反射隔熱涂料對路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學(xué)特性的影響

陳 帥,王安琪,常逢文,楊榮山,康維新,劉學(xué)毅

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道采用縱連軌道板和支承層結(jié)構(gòu)，與單元式軌道板相比，縱連軌道板結(jié)構(gòu)存在著巨大的溫度力，引起寬窄接縫破損、軌道板離縫、上拱等病害[1]。太陽輻射作為無砟軌道熱量的主要來源，減少太陽輻射吸收是降低軌道結(jié)構(gòu)溫度力的有效辦法之一。

反射隔熱涂料具有較高太陽光反射比和半球輻射率，能將太陽輻射通過光譜反射和遠(yuǎn)紅外熱輻射的形式隔絕在涂刷物之外，從而達(dá)到節(jié)能降溫的效果[2-3]。對于反射隔熱涂料在無砟軌道上的適用性已有一些研究，李佳莉等[4]綜合考慮氣象條件，建立無砟軌道溫度場計算模型，分析了反射隔熱涂料對雙塊式軌道溫度場的影響。康維新[5]結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對比分析涂刷不同類型反射隔熱涂料的軌道板溫度變化規(guī)律，計算分析反射隔熱涂料對單元板翹曲和縱連板上拱的影響。

反射隔熱涂料在無砟軌道實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)全線覆蓋，存在局部降溫區(qū)段，由于反射隔熱涂料降溫的驟變性，涂與未涂交界面兩端存在一定的溫度差。在溫差荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生額外的縱向附加力，影響縱連式軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前針對特殊地段溫差荷載產(chǎn)生的縱向附加力研究較少，胡華峰[6]提出隧道洞口過渡段較短范圍內(nèi)，鋼軌溫度力出現(xiàn)驟變而導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。曾志平等[7]以某橋隧過渡段為研究對象，對鋼軌溫度和縱向變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，得到高速鐵路過渡段處鋼軌溫度沿縱向分布規(guī)律以及鋼軌縱向位移變化特征。劉舟[8]釆用標(biāo)準(zhǔn)日照溫差模式，量化了日照溫差對軌道縱向附加力的影響。

為了研究涂料涂刷產(chǎn)生的局部降溫對路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學(xué)特性的影響，本文開展現(xiàn)場試驗[9-10]，對位于上海動車試驗段內(nèi)的無砟軌道溫度場進(jìn)行監(jiān)測，基于實測溫度，得出局部降溫幅值[11]；建立路基上“軌-板-支承層-基礎(chǔ)”有限元模型，進(jìn)一步考慮涂刷長度和CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度折減[12-14]，研究局部降溫對縱連式軌道縱向力學(xué)特性的影響[15-16]，針對局部降溫可能誘發(fā)的軌道結(jié)構(gòu)病害提出錨固銷釘限位方案[17-18]，通過仿真計算證實了方案的可行性。

1 反射隔熱涂料在無砟軌道上的應(yīng)用試驗

1.1 反射隔熱涂料涂刷方式

上海地區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，陽光充足，雨量充沛，屬于典型的夏季炎熱地區(qū)，為了深入研究反射隔熱涂料在無砟軌道上的降溫效果，在上海動車試驗段內(nèi)，針對不同涂刷方式、不同類型的反射隔熱涂料對軌道板溫度場的影響進(jìn)行監(jiān)測，具體涂刷方式如圖1所示。

圖1 涂刷方式示意

本次試驗共采用兩種反射隔熱涂料：一種以氟硅高分子樹脂為基料的有機(jī)涂料，另一種為以水作為主要基料的無機(jī)型反射隔熱涂料。氟硅反射隔熱涂料能有效反射380～2 800 μm內(nèi)的太陽光光波，減少物體表面的吸熱量，同時將物體的熱量以紅外線的方式向外輻射，降低物體自身溫度。無機(jī)型反射隔熱涂料主要通過提高物體對太陽光波的反射來達(dá)到降溫目的。

試驗現(xiàn)場1～ 4號板涂刷無機(jī)涂料，5、 6號板涂刷有機(jī)涂料，7號板作為涂刷涂料與不涂刷涂料板之間的過渡段，8號板為不涂刷涂料的試驗對比板。其中1、2號板僅涂刷軌道板的上表面，3、4號板涂刷軌道板的上表面和雙側(cè)面以及暴露在外的底座板外表面；5、6號板涂刷軌道板的上表面和軌道板的雙側(cè)面及暴露在外的底座板外表面。

