温度作用下桥上CRTSⅡ型轨道离缝及变形分析

2016年12月Journal of Railway Science and Engineering

Volume 13 Number 12

December 2016

温度作用下桥上CRTS n型轨道

离缝及变形分析

周敏\\戴公连2,闫斌2

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014;

2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

摘要:采用实体单元模拟轨道结构、接触单元模拟层间约束关系、仅受压的杆单元模拟桥梁对轨道的支撑和非线性弹簧

单元模拟扣压型恻向挡块的约束作用，建立高速铁路简支梁桥上CRTS n型板式无砟轨道结构空间有限元模型，采用相关 文献案例验证本模型的准确性，分析温度作用下桥上CRTS n型板式无砟轨道离缝发展规律及变形。研究结果表明：整体 升温对轨道板与砂浆层界面纵向剪应力影响较大，温度越高，纵向剪应力越大，但在正常使用范围内，界面不会发生纵向剪 切破坏；温度梯度主要引起界面竖向拉裂破坏，进而产生砂浆离缝，离缝从轨道板边缘开始出现，在正负温度梯度交替作用 下，沿横向深度加深，深度可达50 cm;当界面黏结强度为0.02 MPa时，砂浆离缝产生的临界正温度梯度为5.3T：，临界负温 度梯度为-4.8T：，且二者呈线性关系，黏结强度越高，临界温度梯度越大。轨道板板端接缝缺陷引起接缝位置及纵向一定 范围内界面拉裂破坏，沿横向贯通，导致砂浆离缝和轨道板板端上拱;提高砂浆层.施工质量和加强轨道板板端接缝.施工控 制有利于抑制砂浆离缝和轨道板上拱变形。

关键词：高速铁路；简支梁；无砟轨道;砂浆离缝；有限元分析;温度梯度

中图分类号:U213

文献标志码:A

文章编号= 1672-7029(2016) 12-2341-06

Analysis of gap and deformation of CRTS n track on bridges under temperature

ZHOU Min1，DAI Gonglian2, YAN Bin2

(1. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China；2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract： An entity CRTS II slab ballastless track structure on simply - supported beam bridges of high-speed

railway finite element model ( FEM) was established. In this model, the solid finite elements were used to simu­late track structure, the contact elements were applied to simulate the contact relationship between adjacent lay­ers ,the compression bar elements were used to simulate the bridges and the nonlinear spring elements were ap­plied to simulate the pigeonhole type lateral blocks. The results of finite element and related literature case veri­fied each other. Research shows that： Overall heating has large effect on the longitudinal shearing stress between the interface of track slab and mortar. The stress rises as the temperature increases, but interface longitudinal shear failure will not occur within the normal operating range of the structure. Temperature gradient mainly influ­ences the vertical positive stress of the interface, it can lead to vertical tensile failure and then produce mortar open joint. The open joint appears at the edge of track slab, under the alternate effect of increases and decreases of temperature the open joint progresses along the horizontal depth which could reach as deep as 50 cm. When the bonding strength of the interface is 0.02 MPa, the positive and negative critical temperature gradient is 5.3 °Cand

收稿日期：2016-02-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51478483);高速铁路基础研究联合基金资助项目（U1334203);中国铁路总公司科技研究开发计

划课题（2015G001-G)

通讯作者:闫斌（1984-),男，河南郑州人，讲师，博士，从事桥上无昨轨道相关研究;E-mail: binyan@ csu.edu.cn

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铁道科学;巻工程学报

2016 # 12 M—4.8 C respectively for the appearance of mortar open joint. There is a linear relationship between temperature and strength, the critical temperature gradient becomes larger as the bonding strength grows. The fault in seam at the edge of track slabs causes tensile failure of interface in certain longitudinal range near the seam and transfixes along the transverse direction and finally result in mortar seam and upwarp at the end of track slab. Advancing the construction quality of mortar and enhancing the control of seam construction are beneficial to restrain mortar seam and upwarp deformation.

