高溫環(huán)境下列車荷載對(duì)CRTSⅡ型板式軌道寬窄接縫損傷行為的影響

李 威,劉學(xué)毅,肖杰靈,劉笑凱,董佳佳

(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,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道是由寬窄接縫將預(yù)制軌道板串聯(lián)、鎖定而成的縱連式結(jié)構(gòu)，直接暴露于自然環(huán)境中，隨著周邊環(huán)境溫度的變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度應(yīng)力受到縱向約束而不能自由釋放。軌道結(jié)構(gòu)溫度升髙時(shí)，縱連結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受較大的溫度壓力[1]。若壓應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度，則可能直接導(dǎo)致軌道部件壓碎，影響軌道結(jié)構(gòu)的受力與耐久性。蔡成標(biāo)等人以溫變作用下道床板最大損傷狀態(tài)作為初始條件，研究了道床板塑性損傷[2];趙坪銳等分析了溫度力對(duì)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道的影響[3]。上述研究主要針對(duì)路基上縱連式軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載及溫降作用下傷損行為，未關(guān)注到混凝土的受壓破壞。此外，高建明等研究了荷載-干濕交替-硫酸鹽耦合作用下混凝土損傷過(guò)程[4]；彭立敏等分析了靜動(dòng)載耦合作用仰拱混凝土損傷特征[5];Cui J等進(jìn)行了高靜水壓力下混凝土損傷試驗(yàn)研究[6];牛荻濤等進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下混凝土損傷研究[7]。這些研究揭示了不同環(huán)境下混凝土存在不同的損傷行為，為研究溫升條件下CRTSⅡ型板式軌道受列車荷載作用時(shí)的損傷發(fā)展提供了有益參考。

受結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝等因素影響，寬窄接縫成為CRTSⅡ型板式縱連體系的薄弱環(huán)節(jié)，是該類結(jié)構(gòu)的病害集中高發(fā)區(qū)，開(kāi)裂、破碎或上拱等病害形式多樣。特別是高溫時(shí)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)存在較大的溫度壓應(yīng)力，此時(shí)若有列車荷載作用，將改變軌道結(jié)構(gòu)及寬窄接縫受力，并導(dǎo)致其快速傷損、破壞。為確保該型軌道結(jié)構(gòu)服役安全，研究列車荷載與溫升荷載耦合作用下寬窄接縫損傷行為具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 混凝土損傷塑性模型

混凝土損傷塑性模型以Lubliner[8]，Lee和Fenves[9]提出的損傷塑性模型為基礎(chǔ)，以各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉壓塑性理論描述混凝土的非彈性行為，可以很好地模擬低圍壓情況下，混凝土受單調(diào)荷載、循環(huán)或動(dòng)荷載作用下的力學(xué)行為[10]。該模型引入指標(biāo)損傷因子d，用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土損傷和失效程度。

混凝土塑性損傷模型與率無(wú)關(guān)，總應(yīng)變率由彈性和塑性兩部分組成，可表示為

ε=εel+εpl

(1)

式中，εel為彈性應(yīng)變率；εpl為塑性應(yīng)變率。

該模型中，應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可表示為

(2)

當(dāng)材料受壓破碎時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度下降。假定損傷為標(biāo)量，剛度退化是各向同性的，依據(jù)連續(xù)介質(zhì)的觀點(diǎn)，受壓時(shí)的有效應(yīng)力可用損傷因子表示，其損傷本構(gòu)模型為

(3)

該模型假定損傷后的有效彈性模量E可用無(wú)損彈性模量E0與損傷因子d表示，即

E=(1-d)E0

(4)

損傷因子d在0(無(wú)損傷)到1(完全失效)之間變化。

選取我院消毒供應(yīng)室醫(yī)療器械600件，依據(jù)電腦隨機(jī)分配的原則均分兩組，即研究組和參照組，醫(yī)療器械各300件。器械主要為：血管鉗、組織剪、和鑷子，同時(shí)還包括彎盤、卵圓鉗、拉鉤、老虎鉗、打肋器和持針鉗等。該科室工作人員共20名。

寬窄接縫處混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[11]所提供的本構(gòu)關(guān)系結(jié)合寬窄接縫處所澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C35)確定，如圖1所示。

寬窄接縫處混凝土損傷因子與應(yīng)變關(guān)系如圖2所示，損傷因子計(jì)算公式為[12]

(5)