1.2 軌道板溫度觀測

本次試驗在軌道板中心處通過鉆孔措施沿深度布置6個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器(量程：-20～80 ℃)，分別布置在軌道板上表面、中部、軌道板下表面(CA砂漿層上表面)，支承層中部、支承層下表面(級配碎石層上表面)和級配碎石層中(距離支承層下表面150 mm處)。同時為研究不同涂刷方式的影響在板兩側(cè)距板邊200 mm處對稱布置溫度傳感器，溫度傳感器具體布置如圖2所示。

圖2 溫度傳感器布置示意(單位：mm)

不同涂刷方式下軌道板的整體溫度如圖3所示。

圖3表明：當(dāng)涂刷方式相同時，涂刷無機(jī)涂料的2號板與涂刷有機(jī)涂料的3號板相比，軌道板的整體溫度基本一致。同種反射隔熱涂料不同涂刷方式的2號板與3號板相比，軌道板整體溫度略高1～2 ℃，可見涂料側(cè)面涂刷對軌道板整體溫度影響并不明顯。因此，近似認(rèn)為同種反射隔熱涂料在上述兩種涂刷方式下的降溫效果一致，忽略側(cè)面涂刷對降溫效果的影響，分析局部降溫幅值時采用3號板和8號軌道板的溫度數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 不同涂刷方式的軌道板整體溫度

圖4 軌道板整體溫度變化

從圖4可以看出，試驗對照8號軌道板最高溫度均高于氣溫，且7月21日軌道板最高溫度接近50 ℃；使用反射隔熱涂料后，白天太陽輻射較強(qiáng)，降溫效果為7～10 ℃，在夜晚太陽輻射較弱，涂料對軌道板整體溫度的影響較小，3、8兩板的溫度較為接近，降溫幅度為2～4°C，溫差最大值出現(xiàn)在7月21日13時約為10 ℃。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

CRTSⅡ型板式軌道為縱連式結(jié)構(gòu)，其變形和傳力特性與無縫線路中的長軌條類似，路基上的軌道板一旦連接鎖定，軌道板便無法自由伸縮，此時列車荷載作用或溫度變化可能會使軌道板與下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對位移，但軌道板與下部結(jié)構(gòu)間存在縱向阻力作用，相對位移受到了約束，因此軌道板與下部結(jié)構(gòu)間便產(chǎn)生了大小相等方向相反的縱向附加力。

根據(jù)縱向相互作用機(jī)理將無砟軌道結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件(鋼軌、軌道板、支承層)看成三層疊合梁體系，各結(jié)構(gòu)層分別由扣件、CA砂漿層和路基基礎(chǔ)簡化的彈簧提供縱向阻力，計算模型如圖5所示。實際上縱連式軌道結(jié)構(gòu)縱向相互作用是一個復(fù)雜的相互約束過程，想要計算其真實內(nèi)力較為困難，為此僅考慮某一區(qū)段軌道板使用涂料后局部降溫對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加力。依據(jù)前述試驗研究，選定在模型中部(涂刷涂料區(qū)域)一段軌道上降溫10 ℃，作為計算荷載，模型長度取為1 000 m。

圖5 計算模型

2.2 計算參數(shù)

將理論模型采用有限單元法進(jìn)行離散。在Ansys環(huán)境里，鋼軌、軌道板和支承層采用承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元進(jìn)行模擬，同時考慮相應(yīng)結(jié)構(gòu)的橫截面積、慣性矩參數(shù)。扣件縱向阻力、CA砂漿層摩擦阻力、支承層與路基基礎(chǔ)間的縱向阻力均采用可輸入廣義的阻力-位移曲線的非線性單向彈簧進(jìn)行模擬，其阻力-位移曲線為雙線性曲線，如圖6所示。圖中F表示單位長度提供的阻力，U表示產(chǎn)生阻力上下兩層結(jié)構(gòu)間的相對位移，Umax為屈服點位移，表示相對位移達(dá)到該點時，阻力不在隨著相對位移增加而增大。

