图7所示，轨道结构纵向应力结果最值如表3和表4所示。

3.1 温度荷载作用下伸缩力分析

在对桥上无缝线路伸缩力分析时，选取钢轨的轨温变化幅度55 ℃，轨道板温变40 ℃，底座板温度变化35 ℃为计算条件，桥梁温度变化30 ℃(温变A)，35 ℃(温变B)和40 ℃(温变C)为进行计算。

从表3可知，在轨桥温差的作用下，包含病害的桥上无缝线路结构的钢轨伸缩力出现小范围的波动，但受力影响略小；对于轨道板的纵向受力的影响较为严重；随着温度梯度的增大，离缝病害对轨道结构的影响更加严重，轨道板纵向受力随轨桥之间温差增大而减小。CRTS I型轨道结构含离缝病害的轨道结构对轨道板表面受力较为明显，板边、板端离缝受力情况与其他病害相比最明显，在工况A时，轨道板上表面的应力为1.73 MPa，增幅68.9%；轨道板下表面的应力为1.37 MPa，增幅257.5%。在工况B和C时，轨道板上表面的应力增长22%和26.5%；轨道板下表面的应力增长131.6%和19.4%。

表3 不同工况下轨道结构纵向力最值计算结果

注：Δmax%为受力影响最大工况与正常工况差值量相对于正常工况的变化率。

(a) 轨道板下表面应力；(b) 轨道板下表面应力病害区受力特性

由图6可知，离缝病害对轨道板的影响明显，板边病害影响整体轨道结构，板端病害对离缝区影响较大。根据《混凝土结构设计规范》：C40混凝土轴心抗拉强度标准值2.39 N/mm2。结合图6和表3分析，采用C40混凝土材质的底座板，当轨道结构出现离缝病害时，温差增大达到工况C时，底座板下表面拉应力较大，并且Δmax%较工况B有所回落甚至不出现变化，此时混凝土结构可能会出现开裂现象，影响行车安全，其中板边病害表现最为突出。

综上所述，在轨桥温差作用下，离缝病害对轨道线路纵向受力整体影响偏小。离缝病害对整体结构的受力影响较为严重，其中板边病害影响最大，其次是板中、板角病害。

3.2 列车荷载下挠曲力分析

依据《高速铁路设计规范》，本文采用16节编组和谐号CRH380BL型动车组模型进行分析。以列车最大轴重17 t为竖向荷载，采用全桥加载，荷载取64 kN/m。

表4 不同工况下轨道结构纵向力最值计算结果

注：Δmax%为受力影响最大工况与正常工况差值量相对于正常工况的变化率。

分析表4可知，在列车荷载作用下，离缝区受列车荷载作用，离缝病害对钢轨挠曲受力基本没有影响。同时反映出对轨道板、底座板的受力情况影响较大。列车荷载作用在含离缝病害的轨道结构上时，轨道板上表面应力在离缝区增幅十分明显。板角病害作用在全桥跨中位置时，该区域向上拉应力增幅明显。轨道板上表面拉应力增长0.34 MPa是正常轨道结构的3.5倍；在板端病害作用下，轨道板拉应力增长0.11 MPa是正常轨道结构的2.5倍。板角、板端离缝对轨道板上表面应力可能产生较大影响，其余影响略轻。

分析图7可知，在列车荷载作用下结构挠曲受力受病害影响明显，尤其体现在轨道板、底座板上。由于列车荷载，受力处表面应力会相对较大。当离缝区出现在轨道板跨中位置时，该区域存在明显变化。在离缝区的受力情况是呈波动曲线增长且变化较大，这是由于砂浆层内部出现不均匀离缝空隙不能承受外来作用力，其周围结构为保证列车正常运行会承担更大的作用力，故其内部产生的反作用力就会急剧增加，就会出现离缝区结构应力增幅明显的状况。在板角病害处最为明显，板端病害次之，板中、板边病害受力变形情况较轻。这是由于列车荷载作用于两股钢轨之上，而板端、板角病害均出现在列车行进位置的正下方，该位置在受力的作用，自然会出现轨道板表面应力突变现象。