Key words： high-speed railway; simply-supported beam； ballastless track；mortar gap; finite element analysis

桥上CRTS n型纵连板式无砟轨道结构在我国 京津城际、京沪和沪昆等高速铁路线上得到了广泛 应用tl]，由于其轨道板和底座板纵向连续,当环境 温度发生变化时，纵连的轨道结构中存被巨大的轴 向力。此外，在太阳辐射及对流换热的作用T,轨 道板和底座板竖向还存在着非线性温度梯度，导致 轨道结构承受着较大的弯矩作用，进一步削弱了轨 道结构的竖向稳定[41。对我国某高速铁路线上 CRTS n型板式无砟轨道的现场调查发现，多处工 点轨道板与砂浆层之间出现了不同程度的离缝;个 别工点轨道板板端接缝部位甚至出现不同程度的 上拱变形，直接影响列车运行的安全舒适。无砟轨 道结构的界面离缝和变形问题B受到国内学者的 广泛关注如刘钱等[3]对CRTS n型轨道结构 旱期离缝产生的厚因进行了分析，薰雪松等w提 出了几点抑制CRTS n型轨道结构砂浆离缝的技术 措施，王继军等[5]对单元板式无砟轨道结构轨道 板翅曲变形进行了分析与现场测试s但现有研究 多针对于路基上轨道结构，其计算模型并不适用于 桥_北CRTSIT型无砟轨道;所采用的温度梯度荷载 仅通过短期试验获得，难以反映现实情况。本文针 对既有研究中的不足，采用接触单元模拟层间非线 性约束关系，建望简支梁桥上CRTS n型板式无砟 轨道空间有限元模型屬于课题组前期研究中获得 的挢上无砟轨道非线性温度荷载模式&10|研究温 度作用下，轨道板板端部位上拱变形及砂浆离缝, 并探讨关键参数的影响。

1桥上CRTS n型轨道结构体系

以高速铁路双线32

m筒支梁桥上CRTS n型

板式无砟轨道结构为例f其轨道结构主要由钢轨、

轨道板、砂浆层、底座板及滑动层组成，如图1所

通过在梁面和底座板间设

ft摩擦系数极小的滑

动层来减小桥梁伸缩变形对轨道结构的影响!在桥 上固定支座处设置剪力齿槽和锚固螺栓保证轨道 结构与桥梁纵向的可靠雜

梁

体中心线

图1筒支梁桥上CRTSn型轨道截面示意图

Fig.l Section of CRTS II track on simply-supported beam

为了提髙轨道结构的竖向璩定性，沿纵向两侧 设置扣压型侧向挡块，侧向挡块通过预埋件与梁体 相连，如图2

所示。

单位:r

图2

扣压型侧向挡块布置图

Fig.2 Layout of pigeonhole type lateral blocks

2有限元模型及计算参数

基于大型通用有限元软件ANSYS建立32 m

简支梁桥上

CRTS n型板式无砟轨道结构空闾有限

元模型g将简支梁桥上CRTS n型板式无砟轨道结

第12期周敏，等:温度作用下桥上CRTS n型轨道离缝及变形分析

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构分析模型简化成长度为32.7 m(约为连续5块 轨道板长度）、两端固结的实体模型，见图3。

Fig.3 Analysis model of CRTS II track structure on simply-

supported beam bridges

其中，轨道板、砂浆层和底座板采用实体单元 模拟，主要计算参数如表1所示。

表1轨道结构计算参数

Table 1 Calculation parameters of track structure

弹性模 线膨胀系数 密度

构件泊松厚度

宽度

量/MPa比/(0C-1)(kg . m_:!) /m/m

轨道板35 5000.200.000 0102 6000.202.55砂浆层8 5000.340.000 0132 4000.032.55底座板

30 000

0.20

0.000 010

2 500

0.19

2.95

轨道板与砂浆层、砂浆层与底座板之间的接触 关系采用面-面接触单元模拟:法向接触刚度取砂 浆的竖向抗压刚度2 000 N/mm3,接触分离刚度取 接触面的抗拉刚度232.6 N/mm3,砂浆层的切面刚 度为0.05 N/mm3,层间摩擦因数取0.35。

根据2003年德国博格公司的现场试验数 据[11]，轨道板与砂浆层界面所能承受纵向极限剪 应力为0. 025 MPa;基于现场试验数据，界面所能 承受的竖向极限抗拉强度为0.020 MPa。