圖6 非線性阻力變化特征

鋼軌采用CHN60型鋼軌，截面積77.45 cm2，軌道板高200 mm，寬2 550 mm，支承層高190 mm，寬2 950 mm。扣件采用WJ-8型扣件，線路無載時扣件的縱向阻力取為15 kN/組，屈服點位移為2 mm[19]。砂漿調(diào)整層為高彈模水泥乳化砂漿，根據(jù)博格公司的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，砂漿層被剪壞時，剪力為412 kN，屈服點位移約為0.5 mm?；A(chǔ)為普通級配碎石層，北京大學(xué)的試驗數(shù)據(jù)表明，單位面積支承層與普通級配碎石層黏結(jié)破壞時，剪力為304 kN，屈服點位移約為0.42 mm[20]。

3 過渡段溫差荷載對無砟軌道縱向力學(xué)特性的影響

采用上述模型，在模型中部(涂刷涂料區(qū)域)100 m范圍內(nèi)降溫10 ℃，計算得到的鋼軌、軌道板、支承層縱向力學(xué)特性如圖7～圖12所示。

圖7 鋼軌縱向位移

圖8 鋼軌縱向附加力

如圖7、圖8所示，軌道板降溫收縮導(dǎo)致鋼軌產(chǎn)生縱向位移最大為0.33 mm。同時，鋼軌的縱向附加力分布不均，從坐標(biāo)原點到兩端，縱向附加力增大、減小、增大、再減小，然后趨近于0，縱向力附加力峰值16 kN。

圖9 支承層縱向位移

圖10 支承層縱向附加力

由圖9、圖10可知，支承層縱向位移和縱向附加力的變化趨勢與鋼軌基本一致，縱向位移在涂刷交界處出現(xiàn)突變，最大值為0.07 mm，縱向附加力波動變化，最大值為53 kN。

圖11 軌道板縱向位移

圖12 軌道板縱向附加力

從圖11、圖12可以看出，相對于鋼軌、支承層的縱向位移、縱向附加力的變化，涂料涂刷段產(chǎn)生的局部降溫對軌道板縱向力學(xué)特性的影響較大，在涂料涂刷區(qū)段，軌道板的縱向力發(fā)生突變，并向兩端放射，同時產(chǎn)生了收縮位移。軌道板最大縱向位移為0.64 mm，最大縱向附加力出現(xiàn)在涂刷區(qū)段中心，其值為1 771 kN。

4 軌道板縱向力學(xué)特性影響因數(shù)分析

涂刷涂料產(chǎn)生的局部降溫對軌道板的影響不容忽視，為了更全面地了解局部降溫對軌道板縱向力學(xué)特性的影響，進(jìn)一步考慮不同涂刷長度及CA砂漿劣化程度。

4.1 涂刷長度影響分析

為了分析不同涂刷長度對軌道板縱向力學(xué)特征的影響，中間降溫區(qū)間長度分別取為20，60，100，150，200，250 m，降溫荷載均取為10 ℃，不同涂刷長度下軌道板縱向位移及縱向附加力如圖13、圖14所示。

圖13 不同涂刷長度下軌道板縱向位移

圖14 不同涂刷長度下軌道板縱向附加力

由圖13可知，隨著涂刷長度的增加，軌道板縱向位移逐漸增大，當(dāng)涂刷長度超過100m時，軌道板最大縱向位移趨于穩(wěn)定，并始終出現(xiàn)在涂刷交界面處。由圖14可知，不同涂刷長度，軌道板縱向附加力的放射范圍有所不同，但坐標(biāo)原點縱向附加力最大，同時，最大縱向力不會隨著涂刷長度無限增加，當(dāng)涂刷長度為150m左右時，縱向附加力最大值趨于穩(wěn)定，但放射范圍依然隨著涂刷長度的增加而擴(kuò)大。

4.2 CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度影響分析

縱連板式軌道結(jié)構(gòu)CA砂漿與軌道板間為弱黏結(jié)，受砂漿材料性能、施工因素和受力環(huán)境等因素的影響，在溫度收縮、列車荷載等作用下，容易產(chǎn)生離縫和砂漿層開裂，從而使層間黏結(jié)強(qiáng)度下降。為計算方便，可用黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)β來表征砂漿層不同狀態(tài)下的黏結(jié)強(qiáng)度(如β=0.1表示砂漿層間黏結(jié)強(qiáng)度為未發(fā)生破壞的10%)，折減系數(shù)依次取為1.0，0.8，0.6，0.4，0.2，涂刷長度100 m，降溫荷載為10 ℃，計算結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 不同CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度下軌道板縱向位移最大值

