CRTSⅠ型板式無砟軌道抬板維修力學(xué)行為分析

胡 佳，趙坪銳，萬章博，王 濤

(1．西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031;2．中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

CRTSⅠ型板式無砟軌道抬板維修力學(xué)行為分析

胡 佳1，趙坪銳1，萬章博1，王 濤2

(1．西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031;2．中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

路基下沉地段采用抬板注漿工藝搶修后，CRTSⅠ型板式無砟軌道的凸臺受力將發(fā)生變化，因此建立有限元模型對凸臺加高后CRTSⅠ型板式無砟軌道的主要部件受力情況進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:軌道板抬高高度在10 cm以下時(shí)，可不對凸臺和樹脂進(jìn)行加高處理;軌道板抬高10～15 cm時(shí)，需加高凸臺和樹脂5～10 cm;凸臺及樹脂加高高度不能超過10 cm。

CRTSⅠ型板式軌道 抬板 樹脂 凸臺 力學(xué)行為

隨著我國板式無砟軌道投入運(yùn)營，板式無砟軌道系統(tǒng)病害逐漸顯現(xiàn)。在列車荷載和自然環(huán)境的共同作用下，一旦基礎(chǔ)發(fā)生較大變形或軌道的傳力部件受到破壞，軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性就很難保證，而且不易修復(fù)。本文研究了路基下沉地段采用抬板注漿工藝搶修后CRTSⅠ型板式無砟軌道的受力情況。正常情況下軌道板表面高度比凸形擋臺頂面高度低1 cm，因線形調(diào)整需要將軌道板抬到一定高度，而凸臺高度不變，板的高度就有可能超過凸臺高度。凸臺受力點(diǎn)增高，影響凸臺受力和軌道縱橫向限位。

1 單元板式無砟軌道有限元模型

為考察凸臺、CA砂漿、聚氨酯樹脂等部件的局部受力情況，利用ABAQUS有限元分析軟件建立了3塊軌道板長度的CRTSⅠ型板式無砟軌道實(shí)體模型。軌道板局部及樹脂有限元模型如圖1所示。下部基礎(chǔ)的豎向支承采用彈性地基模擬，面剛度為76 MPa/m，作用在底座板的下表面。底座板與CA砂漿層采用黏接的方式連接。而CA砂漿層與軌道板之間則考慮用接觸來模擬，其切向摩擦系數(shù)為0.35，法向考慮為“硬”接觸方式。聚氨酯樹脂與凸臺及軌道板之間采用黏接的方式連接。

考慮抬板高度為5，10，15 cm三種情況，分析凸臺和樹脂加高對結(jié)構(gòu)部件的影響。軌道板抬高以及凸臺和樹脂加高工況如表1所示。

圖1 軌道板局部及樹脂有限元模型

表1 抬高及加高工況 cm

2 單元板式無砟軌道受力分析

由于軌道板“漂浮”在CA砂漿層之上，在外荷載作用下可能會產(chǎn)生縱橫向位移。為保證板式軌道的整體穩(wěn)定性，需依靠凸形擋臺限位。作用于凸形擋臺的力主要包括無縫線路溫度力、列車制動(dòng)力、輪軌橫向力和軌道板溫度力。

2.1 無縫線路溫度力

在無縫線路伸縮區(qū)或溫度力不均勻地段，長鋼軌溫度力將通過扣件作用在軌道板頂面上，當(dāng)長鋼軌溫度力克服了軌道板下CA砂漿阻力后，可能使軌道板沿縱向位移并作用在凸形擋臺側(cè)面。則無縫線路溫度力傳遞到凸形擋臺上的最大力Tr為

式中:P——單根彈條扣壓力，kN;

μg——扣件同軌道摩擦系數(shù)，當(dāng)扣件采用橡膠墊板時(shí)，可取0.8，采用復(fù)合墊板可取0.5;

n——每塊軌道板單股鋼軌扣件節(jié)點(diǎn)數(shù);

W1——每塊軌道板重量，kN;

