修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究

徐 浩, 代玮武, 周双喜, 张浩东, 谢铠泽

(1.广州航海学院 土木与工程管理学院,广东 广州 510725;2.石家庄铁道大学 安全工程与应急管理学院,河北 石家庄 050043;3.华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 330000)

0 引言

板式无砟轨道以其少维修、强耐久性和高平顺性的优点[1-4],在国内外高速铁路和城际铁路上广泛应用。为降低轨道结构自重和工程造价,在原单元板式无砟轨道的基础上优化形成了非预应力的框架板式无砟轨道[5-6],在遂渝、广珠城际等铁路上应用。框架板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)层主要采用模筑法施工,起着调整、传载及减隔振作用,是框架板式无砟轨道的关键结构层之一[7-8]。然而由于温度梯度引起的轨道板翘曲变形、列车荷载长期作用下CA砂浆的塑性变形及施工因素等综合作用,轨道板与CA砂浆层之间易产生离缝,在轨道板的板角及板边表现尤其明显,如图1所示。当CA砂浆离缝发展严重,将影响无砟轨道的服役寿命、行车平稳性和安全性[9-12]。为此国内外学者针对板式无砟轨道CA砂浆离缝对板式无砟轨道静力和动力特性的影响开展了理论和试验研究[9-14],并提出了相应的维修标准[15]。章健华等[16]则针对CA砂浆离缝处理材料,从施工性、适应性等方面进行了研究。然而,尚未见专门针对维修材料性能对框架型板式无砟轨道板角离缝的影响及维修材料性能要求的研究报道。

图1 砂浆层与轨道板间离缝

针对框架板式无砟轨道出现的板角离缝问题,以路基上框架板式无砟轨道为例,分析板角离缝原因,建立含板角离缝维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,研究板角离缝及板角离缝修补后维修材料力学性能对框架板式无砟轨道系统受力的影响,最后提出框架板式无砟轨道板角离缝维修材料性能要求及建议材料,从而为框架板式无砟轨道板角离缝养护维修提供理论依据。

1 板角离缝原因分析

板角离缝的形成受多种因素影响,主要可归纳为施工因素、服役环境影响和列车荷载作用。

施工因素主要指施工技术水平和施工质量,框架板式无砟轨道CA砂浆在施工过程中若CA砂浆沥青乳化不完全、CA砂浆灌注不饱满均会导致在后期运营过程中出现轨道板与CA砂浆层离缝。同时,若施工完成后相邻轨道板之间存在高度差,扣件紧固过程中也将导致高程较低的轨道板板角出现离缝。

服役环境影响指温度和雨水交替作用下,轨道板会出现反复翘曲变形,由于板角约束较小,在温度梯度作用下板角变形更为明显[17],由于CA砂浆是一种典型的温度敏感性材料,在温度过高或过低时,CA砂浆易出现高温收缩现象,同时雨水渗入CA砂浆后将进一步降低CA砂浆的性能和强度,使其粉化。

列车荷载作用指列车荷载长期作用,CA砂浆充填层作为框架板式无砟轨道的薄弱层,在列车荷载长期作用下,CA砂浆出现塑性变形,从而导致轨道板与CA砂浆产生脱黏。

2 分析模型及参数

2.1 分析模型

通过ANSYS建立板角含离缝维修材料的框架板式无砟轨道模型,钢轨采用beam188梁单元模拟,扣件和路基表层采用combin14弹簧阻尼单元模拟,框架板、CA砂浆层、维修材料和底座板都根据实际尺寸采用solid45实体单元模拟,考虑框架板与砂浆层间的接触和摩擦,采用接触单元模拟,摩擦系数取0.3[15]。为消除边界效应,建立3块轨道板长度的模型,模拟路基表层的弹簧单元底部采用全约束,底座板端部约束纵横向位移,建立的有限元模型如图2所示。一般在CA砂浆维修时,需要把离缝处砂浆凿除,然后采用维修材料填充,因此建模时假定维修材料的厚度与原CA砂浆层的厚度相同,板角离缝如图3所示,其中,lz为纵向离缝长度,lh为横向离缝长度。

