CRTSⅡ型板式轨道砂浆快修对轨道结构受力性能的影响分析

刘笑凯,杨荣山,潘国瑞,杜华杨

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都　610031)



CRTSⅡ型板式轨道砂浆快修对轨道结构受力性能的影响分析

刘笑凯,杨荣山,潘国瑞,杜华杨

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031)

摘要：以CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为研究对象,结合现有的砂浆快修技术,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道快修砂浆的力学模型,采用有限元方法,计算列车荷载单独作用、正温度梯度和列车荷载共同作用以及负温度梯度和列车荷载共同作用3种工况下轨道板的最大拉、压应力,砂浆层最大垂向压应力和快修砂浆层以及轨道板的最大垂向位移。计算结果表明,在各种荷载的作用下,快修砂浆处的轨道结构受力均能够达到正常投入使用的标准,并且快修砂浆的应力值未超过其2 h强度值3 MPa,因此不需要对维修的轨道进行临时支护。

关键词：CRTSⅡ型板式无砟轨道；轨道维修；快修砂浆；温度梯度

1概述

CRTSⅡ型板式无砟轨道以其高可靠性、高稳定性和高平顺性，较好地适应了高速铁路的要求。路基和隧道地段CRTSⅡ型板式无砟轨道结构主要由钢轨、扣件、轨道板、水泥沥青砂浆层和支承层等组成，曲线超高在路基基床或隧道仰拱(底板)表层上设置。桥梁地段由钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、侧向挡块等部分组成，桥台后路基设置锚固结构(摩擦板、土工布及端刺)及过渡板。砂浆层是 CRTSⅡ型板式无砟轨道的重要组成部分，通过 30 mm 厚的砂浆充填层实现轨道板的均匀支承及其与底座板(支承层)的连接，因此砂浆层应满足强度和弹性双重要求，其性能的优劣直接影响无砟轨道的耐久性和维修工作量[1-4]。

水泥沥青砂浆是CRTSⅡ型板式无砟轨道的薄弱环节，高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构中较为常见的伤损形式之一便是砂浆层与轨道板或底座板(支承层)之间出现离缝伤损，砂浆层破坏后会直接影响轨道的平顺性，因此需要及时修补。我国客运专线跨区域大、线路长，这些客观情况决定了维修天窗设置不同于德、日、法等国，而必须具有短时性，目前均采用4 h垂直“天窗”，即要求对砂浆层进行快速维修。快修砂浆2 h内强度仅能达到3 MPa，在此期间内通车，可能对行车安全构成影响。本文基于有限元的方法，建立CRTSⅡ型轨道结构有限元模型，研究温度梯度和列车荷载作用下，快修砂浆对轨道结构受力性能的影响[5-7]。

2计算模型及相关参数

2.1计算模型

力学模型如图1所示。模型中，钢轨采用弹性点支承梁模拟；扣件采用单个线性点支承弹簧模拟；轨道板、底座板(支承层)和水泥乳化沥青砂浆层采用实体单元模拟；下部基础的竖向支承作用采用均匀布置离散的线性弹簧模拟。为消除边界效应，模型选取3块单元轨道板或相当的长度进行计算，以中间单元板作为研究对象。3块轨道板仅中间轨道板下的水泥乳化沥青砂浆为快修砂浆，其余两块轨道板下均为正常状态的水泥乳化沥青砂浆[8-10]。

图1　CRTSⅡ型板式轨道快修砂浆力学模型

2.2相关参数

选取CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为研究对象，轨道板结构的尺寸为6 450 mm×2 550 mm×200 mm，砂浆层厚度为30 mm，底座板宽3 250 mm，厚度为300 mm。扣件间距为650 mm，每块轨道板均布10个扣件。轨道板连续，砂浆层在宽接缝两边断开，宽接缝尺寸为50 mm×2 550 mm×100 mm。为了研究快修砂浆对轨道结构受力的影响，取快修砂浆弹性模量3 000 MPa、正常状态的砂浆弹性模量为7 000 MPa进行计算并对比其结果。参考国内外文献，CRTSⅡ型板式无砟轨道结构在列车和温度荷载下的计算参数见表1[11-12]。

3快修砂浆对轨道结构受力的影响

3.1计算工况

为分析研究快修砂浆层对轨道结构受力的影响，主要考虑工况1只有列车荷载作用、工况2正温度梯度与列车荷载共同作用、工况3负温度梯度与列车荷载共同作用3种工况。列车荷载取常用轮载，即150 kN，荷载作用位置从板缝位置至第五、六扣件之间变化共6种作用位置。