式中，β為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受壓時(shí)取0.4；εin為混凝土受壓情況下的非彈性階段應(yīng)變。

圖1 寬窄接縫混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 寬窄接縫混凝土損傷因子與應(yīng)變關(guān)系

2 計(jì)算模型

當(dāng)軌道板和寬窄接縫整體升溫Δt時(shí)，其伸縮量為Δl=α·l·Δt。若模型兩端完全固定，軌道結(jié)構(gòu)無(wú)法自由伸縮，將產(chǎn)生溫度壓應(yīng)力，根據(jù)虎克定律，溫度應(yīng)力σt為

(6)

式中,E為彈性模量；α為熱膨脹系數(shù)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算量，建立了CRTSⅡ板式無(wú)砟軌道平面模型。模型中自上到下依次為：鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層。模型全長(zhǎng)12.95 m，包括2塊軌道板和1個(gè)寬窄接縫。模型中扣件采用線性彈簧模擬，垂向剛度為30 kN/mm，縱向剛度為5 kN/mm[13]。軌道板、寬窄接縫、砂漿層均為實(shí)體單元，并假設(shè)砂漿層間黏結(jié)良好。為消除邊界條件影響，對(duì)模型底部垂向全部約束，兩端施加對(duì)稱約束。其中，寬窄接縫處網(wǎng)格大小為0.005 m；軌道板網(wǎng)格大小為0.02 m；砂漿層網(wǎng)格大小為0.01 m。參數(shù)如表1所示。有限元模型如圖3所示。

表1 軌道結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

圖3 有限元模型

計(jì)算模型如圖4所示。圖中，工況1表示荷載作用于板中位置；工況2表示荷載作用于板邊位置；工況3表示荷載作用于寬窄接縫正上方。

圖4 計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 列車荷載作用位置的影響

圖5 寬窄接縫損傷云圖

列車荷載作用于不同位置時(shí)，寬窄接縫處混凝土最大損傷因子隨溫升變化曲線如圖6所示。

圖6 最大損傷因子隨溫升變化曲線

當(dāng)軸重作用于板中或?qū)捳涌p正上方時(shí)，其損傷因子曲線與無(wú)列車荷載作用時(shí)基本重合；當(dāng)列車荷載作用于板邊時(shí)，損傷因子在整體升溫6 ℃后有一個(gè)跳躍的過(guò)程，急劇增大。當(dāng)軸重作用于寬窄接縫正上方時(shí)，垂向力通過(guò)扣件傳遞至軌道板的力很小，對(duì)寬窄接縫處混凝土損傷的影響很?。划?dāng)軸重作用于板中位置時(shí)，受影響的扣件約為5個(gè)，并成對(duì)稱分布，此時(shí)荷載對(duì)寬窄接縫混凝土損傷無(wú)影響；當(dāng)軸重作用于板邊位置時(shí)，依據(jù)日本學(xué)者的假設(shè)，0.4倍的軸重力將會(huì)直接傳遞至荷載所作用下方軌道板處[14]，加劇寬窄接縫處混凝土損傷。當(dāng)無(wú)列車荷載作用或列車荷載作用位置離寬窄接縫較遠(yuǎn)時(shí)，整體升溫15 ℃之前，基本無(wú)損傷；繼續(xù)升溫，損傷因子緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)升溫約28 ℃時(shí)，損傷因子迅速增大，寬窄接縫處混凝土逐漸壓碎破壞。當(dāng)列車荷載作用于板邊時(shí)，整體升溫約6 ℃時(shí)，損傷因子迅速增大，寬窄接縫處混凝土開(kāi)始?jí)核槠茐摹?/p>

3.2 軸重大小影響

當(dāng)前使用的高速列車軸重隨車型改變會(huì)略有差異。為研究列車軸重大小對(duì)寬窄接縫損傷的影響，分別計(jì)算了整體升溫25 ℃，軸重為0、2、5、8、11、14、17 t和20 t，列車荷載作用于板邊位置時(shí)寬窄接縫的塑性損傷。各工況的損傷因子最大值如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)軸重從0增加到2 t時(shí)，寬窄接縫開(kāi)始出現(xiàn)損傷所需整體升溫略微減小，損傷程度有少量增大；當(dāng)軸重增加到5 t時(shí)，寬窄接縫在整體升溫6 ℃時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)損傷，且隨著溫度繼續(xù)上升，損傷迅速增大；當(dāng)軸重繼續(xù)增加，此時(shí)軸重對(duì)于損傷的影響不再明顯，軸重為5 t時(shí)和軸重為20 t時(shí)損傷因子變化曲線基本一致。