图2 框架板式无砟轨道有限元模型

图3 板角位置砂浆层伤损示意图

2.2 计算参数

框架板式无砟轨道有限元模型参数如表1所示[15]。

表1 框架板式无砟轨道有限元模型主要参数

3 板角离缝及维修材料力学分析

3.1 板角离缝对轨道力学性能的影响

由于无砟轨道在服役过程中承受温度和列车荷载的耦合作用,因此本节主要研究了正温度梯度和列车荷载耦合作用下板角离缝面积对轨道系统力学性能的影响规律。其中,正温度梯度取值采用常用温度梯度45 ℃/m,列车荷载取150 kN/轮,作用在板端第一个扣件处,板角离缝面积lz×lh分别取为0.0 m×0.0 m(无伤损)、0.05 m×0.05 m、0.13 m×0.13 m、0.207 5 m×0.207 5 m、0.3 m×0.287 5 m、0.375 0 m×0.367 5 m、0.45 m×0.6 m,分别对应板角离缝工况1～工况7。

在正温度梯度和列车荷载耦合作用下,不同板角离缝面积下轨道系统力学性能如图4所示。

图4 板角离缝对轨道力学性能的影响

从图4可见,在正温度梯度和列车荷载耦合作用下,随着板角离缝面积的增大,钢轨和轨道板的垂向位移、CA砂浆层压应力随之增大,而轨道板纵、横向拉应力先增大后减小。当板角离缝面积达到0.45 m×0.6 m时,轨道板的垂向位移达到0.88 mm,为正常状态下的1.49倍;CA砂浆的垂向压应力为630.63 kPa,为正常状态下的1.37倍。一旦轨道板与CA砂浆层出现离缝,在环境和列车荷载的共同作用下,将出现轨道板反复翘曲,导致轨道板与CA砂浆层离缝扩展的恶劣循环,最终引起轨道不平顺,影响行车安全。因此,当轨道板与CA砂浆层出现离缝后,需及时进行修复。

3.2 板角离缝维修材料对轨道力学性能的影响

由于正温度梯度作用下,轨道板仅在板角位置与砂浆层接触,板角处砂浆层承受较大的垂向压应力,此时对维修材料力学性能要求较高。因此,通过建立含板角离缝维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,分析了正温度梯度、列车荷载、列车荷载与正温度梯度耦合作用下不同弹性模量维修材料对无砟轨道系统受力的影响规律。假定板角离缝面积为0.45 m×0.6 m,板角离缝维修材料的弹性模量分别取为50、100、150、200、250、300、350、500、1 000 MPa。

3.2.1 正温度梯度作用

正温度梯度作用下,不同弹性模量维修材料对无砟轨道系统受力和变形的影响如图5～图7所示。

图5 轨道板受力

图6 轨道部件位移

图7 正温度梯度下砂浆及维修材料垂向压应力

从图5～图7可知,正温度梯度作用下,轨道板纵、横向拉应力均随维修材料弹性模量的增大有增大趋势。当维修材料弹性模量为50 MPa时,轨道板纵、横向拉应力分别为1.94 MPa和1.15 MPa,维修材料弹性模量增大至1 000 MPa时,轨道板纵、横向拉应力分别为1.98 MPa和1.18 MPa,分别增大2.06%和2.61%。当维修材料弹性模量增大时,轨道板板中垂向位移变化不明显,而轨道板板角位置和维修材料的垂向位移先减小后趋于平缓。当维修材料弹性模量为50 MPa时,轨道板板角和维修材料的垂向位移为0.34 mm和0.32 mm,当维修材料弹性模量为1 000 MPa时,轨道板板角和维修材料的垂向位移分别为0.28 mm和0.18 mm,分别减小了17.65%和43.75%。随着维修材料弹性模量增大,CA砂浆层的垂向压应力基本不变,而维修材料垂向压应力逐渐增大。当维修材料弹性模量为50 MPa时,CA砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为411.3 kPa和193.9 kPa,维修材料弹性模量增大至1 000 MPa时,CA砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为416.5 kPa和697.1 kPa,分别增大1.26%和259.51%。可见,维修材料弹性模量越大对减小轨道结构位移有利,但对维修材料本身的受力不利。

3.2.2 列车荷载作用

由于维修材料对轨道板的支承作用,列车荷载作用下,维修材料弹性模量对钢轨垂向位移、轨道板及底座板受力影响较小,而对砂浆层及维修材料垂向压应力影响较大。列车荷载作用于板端第一个扣件处,不同弹性模量维修材料对轨道结构受力的影响如图8、图9所示。