分析图7和表4可知，轨道板下表面在板角病害作用的区域内拉应力最大增长0.53 MPa，是正常状态的2倍；板端病害作用下拉应力较正常状态增长0.48 MPa，增涨近2.2倍。含板角、板端离缝的轨道结构在对轨道板上表面应力影响最大，其余结构影响略轻。

综上所述，受病害影响轨道结构在列车荷载作用下挠曲受力明显，轨道板两端出现病害的结构拉应力变化明显，对轨道板影响最显著，故板角及板端病害对挠曲受力的影响大。

(a) 轨道板上表面应力；(b) 轨道板下表面应力

4 结论

1) 离缝病害对轨道结构的平顺性较大，主要体现在对轨道水平和高低偏差值上。随着温差增大水平偏差值增幅明显，并且在板端病害作用下，离缝区域有较明显的增长；在温差为−60 ℃/m时，第2跨开始高低偏差达到2.3 mm已经超过相应的容许限值，可能对行车品质有一定的影响。

2) 温度梯度荷载作用下，含离缝病害的无缝线路轨道结构受力相较于正常线路影响略大，主要体现在轨道板所受应力上。其中板端病害对轨道结构影响最为明显，在工况A，B和C下轨道板下表面拉应力最值相较于正常线路高出约257.5%，131.6%和19.4%。

3) 列车荷载作用下，与正常线路相比，离缝主要影响病害处轨道结构的受力情况，在板角及板端病害中最为显著。板角病害作用下，轨道板上下表面拉应力比正常状态增大3.5倍和2.2倍，在板端病害作用下，底座板上表面拉应力增大约0.5倍。

4) 离缝病害作用下，轨道结构伸缩受力时，轨道板受力影响较大，下表面最为显著；温差增大，底座板下表面拉应力逐渐增大达到工况C时，可能出现混凝土开裂现象，故在无缝线路养护维修时着重查看轨道板及底座板下表面情况；轨道结构挠曲受力时，钢轨正下方出现离缝病害的结构会出现严重的受力变化，故建议在无缝线路检修时注意钢轨正下方病害情况。

[1] 高亮. 高速铁路无缝线路关键技术研究与应用[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2012. GAO Liang. Research and application of key technology of high-speed railway seamless line[M]. Beijing: China Railway Press, 2012.

[2] WANG Li, WANG Ping, ZENG Xiaohui, et al. The effect of temperature on the mechanical properties of CA mortar[J]. Advanced Materials Research, 2012(557): 860−864.

[3] REN Juanjuan, WANG Ji, XIAO Li, et al. Influence of cement asphalt mortar debonding on the damage distribution and mechanical responses of CRTSI prefabricated slab[J]. Construction and Building Materials, 2020(230): 1−12.

[4] REN Juanjuan, LI Xiao, YANG Rongshan, et al. Criteria for repairing damages of CA mortar for prefabricated framework-type slab track[J]. Construction and Building Materials, 2016(110): 300−311.

[5] 张向民, 赵磊. 高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道稳定性理论研究[J]. 铁道工程学报, 2018, 35(1): 49−55. ZHANG Xiangmin, ZHAO Lei. Research on the stability theory of CRTSⅡslab ballastless track on high-speed railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2018, 35(1): 49−55.

[6] 齐少轩, 任娟娟, 刘学毅. 桥上CRTSⅡ型道岔板砂浆离缝影响特性研究[J]. 工程力学, 2015, 32(6): 124− 132. QI Shaoxuan, REN Juanjuan, LIU Xueyi. Research on the influence of mortar off-joint on the bridge CRTSII type fork slab[J]. Engineering Mechanics, 2015, 32(6): 124−132.