μk——CA砂漿調(diào)整層摩擦系數(shù)。

2.2 輪軌橫向力

機(jī)車車輛運(yùn)行時(shí)，由于搖擺和蛇形運(yùn)動(dòng)將對軌道產(chǎn)生橫向作用力。按照我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)規(guī)定，取最大脫軌系數(shù)0.8，我國客運(yùn)專線軸重200 kN。假設(shè)有2個(gè)輪對在同一塊軌道板上，則作用在軌道板上最大橫向力Fh為

其中，0.6為分配系數(shù)。

軌道板下CA砂漿摩阻力f為

其中，CA砂漿與軌道板的摩擦系數(shù)取0.35，軌道板自重55 kN。

因?yàn)镕h＜f，所以直線上單純橫向搖擺力不會對凸形擋臺產(chǎn)生作用。

2.3 列車制動(dòng)力

按豎向靜荷載的0.164倍計(jì)算，軸重200 kN，一塊板有2個(gè)輪對作用，則作用在軌道板的最大縱向制動(dòng)力FB為

因?yàn)镕B＜f，所以單純制動(dòng)力不會對凸形擋臺產(chǎn)生作用。

2.4 軌道板溫度力

軌道板溫度變化后將產(chǎn)生伸縮變形，軌道板溫度力通過樹脂作用在凸形擋臺上。除整體升降溫之外，溫度梯度還將會造成軌道板的翹曲，使得凸臺受力不均勻。在升溫時(shí)，假設(shè)軌道板上表面升溫30℃，下表面升溫20℃，上下表面間的溫度梯度為50℃/m，軌道板自上而下升溫呈線性分布。同理，降溫作用下，考慮軌道板上表面降溫30℃，下表面降溫20℃，上下表面間的溫度梯度為－50℃/m，軌道板自上而下降溫呈線性分布。

由以上幾種荷載可以看出，在列車制動(dòng)力和輪軌橫向力單獨(dú)作用下，由于軌道板與CA砂漿層之間有摩擦，所以不會對凸形擋臺產(chǎn)生作用力，但是在考慮溫度荷載的情況下，輪軌橫向力和列車制動(dòng)力就不可忽視了。將以上幾種荷載工況加入到有限元模型中，無縫線路溫度力沿縱向分配到每對扣件作用位置，輪軌橫向力作用在每塊板的單側(cè)鋼軌，每塊板有兩個(gè)橫向力作用，間隔2.5 m。制動(dòng)力作用位置與橫向力相同，沿軌道板縱向分布。升降溫及溫度梯度作用在軌道板上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 CA砂漿受力分析

砂漿層主要承受豎向力，因此應(yīng)注重其抗壓強(qiáng)度和變形協(xié)調(diào)能力。不同工況下CA砂漿最大垂向壓應(yīng)力如圖2所示?？芍?，升溫作用下不同工況時(shí)CA砂漿最大垂向壓應(yīng)力變化不大，基本保持在0.52 MPa左右，而在降溫作用下，CA砂漿最大垂向壓應(yīng)力明顯減小，隨著抬高高度的增加應(yīng)力有增加的趨勢，加高凸臺和樹脂后，CA砂漿所受最大垂向應(yīng)力均有所減小，加高高度越高，應(yīng)力越小。在升溫作用下，CA砂漿的最大垂向壓應(yīng)力明顯大于降溫作用下的。

圖2 不同工況下CA砂漿最大垂向壓應(yīng)力

3.2 聚氨酯樹脂受力分析

混凝土與樹脂之間要有一定的黏結(jié)強(qiáng)度。樹脂固化后必然會發(fā)生收縮，如果黏結(jié)強(qiáng)度不足，就會在樹脂與軌道板之間或樹脂與凸臺之間出現(xiàn)離縫。因此，當(dāng)樹脂所受拉應(yīng)力超過其與凸臺或者軌道板之間的黏結(jié)強(qiáng)度后，就會出現(xiàn)離縫，從而使軌道傳力結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傷損，影響行車安全。