圖7 不同軸重作用下寬窄接縫最大損傷因子

3.3 制動(dòng)力影響

當(dāng)列車實(shí)施制動(dòng)時(shí)，列車對(duì)線路施加一縱向水平力一軌面制動(dòng)力。軌面制動(dòng)力通過(guò)扣件結(jié)構(gòu)傳到軌道板，會(huì)影響軌道板的損傷。為研究制動(dòng)力作用位置對(duì)寬窄接縫混凝土損傷的影響，在不同位置施加列車軸重荷載及制動(dòng)力，對(duì)比不同工況下?lián)p傷因子變化曲線。其中制動(dòng)力率取0.164[15]。制動(dòng)力及軸重作用于不同位置時(shí)，損傷因子變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8 荷載作用于寬窄接縫正上方時(shí)損傷因子變化

圖9 荷載作用于板邊損傷因子變化

圖10 荷載作用于板中損傷因子變化

由圖8可知，制動(dòng)力對(duì)寬窄接縫處混凝土損傷影響極其明顯。無(wú)列車荷載或只作用軸重時(shí)，損傷因子曲線基本重合，均變化較為平緩；軸重和制動(dòng)力同時(shí)作用時(shí)，損傷因子在整體升溫6 ℃時(shí)便急劇增大，進(jìn)入壓碎破壞階段，制動(dòng)力對(duì)損傷影響極其明顯。由圖9可知，軸重單獨(dú)作用與軸重和制動(dòng)力共同作用損傷因子變化曲線基本重合，制動(dòng)力對(duì)混凝土損傷基本無(wú)影響。列車荷載作用于板中位置時(shí)，如圖10所示，三條曲線無(wú)太大差異，制動(dòng)力對(duì)混凝土損傷基本無(wú)影響。

由上述結(jié)果可知，制動(dòng)力對(duì)寬窄接縫處混凝土損傷的影響程度取決于其作用位置。當(dāng)制動(dòng)力作用于寬窄接縫正上方時(shí)，會(huì)通過(guò)扣件將力傳遞至軌道板，傳力扣件離寬窄接縫較近，故對(duì)寬窄接縫損傷影響較大；當(dāng)制動(dòng)力作用于板邊位置時(shí)，由于制動(dòng)力遠(yuǎn)小于軸重，故制動(dòng)力對(duì)寬窄接縫損傷的影響很難體現(xiàn)出來(lái)；當(dāng)制動(dòng)力作用于板中位置時(shí)，由于荷載作用位置離寬窄接縫較遠(yuǎn)，縱向力傳遞至寬窄接縫處時(shí)已很小，對(duì)寬窄接縫損傷基本無(wú)影響。

4 結(jié)論

(1)在溫升荷載或溫升、列車荷載耦合作用下，寬、窄接縫最易在其聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生傷損，特別是轉(zhuǎn)角位置，應(yīng)加強(qiáng)寬、窄接縫界面處理和施工質(zhì)量，提升其服役性能。

(2)列車荷載會(huì)改變傷損發(fā)生位置及發(fā)展趨勢(shì)，傷損主要集中于窄接縫上部附近。無(wú)列車荷載作用、列車荷載作用于板邊位置及列車荷載作用于板中位置時(shí)，損傷最先出現(xiàn)在窄接縫上部角點(diǎn)處，并呈倒V形向?qū)捊涌p處拓展；列車荷載作用于板邊位置時(shí)，窄接縫靠近荷載作用位置上角點(diǎn)最先出現(xiàn)損傷，并呈約45°角向斜下方拓展。

(3)軸重作用于不同位置，寬窄接縫最先出現(xiàn)損傷的位置及發(fā)展趨勢(shì)不一樣。軸重作用于寬窄接縫正上方或板中位置時(shí)，損傷因子變化曲線基本與無(wú)列車荷載作用時(shí)一致；軸重作用于板邊位置時(shí)，損傷因子變化曲線急劇增大階段大幅度提前，提前進(jìn)入損壞階段。

(4)制動(dòng)力對(duì)寬窄接縫影響與作用位置有關(guān)。當(dāng)制動(dòng)力作用于寬窄接縫正上方時(shí)對(duì)寬窄接縫損傷影響最大。

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