表1　CRTSⅡ型板式无砟轨道结构在列车和

3.2列车荷载单独作用

列车荷载单独作用时轨道板和砂浆层的最大应力、位移均出现在荷载作用处附近，其值随荷载作用位置的变化如图2所示。

随列车荷载由板缝中心处向板中移动，正常砂浆情况下，轨道板最大纵、横向拉应力值没有明显变化，其值约为0.25 MPa和0.18 MPa；快修砂浆情况下，轨道板最大纵、横向拉应力最大值减小，其最大值出现在荷载作用于板缝中心处时(图中横坐标为0时)，其值分别为0.25 MPa和0.36 MPa。与正常砂浆情况相比，快修砂浆情况下，轨道板最大纵、横向拉应力明显增大，特别是最大横向拉应力值，几乎是正常砂浆时的2倍；正常砂浆与快修砂浆情况下轨道板最大纵、横向压应力均逐渐减小，相对而言，快修砂浆情况下，轨道板最大纵、横向砂浆的压应力值变化更为明显，两种情况下，其最大值均出现在荷载作用于板缝中心处时，正常砂浆时，其值分别为2.71 MPa和2.46 MPa，快修砂浆情况下，其值分别为2.65 MPa和2.40 MPa；正常砂浆情况下，砂浆最大垂向压应力变化不明显，其值约为0.39 MPa，快修砂浆情况下，砂浆荷载在板缝中心处附近时，砂浆最大垂向压应力有明显的减小，随后趋于稳定，荷载在板缝中心处其值最大为0.49 MPa；与正常砂浆情况相比，快修砂浆情况下，轨道板与砂浆的最大垂向位移均有较为明显的增大，增加值约为0.03 mm。

图2　列车荷载单独作用轨道板和砂浆层的最大应力、位移

综上所述，当列车荷载单独作用时，快修砂浆支承的轨道板纵、横向拉压应力符合要求，未超过混凝土的强度(轨道板C60混凝土抗拉强度设计值2.04 MPa，抗压强度设计值27.5 MPa)，快修砂浆列车垂向压应力满足其2h强度值3 MPa的要求。

3.3正温度梯度和列车荷载共同作用

图3　正温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层最大应力、位移

正温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层的最大应力、位移均出现在荷载作用处附近，其值随荷载作用位置的变化如图3所示。随列车荷载由板缝中心处向板中移动，普通砂浆情况下轨道板的最大纵、横向拉应力无明显变化，其值约为0.70 MPa和0.96 MPa，快修砂浆情况下轨道板最大纵、横向拉应力有一定增加，其最大值出现在荷载作用于板中时(图中横坐标为3.275 m)，最大值分别为0.85 MPa和0.96 MPa，与正常砂浆情况相比，快修砂浆情况下轨道板最大纵向拉应力明显增大、最大横向拉应力减小；两种情况下，轨道板最大纵、横向压应力有所增大，其最大值均出现在荷载作用于板缝中心处时，正常砂浆情况下其值分别为9.91 MPa和5.52 MPa，快修砂浆情况下其值分别为9.84 MPa和5.49 MPa，与正常砂浆相比，快修砂浆情况下，轨道板最大纵向拉应力略有增加、最大横向拉应力略有减小；两种情况下砂浆层最大垂向压应力均逐渐增大，正常砂浆情况下其最大值出现在荷载作用于板缝中心处时，其值为1.4 MPa，快修砂浆情况下其最大值出现在荷载作用于第四、五扣件之间时(图中横坐标为2.625 m )，其值为1.53 MPa，快修砂浆的最大垂向压应力明显比正常砂浆的垂向压应力小；两种情况下砂浆与板的最大垂向位移均逐渐减小，其最大值均出现在荷载作用于板缝中心处时，正常砂浆情况下其值分别为0.462 mm和0.463 mm，快修砂浆情况下其值分别为0.453 mm和0.466 mm。

综上所述，当正温度梯度和列车荷载共同作用时，快修砂浆情况下轨道板纵、横向拉压应力符合要求，未超过混凝土的强度(轨道板C60混凝土抗拉强度设计值2.04 MPa，抗压强度设计值27.5 MPa)，快修砂浆垂向压应力满足其2h强度值3 MPa的要求。