圖3 不同工況下樹脂縱向最大拉壓應(yīng)力

圖3為不同工況下樹脂縱向最大拉壓應(yīng)力。可知，升溫與降溫狀態(tài)下樹脂的縱向拉壓應(yīng)力變化趨勢很接近，隨著軌道板的抬高，樹脂縱向拉壓應(yīng)力也增高，加高凸臺與樹脂的高度后，縱向拉壓應(yīng)力均有所減小。在升溫狀態(tài)下軌道板抬高10 cm時(shí)樹脂縱向最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過了0.6 MPa，考慮樹脂與凸臺之間的黏結(jié)強(qiáng)度只有0.5 MPa，則在這個(gè)抬高高度就有可能使樹脂出現(xiàn)傷損，在樹脂與凸臺間產(chǎn)生離縫。抬高軌道板10 cm，同時(shí)加高凸臺樹脂5 cm后，樹脂在升溫狀態(tài)下的縱向最大拉應(yīng)力就減小到了0.5 MPa以內(nèi)，對樹脂與凸臺之間的受力就有所幫助。而在抬高軌道板15 cm時(shí)，樹脂所受縱向最大拉壓應(yīng)力明顯增大，其中縱向最大拉應(yīng)力達(dá)到了1.42 MPa，在加高凸臺和樹脂5 cm后，縱向最大拉應(yīng)力也在0.7 MPa左右，只有繼續(xù)加高凸臺和樹脂高度達(dá)到10 cm時(shí)，所受縱向最大拉應(yīng)力才降到0.5 MPa以內(nèi)。這是因?yàn)樘Ц哕壍腊迨箻渲c軌道板的接觸面積減小，在溫度力與列車荷載等作用力不變的情況下，樹脂應(yīng)力會明顯增加。降溫狀態(tài)下的縱向最大拉壓應(yīng)力一般比升溫狀態(tài)下的小。

樹脂橫向最大拉壓應(yīng)力的變化趨勢與縱向差不多。由圖4可以看出，即使在抬高軌道板15 cm時(shí)，降溫狀態(tài)下的樹脂橫向最大拉應(yīng)力也未超過0.5 MPa，而在升溫狀態(tài)下，樹脂橫向拉應(yīng)力接近0.8 MPa左右。在加高凸臺樹脂5 cm后，樹脂橫向最大拉應(yīng)力降到0.4 MPa的安全水平。

圖4 不同工況下樹脂橫向最大拉壓應(yīng)力

因樹脂的抗壓強(qiáng)度在7.5 MPa以上，所以其縱橫向壓應(yīng)力均在安全范圍以內(nèi)。

3.3 凸臺受力分析

凸臺作為CRTSⅠ型板式無砟軌道中最關(guān)鍵的傳力部件，承受軌道板傳來的縱橫向力。不同工況下凸臺的縱向最大拉壓應(yīng)力如圖5所示。凸臺最大拉應(yīng)力受升溫和降溫影響較大。在未抬高軌道板時(shí)，降溫作用下的縱向最大拉應(yīng)力明顯大于升溫情況下，然后在抬高軌道板5 cm時(shí)，降溫和升溫作用下的凸臺縱向最大拉應(yīng)力則變得很接近。若進(jìn)一步加高凸臺和樹脂5 cm，均增加了凸臺縱向最大拉應(yīng)力。在抬高軌道板10 cm后，加高凸臺和樹脂高度會增加凸臺縱向最大拉應(yīng)力。抬高軌道板15 cm時(shí)，凸臺縱向最大拉應(yīng)力有明顯回落，并隨著凸臺和樹脂的加高而進(jìn)一步上升。升溫狀態(tài)下，在抬高軌道板15 cm且加高凸臺和樹脂15 cm時(shí)，凸臺縱向最大拉應(yīng)力值達(dá)到了1.52 MPa。這是因?yàn)?，?dāng)抬高軌道板并加高凸臺與樹脂時(shí)，在軌道板傳遞給凸臺作用力不變的情況下，凸臺受到的偏心彎矩就越大，在凸臺與底座板的連接處受到的拉壓應(yīng)力就會增大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，凸臺與樹脂的加高高度不能超過10 cm。

