CRTSⅡ型板式無砟軌道板間接縫張拉力學分析

劉志彬，丁晨旭，胡　佳，龔　闖，趙坪銳

（1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都　610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計研究院，重慶　404100）

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CRTSⅡ型板式無砟軌道板間接縫張拉力學分析

劉志彬1，丁晨旭1，胡佳2，龔闖1，趙坪銳1

（1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計研究院，重慶404100）

摘要CRTSⅡ型板式無砟軌道寬接縫傷損是一種較為普遍的病害，主要表現(xiàn)為冬季拉裂和夏季上拱。寬接縫作為軌道縱向連接的關(guān)鍵部位，出現(xiàn)傷損后會弱化軌道板之間的連接，可能會威脅到行車安全。本文建立CRTSⅡ型板式無砟軌道有限元計算模型，分析了張拉施工工藝對軌道板的影響，并結(jié)合現(xiàn)場軌道結(jié)構(gòu)傷損情況，從寬接縫設(shè)計原理出發(fā)對其施工過程進行受力分析，得出張拉荷載對軌道板各部件的影響。研究結(jié)果表明：全長粘結(jié)和端部套管2種工況中，縱向鋼筋張拉作用對窄接縫混凝土產(chǎn)生的預壓應力并不大，且分布不均勻，在抵抗溫度力方面，效果不明顯。

關(guān)鍵詞CRTSⅡ型板式無砟軌道；寬接縫；張拉施工；傷損；連接

CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)是自下而上的連續(xù)結(jié)構(gòu)。在軌道板下設(shè)置連續(xù)支承層或底座板，先進行軌道板單元鋪設(shè)、澆筑砂漿層和填充窄接縫，再進行縱向連接。軌道板與軌道板之間通過寬接縫處的張拉鎖件與軌道板內(nèi)的縱向鋼筋連接，再填充寬接縫混凝土，增強了相鄰軌道板間的相互作用。但無砟軌道長期暴露在不同的氣候條件下，受溫度荷載和列車荷載的長期作用，產(chǎn)生了各種傷損，其中寬接縫傷損是CRTSⅡ型板式無砟軌道較為常見的傷損［1-2］。

CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道板上設(shè)有預裂縫，目的是引導軌道板在溫度荷載作用下沿“假縫”開裂。寬接縫處存在新舊混凝土交界面，新舊混凝土粘結(jié)能力并不強。降溫時，寬接縫混凝土與軌道板混凝土之間可能會先于預裂縫開裂［3］，進而釋放了溫度應力，即預裂縫并未開裂，但出現(xiàn)了寬接縫傷損，與設(shè)計理念不符。寬窄接縫處傷損主要受溫度荷載、寬窄接縫施工工藝的影響。針對寬接縫傷損問題，本文考慮軌道板張拉工藝，利用有限元軟件建立計算模型［4］，對其受力狀態(tài)進行了系統(tǒng)的研究，并提出施工優(yōu)化方案［5］。

1　CRTSⅡ型板式無砟軌道板縱向連接施工

在軌道板縱向連接前，應先在窄接縫處澆筑混凝土，用于支撐縱向連接時軌道板間的張拉力。窄接縫的模板用長5 cm、厚7 cm的硬質(zhì)泡沫塑料條，將其安裝到軌道板窄接縫兩端，澆筑完成后進行養(yǎng)護。

軌道板縱向鋼筋張拉前，應保證CA砂漿的強度在9 MPa以上，窄接縫混凝土強度達到20 MPa。軌道板縱向連接應以施工單元段為基本段落，軌道板的縱向連接分批進行?？拷R時端刺240 m的常規(guī)區(qū)，軌道板屬于過渡段，過渡段內(nèi)軌道板在臨時端刺未與下一施工單元縱向連接前只澆筑窄接縫混凝土，不進行張拉鎖件及寬接縫澆筑施工，其余完成精調(diào)的軌道板可進行縱向連接施工?？v向連接施工步驟如下。

1）張拉鎖件安裝

清理板端預留鋼筋→對軌道板板端鋼筋涂抹潤滑黃油→安裝張拉鎖件，每個寬接縫處安裝6個→安裝絕緣墊片→安裝鋼墊片→安裝螺母，并擰緊。

2）張拉鎖件的張拉

每個寬窄接縫設(shè)有6個張拉鎖件，張拉順序是首先張拉中間2個，然后從內(nèi)向外對稱張拉各1個（此組稱為次外側(cè)張拉鎖件），最后張拉外側(cè)的2個［6］。張拉時，每根縱向鋼筋張拉力為50 kN。