3.4负温度梯度和列车荷载共同作用

图4　负温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层最大应力、位移

负温度梯度和列车荷载共同作用时轨道板和砂浆层的最大应力、位移均出现在荷载作用处附近，其值随荷载作用位置的变化如图4所示。随着列车荷载由板缝中心处向板中移动，轨道板最大纵、横向拉应力变化不大，正常砂浆情况下其最大值分别为1.48 MPa和1.87 MPa，快修砂浆情况下纵向拉应力的最大值分别为1.65 MPa和1.87 MPa，快修砂浆情况下轨道板最大纵向拉应力比正常砂浆情况下大，两种情况下最大横向拉应力几乎相等；轨道板最大压应力有少许增大，正常砂浆情况下轨道板最大横向压应力几乎没有变化，其值约为1.60 MPa，纵向压应力的最大值出现荷载作用于板缝中心处时，其值为0.76 MPa，快修砂浆情况下，轨道板最大纵、横向压应力均出现在荷载作用于板缝中心处时，其值分别为0.82 MPa和1.72 MPa，快修砂浆情况下轨道板最大纵、横向压应力均比普通砂浆情况下略小；两种情况下砂浆的最大垂向压应力变化不大，正常砂浆情况下其值约为1.10 MPa，快修砂浆情况下其值约为0.44 MPa；两种情况下砂浆与板的最大垂向位移均逐渐减小，正常砂浆情况下砂浆与板的最大垂向位移变化更为稳定，两种情况下砂浆与板的垂向位移的最大值均出现在荷载作用于板缝中心处时，且大小相同，砂浆与板的最大位移分别为0.403 mm和0.391 mm。

综上所述，当负温度梯度和列车荷载共同作用时，快修砂浆情况下轨道板纵、横向拉压应力符合要求，未超过混凝土的强度(轨道板C60混凝土抗拉强度设计值2.04 MPa，抗压强度设计值27.5 MPa)，快修砂浆垂向压应力满足其2 h强度值3 MPa的要求。

3.5砂浆层厚度

计算荷载采用设计荷载300 kN，选取砂浆层厚度为0.05、0.1、0.15、0.2 m四种工况计算。在不同的砂浆层厚度下轨道板和砂浆层的最大应力随荷载作用位置的变化如图5所示。

图5　不同砂浆层厚度时轨道板和砂浆层最大应力

随着砂浆层的增厚，轨道板最大纵向拉应力值变小，轨道板最大横向拉应力增大，且在由板缝中心处向板中移动的过程当中，轨道板最大横、纵向拉应力变化更为均匀；轨道板最大纵向压应力逐渐减小，砂浆层厚度从0.05 m到0.1 m变化时，轨道板最大横向压应力几乎没有变化，随着砂浆层厚度继续增加，轨道板最大横向压应力逐渐减小；砂浆层厚度从0.05 m增加到0.15 m时，砂浆层最大垂向压应力逐渐增加，砂浆层厚度从0.15 m增加到0.2 m时，砂浆层最大垂向压应力明显减小。

4结论

通过静力分析快修砂浆的轨道结构中轨道板和砂浆层的应力、位移以及砂浆层厚度变化的影响，得出以下结论：

(1)在列车荷载单独作用、正温度梯度和列车荷载共同作用、负温度梯度和列车荷载共同作用时，快修砂浆的轨道结构受力均能够达到正常投入使用的标准，并且快修砂浆的应力值未超过其2 h强度值3 MPa，因此不需要临时支撑结构；

(2)在列车荷载单独作用下，当列车荷载作用在新旧砂浆界面处时，轨道板、快修砂浆层的应力、位移值最大；当正温度梯度和列车荷载共同作用时，随列车荷载由板缝中心处向板中变化，轨道板横向拉应力增大，砂浆垂向应力和位移减小；当负温度梯度和列车荷载共同作用时，当列车荷载由板缝中心处向板中变化时，快修砂浆层和轨道板垂向位移减小，应力变化不大；

(3)当砂浆层厚度增大时，轨道板纵向拉应力变小，而横向拉应力变大，对轨道板纵横向压应力几乎无影响，在一定范围内厚度越大，砂浆层应力越小，但厚度增加到一定程度，砂浆层应力反而会减小。考虑到砂浆造价和施工工艺等影响，建议砂浆层厚度不宜超过0.1 m，如能控制砂浆层的开裂，则厚度可以不限制。

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Analysis of the Effect of Fast Mortar Repairing of CRTSⅡ Slab Track on the Performance of Track StructureLIU Xiao-kai, YANG Rong-shan, PAN Guo-rui, DU Hua-yang

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：This paper focuses on CRTS II slab ballastless track and establishes a CRTSⅡslab track fast mortar repairing mechanical model based on the existing fast mortar repairing technology. The finite element method is employed to calculate the maximum tensile stress and compressive stress of the track slab, the maximum vertical compressive stress of mortar layer and the maximum vertical displacement of fast mortar repairing layer and track slab under such combined three conditions as independent action of train load, interaction of positive temperature gradient and train loads and interaction of negative temperature gradient and train loads. The calculation results show that under different loads, the track structural stress of fast repairing mortar meets the normal operational standards, and the stress value of fast repairing mortar is no more than 3MPa of 2h strength value, thus there is no need for temporary support for track maintenance.

Key words：CRTS II ballastless slab track; Track maintenance: Fast repairing mortar; Temperature gradient

中图分类号：U213.2+44

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.014

文章编号：1004-2954(2015)05-0065-05

作者简介：刘笑凯(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：jlallk@163.com。

基金项目：中国铁路总公司科技开发重大项目(2013G008)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-18