圖5 不同工況下凸臺縱向最大拉壓應(yīng)力

升溫和降溫作用下，凸臺縱向最大壓應(yīng)力變化趨勢幾乎相同，抬高軌道板會加大縱向最大壓應(yīng)力。在某些點(diǎn)會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，比如在升溫狀態(tài)下抬高軌道板15 cm且加高凸臺和樹脂10 cm后凸臺縱向壓應(yīng)力接近1.5 MPa，在單獨(dú)抬高軌道板15 cm時(shí)，壓應(yīng)力降到了1.3 MPa附近。升溫作用下凸臺縱向壓應(yīng)力明顯大于降溫作用下的壓應(yīng)力。

不同工況下凸臺的橫向最大拉壓應(yīng)力如圖6所示。降溫作用下，不同工況下凸臺橫向最大拉應(yīng)力變化不大，基本維持在0.3 MPa左右。而升溫情況下凸臺橫向最大拉應(yīng)力變化起伏較大，抬高軌道板10 cm之前，加高凸臺和樹脂高度會增加凸臺橫向最大拉應(yīng)力，在抬高軌道15 cm時(shí)，橫向最大拉應(yīng)力突然降至1.0 MPa，隨后橫向最大拉應(yīng)力隨凸臺和樹脂加高高度的增加而增加。最終在抬高軌道板15 cm且加高凸臺和樹脂15 cm時(shí)，橫向最大拉應(yīng)力達(dá)到了1.6 MPa。

凸臺橫向最大壓應(yīng)力最高值為1.4 MPa，也是在抬高軌道板15 cm且加高凸臺和樹脂15 cm時(shí)。升溫情況下凸臺橫向最大壓應(yīng)力幾乎是隨軌道板抬高高度的增加而加大。而降溫情況下的應(yīng)力值均比升溫情況下的應(yīng)力值大，最低值出現(xiàn)在加高軌道板15 cm時(shí)。降溫作用下加高凸臺和樹脂高度會使凸臺橫向最大壓應(yīng)力增加。

圖6 不同工況下凸臺橫向最大拉壓應(yīng)力

4 結(jié)論

通過對不同抬板高度維修后的CA砂漿、填充樹脂、凸形擋臺的受力分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)在抬高軌道板10 cm以下時(shí)，可不對凸臺及樹脂進(jìn)行加高處理。若抬高軌道板10～15 cm時(shí)，需加高凸臺及樹脂5～10 cm，但加高高度不能超過10 cm。

2)軌道板抬高高度超過10 cm后，對填充樹脂受力影響很大，縱向拉應(yīng)力過大會導(dǎo)致填充樹脂與凸臺之間產(chǎn)生離縫，影響結(jié)構(gòu)傳力性能。

3)升溫狀態(tài)下軌道部件的應(yīng)力普遍大于降溫狀態(tài)下的應(yīng)力，凸臺受力最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在凸臺底部與底座板連接處，樹脂應(yīng)力最大處在樹脂上部。而在軌道板高度以下的部分，樹脂的應(yīng)力不大，最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)在樹脂最頂部。

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Analysis of mechanical behavior of CRTSⅠslab-type ballastless track during maintenance in lifting

HU Jia1，ZHAO Pingrui1，WAN Zhangbo1，WANG Tao2

(1．MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2．Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In the emergent recovery of subgrade settlement，the track-lifting grouting technique may lead to mechanical alteration of CRTSⅠ Slab-type ballastless track boss．The paper builds finite-element model for the forcebearing analysis on the main components of the slab track．The results indicate that as the lifted track falls below 10 cm，boss and resin require no heightening treatment;while as the lifting height reaches 10～15 cm，boss and resin need 5～10 cm heightening，which by no case shall exceed 10 cm．

CRTSⅠslab-type ballastless track;Slab lifting;Resin;Boss;Mechanical behavior

U213.2+44;U216.42

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．34

1003-1995(2015)07-0120-05

2015-02-03;

2015-03-12

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB0036202);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU12CX065);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G008-A)

胡佳(1989— )，男，重慶人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 周彥彥)