圖16 不同CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度下軌道板縱向附加力最大值

由圖15、圖16可知，隨著砂漿層間黏結(jié)強(qiáng)度的降低，軌道板縱向位移逐漸增大，其變化越來越明顯，當(dāng)CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)由1變?yōu)?.2時，縱向位移最大值由0.638增加到1.730 mm，增加了63%。同時，軌道板縱向附加力隨著CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的降低而逐漸減小，且變化幅度逐漸增大，當(dāng)CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)由1變?yōu)?.2時，縱向附加力由1 771 kN降低為1 394 kN，減少了21%。

5 錨固銷釘限位影響分析

板式無砟軌道錨固銷釘限位技術(shù)是采用銷釘將軌道板和混凝土底座板(支承層)連接牢固，錨固銷釘限位可作為單元板式或縱連板式軌道結(jié)構(gòu)的維修預(yù)案。為了避免涂刷涂料產(chǎn)生的局部降溫使軌道板產(chǎn)生過大的縱向位移，提出在涂刷區(qū)域兩端設(shè)置錨固銷釘限位裝置。同時為避免所植入的銷釘屈服或軌道板、砂漿層、水硬性支承層的二次破壞，需植入多根銷釘以滿足要求，并根據(jù)局部降溫引起的軌道板縱向位移的分布規(guī)律，錨固銷釘限位裝置在涂刷交界面兩側(cè)對稱布置，每側(cè)相連的一塊軌道板上分別設(shè)置4根、8根、12根、16根、20根錨固銷釘，銷釘均設(shè)置在靠近涂刷交界面一側(cè)的承軌臺之間，錨固銷釘布置方案如圖17所示。

圖17 錨固銷釘布置示意

為方便計算，將承軌臺間的兩根錨固銷釘?shù)刃榫€性彈簧，根據(jù)北京交通大學(xué)的試驗結(jié)果，兩根銷釘限位剛度取為153 kN/ mm，CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)取為0.2，涂刷長度100 m，降溫荷載10 ℃，計算結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 軌道板縱向位移最大值

圖19 軌道板縱向附加力最大值

由圖18、圖19可知，軌道板縱向位移最大值隨著錨固銷釘數(shù)量的增加而減小，但軌道板縱向附加力最大值有所增加。當(dāng)錨固銷釘數(shù)量為16根時，軌道板縱向位移為0.657 mm，相對于未錨固時降低了62%，軌道板縱向附加力由1 562 kN增加到1 682 kN，增幅僅為7%，且小于砂漿黏結(jié)強(qiáng)度未折減時。同時軌道板縱向位移改變量與銷釘數(shù)量呈非線性關(guān)系，隨著銷釘數(shù)量的增加逐漸變緩。

6 結(jié)論

基于對表面涂刷反射隔熱涂料的CRTSⅡ型板無砟軌道溫度場的測試數(shù)據(jù)，建立多層疊合梁模型，同時考慮涂刷長度、CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度折減的影響，研究了涂刷涂料產(chǎn)生的局部降溫對縱連式軌道縱向力學(xué)特性的影響。主要得出如下結(jié)論。

(1)依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知：側(cè)面涂刷對軌道板整體溫度的影響較小，白天太陽輻射較強(qiáng)，有機(jī)、無機(jī)涂料降溫效果均能達(dá)到7～10 ℃，夜晚降溫效果較弱為2～4 ℃。

(2)軌道板局部降溫荷載對軌道板縱向力學(xué)特性的影響較大，但其對鋼軌與支承層的影響較?。卉壍腊蹇v向附加力最大值出現(xiàn)在涂刷區(qū)段中心，離涂刷區(qū)段中心越遠(yuǎn)，縱向附加力越??；隨著涂刷長度的增加，軌道板縱向附加力的影響范圍增加；隨著CA砂漿黏結(jié)強(qiáng)度降低，軌道板縱向位移增大。

(3)通過對設(shè)置不同數(shù)量錨固銷釘?shù)姆抡嬗嬎惚砻鳎哄^固銷釘能有效降低軌道板縱向位移，隨著銷釘數(shù)量增加，軌道板縱向位移改變量逐漸變緩，當(dāng)銷釘數(shù)量為16根時，軌道板縱向位移與砂漿黏結(jié)強(qiáng)度未折減時幾乎一致。