[7] 李潇, 任娟娟, 刘学毅, 等. 客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响[J]. 西南交通大学报, 2018, 53(5): 958−965. LI Xiao, REN Juanjuan, LIU Xueyi, et al. Dynamic effect of off-seam height of passenger cargo mortar on track structure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2008, 53(5): 958−965.

[8] 邵丕彦, 李海燕, 吴韶亮, 等. CRTSⅠ型轨道板温度变形及与砂浆垫层间离缝的测试研究[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(2): 18−22. SHAO Piyan, LI Haiyan, WU Shaoliang, et al. CRTSⅠtype track plate temperature deformation and alienation and mortar seam test study[J]. China Railway Science, 2013, 34(2): 18−22.

[9] 王雪松, 曾志平, 元强, 等. 抑制CRTSⅡ型轨道板与水泥沥青砂浆离缝的技术措施研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2014, 11(1): 43−48. WANG Xuesong, ZENG Zhiping, YUAN Qiang, et al. Inhibition of CRTS Ⅱ type track plate and the technical measures of cement asphalt mortar seam from research[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(1): 43−48.

[10] 孙旭, 高阳, 赵维刚, 等. 列车竖向荷载与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道开裂的影响分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2017, 14(11): 2290−2298. SUN Xu, GAO Yang, ZHAO Weigang, et al. The vertical load and the train of CA mortar from the seam of CRTSⅡtype slab track cracking effect analysis[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(11): 2290−2298.

[11] 杨俊斌, 刘学毅, 梁东, 等. CRTSⅠ型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究[J]. 铁道标准设计, 2013(6): 22−24, 64. YANG Junbin, LIU Xueyi, LIANG Dong, et al. The influence on track vertical deformation and stress state caused by seamed mortar layer in the middle of CRTS I track slab[J]. Railway Standard Design, 2013(6): 22−24, 64.

[12] 张啟乐. 地铁列车运行引起的地面和建筑环境振动规律研究[D]. 南昌: 华东交通大学, 2015. ZHANG Qile. Research on vibration law of ground and building environment caused by subway train operation[D]. Nanchang: East China Jiaotong University, 2015.

Analysis of the effects of CA mortar gap on the CRTSⅠslab ballastless track on bridges

FENG Qingsong, ZHANG Sihao, SUN Kui, WANG Wei

(Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Chinese Continuous Welded Rails (CWR) on bridge develops rapidly. But with the operation of the train, there is a gap between the slab and the CA mortar, which has a certain impact on the long-term service performance of the ballastless track. In this paper, the disease impact of CRTS I slab on the multi-span simply supported beams of high-speed railway was analyzed. And this article studied the influence of four typical CA mortar off-seam diseases (the board edge diseases, the board end diseases, the board angle diseases and the middle of the board diseases) on the track geometry and the longitudinal deformation of CWR. The results are as follows. Under the action of the CA mortar gap, as the temperature difference between the bridges and rails becomes larger, the horizontal deviation of the track increases rapidly. The maximum value of the track height deviation is larger, and the board end disease has a great influence on the smoothness of the mortar gap area. Under the temperature load, the expansion and contraction stress of the diseased rail structure is more obvious, especially the rail slab and the base slab, and the deformation of the diseased force at the edge of the slab is the most obvious. Under the load of the train, the deflection force of the track structure in the mortar gap area changes greatly, among which the board angle and the board end diseases have a large influence. According to the calculation results, it is recommended to pay attention to the condition of the lower surface of the track slab and the base slab during the maintenance and repair of CWR, and pay attention to the condition of the disease directly below the rail.

continuous welded rail on bridge; CRTSⅠslab track; CA mortar gap; geometry; longitudinal force

U216.3

A

1672 − 7029(2020)05 −1061 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190779

2019−09−03

国家自然科学基金资助项目(51878277，51668020，51368020)；江西省自然科学基金资助项目(20181BAB216030)

冯青松(1978−)，男，山西榆社人，教授，博士，从事铁路环境振动与噪声和桥上无缝线路研究；E−mail：fqshdjtdx@aliyun.com

(编辑 蒋学东)