图8 列车荷载作用下轨道板及修复材料垂向位移

图9 列车荷载下砂浆及修复材料垂向压应力

在列车荷载作用下,轨道板和维修材料的垂向位移逐渐减小。当维修材料弹性模量为50 MPa时,轨道板和维修材料的垂向位移分别为0.56 mm和0.53 mm;维修材料弹性模量增大至1 000 MPa时,轨道板和维修材料的垂向位移分别为0.54 mm和0.46 mm,分别减小3.57%和13.21%。CA砂浆层的垂向压应力随维修材料弹性模量的增大而减小,维修材料的垂向压应力则随弹性模量的增大而增大。当维修材料弹性模量为50 MPa时,CA砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为326.18 kPa和103.4 kPa,当维修材料弹性模量为1 000 MPa时,CA砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为201.1 kPa和439.8 kPa,其中CA砂浆层的垂向压应力减小了38.35%,维修材料的垂向压应力增大了325.34%。

3.2.3 正温度梯度与列车荷载耦合作用

在正温度梯度与列车荷载耦合作用下,列车荷载仍作用于板端第一个扣件处,CA砂浆层和维修材料的垂向压应力随维修材料弹性模量的变化如图10所示。

图10 耦合作用下砂浆及维修材料垂向压应力

从图10可知,正温度梯度和板端列车荷载共同作用下,CA砂浆层的垂向压应力随维修材料弹性模量的增大而减小并趋于平稳,维修材料的垂向压应力则随弹性模量的增大而增大。当维修材料弹性模量为50 MPa时,CA砂浆层和维修材料的压应力分别为573.8 kPa和257.5 kPa;当维修材料弹性模量为1 000 MPa时,CA砂浆层和维修材料的压应力分别为464.5 kPa和791.6 kPa,其中CA砂浆层的垂后压应力减小了19.05%,维修材料的垂向压应力增大了207.42%。

综上所述,维修材料的弹性模量主要影响维修材料自身受力,因此弹性模量不宜过大。为保证框架板式无砟轨道受力的均匀性,建议维修材料的弹性模量与CA砂浆层的弹性模量相匹配,即框架板式无砟轨道板角离缝维修材料的弹性模量取为100～300 MPa。

4 板角离缝维修材料性能及建议

目前,针对CA砂浆伤损的修复主要采用树脂砂浆、聚氨酯灌浆材料、丙烯酰胺灌浆材料、水泥乳化沥青砂浆、异丁烯树脂(LF-CRTSⅠ型)、SKD803维修胶、SKD801灌缝胶、丙烯酸脂类树酯材料、乙烯基类树脂材料等复合材料。单元框架板式无砟轨道板角离缝维修材料选择应遵循修复材料性能与CA砂浆原材料性能匹配、修复须在天窗时间内完成的原则,且应关注维修材料的凝胶时间、弹性模量、抗压强度、拉伸强度、收缩率、断裂伸长率、粘结强度、黏度等基本性能。

根据CA砂浆伤损修复材料、理论分析结果及施工性能要求,建议单元框架板式无砟轨道板角离缝修复材料采用树脂材料,且应满足表2所示的性能要求。

表2 修复材料性能指标

5 结论

通过分析单元框架板式无砟轨道板角离缝原因,建立了含板角离缝维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,研究了维修材料弹性模量、列车荷载、正温度梯度作用对无砟轨道受力的影响规律,提出了单元框架板式无砟轨道板角离缝维修材料性能指标建议值,得到如下结论:

(1)施工技术水平和施工质量、温度和雨水、列车荷载长期作用是单元框架板式无砟轨道板角离缝的主要原因。

(2)维修材料弹性模量对轨道结构受力和位移影响较小,主要影响CA砂浆层的压应力和维修材料的压应力。

(3)正温度梯度作用下,轨道板纵、横向拉应力随维修材料弹性模量的增大有增大趋势,而轨道结构位移则随维修材料弹性模量的增大而减小。

(4)不同荷载作用下,随着维修材料弹性模量的增大,CA砂浆层的压应力减小,维修材料的压应力显著增大;当维修材料弹性模量从50 MPa增大至1 000 MPa时,列车荷载作用下维修材料的压应力增大了3.25倍。

(5)由于维修材料弹性模量对其自身受力影响显著,建议框架板式无砟轨道板角离缝维修材料的弹性模量取100～300 MPa,且采用树脂材料。