采用仅受压的杆单元模拟桥梁对轨道结构的 支撑作用;采用非线性弹簧单元模拟侧向挡块对底 座板的约束作用。侧向挡块为普通钢筋混凝土结 构，设计容许混凝土开裂，开裂后不考虑混凝土抗 拉强度，其竖向刚度主要由受拉钢筋提供，采用理 想弹塑性模型，图4所示。

图4竖向抗拉刚度力学模型

Fig.4 Mechanical model of vertical tensile stiffness

参照文献[3]，分析温度梯度作用下桥上轨道 板温度翘曲变形，计算得到：当竖向温度梯度为 81.375 °C/m时，轨道板温度最大翅曲变形为0. 450 mm;温度梯度取-40.600 °C/m时，最大温度

翘曲变形为0.401 2 mm;与文献[3]实测结果比较 相差分别为4.2%和1.9%，验证了本有限元模型的 有效性。

温度荷载包括整体升降温和竖向非线性温度 梯度，本文所采用的竖向非线性温度梯度为课题组 前期研究得到我国中部地区桥上CRTS n型轨道结 构温度梯度荷载模式[1°]，如图5所示。

图5竖向温度梯度荷栽模式

Fig.5 Load mode of vertical temperature gradient

3砂浆离缝机理及影响因素分析

3.1砂浆层离缝产生机理

温度作用下，由于轨道板与砂浆层之间材料性 能的差异，界面上存在纵向的剪应力和竖向的正应 力:界面上的剪应力大于其极限剪应力时，界面则 被剪切破坏;界面上的拉应力大于其极限拉应力 时，界面则被拉裂破坏。轨道板与砂浆层界面的破 坏导致砂浆离缝的产生。

整体升温作用下，轨道板与砂浆层界面竖向拉 应力变化不大，且均在0.020 MPa以下，界面不会

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2016 # 12 M产生竖向拉裂破坏，但温度升高，界面上的纵向剪 应力却不断增大6 _轨道结构升温到8Z T时,界 面上部分区域的剪应力达到极限剪应力，界面开始 滑移，生要集毕在轨道板边缘，如图6所示s证明 正常使用状态下，轨道板与砂浆层界面不会发生纵 向剪切破坏。

sliding

sticking

图6整体升温82 T：界面接触状态

Fig.6 Interface contact state overall temperature 82 Tl

芷温度梯度作用下，界面上纵向最大剪应力仅 为0.001 2 MPa,界面不会发生剪切破坏，但竖向 应力（拉应力为正压应力为负）却较大„其分布云' :图如图7 .所示。

单位:MPa

图7

正温度梯度作用下界面竖向正应力

Fig.7 Interface vertical normal stress under positive tem­

perature gradient

界面上大部分区域的竖向想应力在〇.〇2 MPa 以下，而在fl道板整个边缘K域(?罙度约为2〇 cm) 拉应力大于〇.〇2〇 MPa(图7中灰色区域），沿线路 纵向连续。轨道板边缘因界面竖向拉裂破坏，进而 产生离缝，计算结果与现场调查情况相吻合《

负温度梯度作用下，界面纵向最大剪应力仅为

0.000 99 MPa，界面不会发生纵向剪切破坏，但竖

向2!|1力较大，_分布云圈如樹..8所。

单位:MPa

图8

负温度梯度作用下界面竖向正应力

Fig.8 Interface vertical normal stress under negative tem­

perature gradient

界面上大部分区域的竖向正应力在0.020

MPa以下，而在轨道板距边缘约为20 ~ 50 cm区

域，拉应力大于〇.〇2〇 MPa,沿纵向连续，另外在侧 向挡块位置，轨道板中闻部分区域拉应力超过

0. 020 MPa(图8中灰色区域），这些区域的界面出

现拉裂破坏。

以上分析表明，轨道结构整体升温对界面的纵 向剪应力影响较大，但在一定温升范围内，界面不 会发生纵向剪切破坏;•温度梯度主要引起界面竖向 拉裂破坏，进而产生砂浆离缝，离缝从轨道板边缘 开始出现，沿纵向基本一致，正负温度梯度交替作 用下，离缝沿横向加深极端温度梯度作用下，离 缝横向.深度达到50 .cm:。