在每一個施工單元段縱向連接中，施工順序：①張拉中間的2個寬窄接縫（下文稱中間縫）張拉鎖件；②對稱張拉靠近中間縫的2個寬窄接縫中間的2個張拉鎖件，張拉步以2塊軌道板階梯進行；③當施工段完成6個寬窄接縫的中間張拉鎖件后，再張拉中間縫的次外側(cè)張拉鎖件；④繼續(xù)對稱張拉外側(cè)各2個中間縫的中間張拉鎖件，并同步張拉②中的寬窄接縫次外側(cè)張拉鎖件；⑤當施工段完成6個寬窄接縫次外側(cè)鎖件的張拉后，張拉中間縫的外側(cè)張拉鎖件。依此類推，直到縱向連接施工段中的張拉連接完成。軌道板縱向鋼筋連接張拉順序如圖1所示。

圖1　軌道板縱向鋼筋連接張拉順序

2　計算模型和計算參數(shù)

利用ABAQUS選擇實體單元對CRTSⅡ型板式無砟軌道建模，為消除邊界效應，模型長度取4塊板長。主要研究對象是寬接縫結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。有限元計算模型如圖2所示。

圖2　有限元計算模型

為了減少計算量，模型中對計算結(jié)果影響不大的承軌臺樣式、軌道板端部形狀、張拉鎖件形狀進行簡化，張拉鎖件有限元模型如圖3所示。簡化后的張拉鎖件為圖中內(nèi)空長方體結(jié)構(gòu)，在有限元計算中，將其嵌入寬接縫混凝土中。

圖3　張拉鎖件有限元模型

本文有限元計算中軌道板混凝土與寬接縫混凝土強度等級均為C55。支承層、CA砂漿和鋼筋采用線彈性材料模擬。有限元模型部分參數(shù)見表1。

表1　有限元模型部分參數(shù)

3　寬接縫縱向施工受力分析

擰緊張拉鎖件時，寬接縫兩側(cè)軌道板受拉，而預先澆筑的窄接縫混凝土會受到軌道板的擠壓作用。單根縱向鋼筋提供50 kN的拉力，張拉力可用降溫進行模擬。等效公式為

式中：Δt為降溫幅度；Δl為降溫前后寬接縫長度變化量；l為寬接縫長度；α為線膨脹系數(shù)；F為張拉荷載；A為縱向鋼筋截面面積；E為縱向鋼筋彈性模量。

縱向鋼筋對軌道板的起始作用位置可能有2種情況：①縱向鋼筋作用范圍是軌道板全長；②因在軌道板端部至第1個“假縫”之間預埋了套管，所以縱向鋼筋在第1個預裂縫位置才對軌道板有張拉作用。為了方便對比，將2種情況分別定義為全長粘結(jié)、端部套管。

3. 1軌道板受力分析

軌道板應力如圖4所示。

圖4　軌道板應力（單位：MPa）

在全長粘結(jié)工況下，軌道板中最大拉應力為2. 85 MPa，而C55混凝土極限抗拉強度為2. 74 MPa［7］，混凝土會出現(xiàn)拉裂，可能引起軌道板傷損?？v向鋼筋與軌道板的交接處出現(xiàn)應力集中。

在端部套管工況下，軌道板的最大拉應力為1. 53 MPa，小于混凝土抗拉極限強度。張拉施工過程中不會引起軌道板傷損。

3. 2軌道板縱向鋼筋受力分析

縱向連接鋼筋應力如圖5所示。全長粘結(jié)工況中縱向鋼筋最大拉應力為108. 7 MPa。應力較大區(qū)域均集中在寬接縫位置附近，軌道板內(nèi)的縱向連接鋼筋應力較小，說明在寬接縫處張拉施工過程中，縱向鋼筋受力不均勻。而軌道板與鋼筋交接處應力較大，鋼筋與軌道板接觸位置附近會產(chǎn)生損傷。在端部套管工況下，最大拉應力僅為38. 5 MPa。

圖5　縱向連接鋼筋應力（單位：MPa）

對比圖5（a）和5（b）中縱向鋼筋的受力情況可以看出：2種工況中作用在軌道板內(nèi)的鋼筋應力都不大，鋼筋應力較大的區(qū)域主要集中在寬接縫處；端部套管工況中軌道板受力情況優(yōu)于全長粘結(jié)工況。

3. 3寬接縫受力分析

寬接縫混凝土應力如圖6所示。

圖6　寬接縫混凝土應力（單位：MPa）

全長粘結(jié)工況中寬接縫混凝土受到的最大縱向壓應力為1. 24 MPa，寬接縫內(nèi)部的縱向應力分布不均勻，最大壓應力多集中在邊角處。而寬接縫的壓應力是由軌道板施加的，故軌道板受到的縱向鋼筋張拉力也是不均勻的。