3.2主要影响因素分析

由于砂浆层现场大面积铺设，砂浆层施工质量

差异较大，导致轨道板和砂浆层界面黏结强度离散 性较大。本文研究不同黏结强度下，轨道板边缘开 始产生砂浆离缝的临界温度梯度，见图％

由图9可知，随着轨道板与砂浆层界面黏華强 度的提高，砂浆层,f■离缝的临界温度梯度增大s

几乎農线性变化;相同的黏结强度条件下,

负温度梯度作用更容易产生砂浆离缝《当界面黏结 强度为〇.〇2 MPa时,砂浆离缝产生的临界正温度 梯度为5.3 °C，临界负温度梯度为-4.8丈。

由此可见，砂桨层:的施X质暈对离缝的产生.影

第 12_:周敏，等::温慶作苗下桥上CRTS E型轨遣离缝及象形.分析

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2

8

(a)

2

4

^

/ 2

0

«

辑

1

6«囚1|12

虼担8

一

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

界面黏结强度/MPa

(a)正温度梯度;（b)负温度梯度

图9砂浆层离缝产生的临界温度梯度

Fig.9 Critical temperature gradient of mortar gap

响裉大,施工质悬越差，即黏结强度越低，越容易产 生砂浆离缝。

4轨道板竖向变形分析

CRTS n型板式无碎轨道长期暴露在自然环境

下，在环境与列车的反复作用下，可能出现损伤及 劣化。现场调研发现肩y板端宽、窄接缝分2阶 段绕筑，受施工控制精度、收缩差异等齊素的影响， 部分轨道板存在宽接缝顶紧、窄接缝裂开的情况。

采用刚度折减的方法来模拟轨道板接缝缺陷, 取窄接缝刚度折减90%进行计算&考虑整体升温 2〇^和极端正湿度梯度作用，轨道结构无缺陷和有 缺陷时的竖向变形分别见图10。

轨道结构无缺陷时，轨道板中间部位的竖询变 形较大，沿纵向基本一致，最大竖向变形为0.66

mm。考虑轨道板接缝缺陷之后，轨道板的竖向变

形发生了较大变化，轨道板板端的竖向变形增大， 最大值隹到1.01 mm,此时，_轨道:板每砂浆层葬面 的竖向正应力如图11所爾》

图10缺陷对轨道结构竖向变形的影响

Fig. 10 Impact of the defect on vertical deformation of track

structure

单位:MPa

图11轨道结构有缺陷时界面竖向正应力 Fig.11 Interface vertical normal stress of track structure

with the defect

轨道板接缝位置及纵向一定范围内界面上，的 竖向拉应力超过极限拉虛力（图11中灰色区域）, 这些区域的界面将发生拉裂破坏，并沿横向贯通， 进而导致轨道板板端'上拱。

5结论

1)轨道结构整体升温对轨道板与砂浆层界面

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铁道科学与工程学报

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上的纵向剪应力影响较大，温度越高，界面上的纵 向剪应力越大，但在正常环境条件下，界面并不会 发生纵向剪切破坏。

2) 温度梯度是引起界面竖向拉裂破坏并产生 砂浆层界面离缝的主要原因。正负温度梯度交替 作用下，界面离缝从轨道板边缘向内发展，极端温 度梯度作用下离缝深度可达50 cm。

3)

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interaction of high-speed railway bridge with ballast track 随着界面黏结强度的提高，产生界面离缝

的临界温度梯度增大，且二者呈线性关系；当界面

黏结强度为0.02 MPa时，砂浆离缝产生的临界正 温度梯度为5.3 °C，临界负温度梯度为-4.8 °C。

4)

考虑轨道板板端接缝缺陷后，温度荷载作 用下，轨道板接缝位置及纵向一定范围内界面拉裂 破坏，并沿横向贯通，将导致砂浆离缝及轨道板板 端上拱。

建议采取以下技术措施防止砂浆离缝及轨道 板上拱:禁止在温差较大时进行砂浆的灌注施工； 砂浆灌注完成后，应尽快完成轨道板的纵连作业， 减少由于温度荷载引起的板端砂浆黏结损伤;加强 轨道板板端窄接缝施工过程的控制，确保窄接缝灌 注质量;施工完成之后，

对于低温条件下部分板端 出现裂缝较宽的情况，应及时进行修复;尽量延长 扣压装置和精调千斤顶的拆除时间;优化砂浆的性 能，保证其与轨道板之间可靠的黏结强度。参考文献：

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