端部套管工況中，寬接縫混凝土所受的壓應力更小，最大值為0. 24 MPa，受力分布情況與全長粘結(jié)工況類似。

3. 4 CA砂漿受力分析

在CRTSⅡ型板式無砟軌道中，砂漿層起著填充、承力和傳力的作用，是保證列車在高速運行下平穩(wěn)、舒適的關(guān)鍵構(gòu)件。在軌道板縱向連接時，軌道板受拉，砂漿層與軌道板之間的受力若超過其粘結(jié)強度就會出現(xiàn)損傷。砂漿層與軌道板之間的剪切粘結(jié)強度為0. 8 MPa［8］（界面破壞），拉伸粘結(jié)強度為1. 0 MPa（砂漿破壞）。

水泥乳化瀝青砂漿層應力如圖7所示。在軌道板縱向張拉連接過程中，CA砂漿是受拉的，而在寬接縫下部的砂漿層是受壓的。全長粘結(jié)工況下，砂漿層最大拉應力為0. 29 MPa，最大壓應力為0. 19 MPa，未超過砂漿層與軌道板之間的粘結(jié)強度。因此張拉后不會對軌道板與砂漿層的界面產(chǎn)生破壞。

圖7　水泥乳化瀝青砂漿層應力（單位：MPa）

端部套管工況下，砂漿層最大拉應力為0. 16 MPa，不會破壞軌道板與砂漿層之間的粘結(jié)狀態(tài)。

4　結(jié)論

本文對寬接縫施工過程進行了受力分析，考慮不同的縱向鋼筋張拉位置和不同的窄接縫混凝土澆筑順序?qū)壍澜Y(jié)構(gòu)主要部位的影響，得到以下結(jié)論：

1）張拉縱向鋼筋對窄接縫混凝土的預壓效果不明顯，張拉后縱向鋼筋受力不均。對比分析2種工況發(fā)現(xiàn)，在寬接縫施工過程中，對6根縱向筋的張拉并不合理。

2）在全長粘結(jié)工況中，從張拉力角度來說，單根鋼筋50 kN的張拉力可能會對軌道板產(chǎn)生局部損傷，建議減小張拉力。

3）2種張拉作用位置對窄接縫混凝土產(chǎn)生的預壓應力并不大，且分布不均勻，在抵抗溫度力方面并不會有太明顯的效果；2種張拉作用位置均不會破壞軌道板與砂漿層之間的連接。

參考文獻

［1］劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設(shè)計理論與方法［M］.成都：西南交通大學出版社，2010

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［3］何華武.京津城際鐵路科技創(chuàng)新［J］.中國鐵路，2009，11 （1）：12-18.

［4］江見鯨，陸新征.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］. 2版.北京：清華大學出版社，2013.

［5］李昌寧，戴宇，曹廣. CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板預制與鋪設(shè)技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

［6］滬昆鐵路客運專線江西有限責任公司. CRTSⅡ型板式無砟軌道施工作業(yè)指南［M］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［8］趙坪銳. CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度變形與控制措施階段性研究報告［R］.北京：中國鐵路總公司，2014.

（責任審編鄭冰）

第一作者：劉志彬（1990—），男，碩士研究生。

Tension Force Analysis of CRTSⅡSlab-type Ballastless Track Caused by Widening Joint Between Track Slabs

LIU Zhibin1，DING Chenxu1，HU Jia2，GONG Chuang1，ZHAO Pingrui1
（1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute，Chongqing 404100，China）

AbstractT he damage of wide joint in CRT SⅡslab-type track is common，including tension crack in winter and arch in summer. As the key part of CRT SⅡslab-type track，the wide joint will weaken the connection of track slabs and threaten the driving safety when it become serious. T his article analysed the effect of track slabs by the pull construction technology on basis of CRT SⅡslab-type track finite element model. Based on site track structure damage and the design principles of wide joint，the stress of construction process was analysed and the effect of tensile load on the components of slab-type track was deduced. T he results show that in the working condition of full-length bonding and casing pipe at end，the effect of tensioning longitudinal reinforcement on narrow joint is not obvious and stress distribution is uneven. T here is no significant effect on resistance to temperature force.

Key wordsCRT SⅡslab-type ballastless track；W ide joint；T ension construction；Damage；Connection

中圖分類號U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 15

文章編號：1003-1995（2016）05-0069-04

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-03-14

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2013CB036202）；國家自然科學基金（U1434208）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：趙坪銳（1978—），男，副教授，博士。