持续高温作用下CRTSⅡ型无砟轨道层间离缝分析

钟垚，何越磊，路宏遥，李再帏

CRTSⅡ型板式无砟轨道具有高稳定、高平顺的特点，是目前已运营的高速铁路中应用较广的轨道结构型式之一。我国地域广，不同区域气候差异较大，对无砟轨道在服役状态下的性能的影响也存在差异。华东地区每年高温天气持续时间长，据气象资料统计，该地区夏季气温基本在30 ℃ 以上，最高可突破 40 ℃，且近年来频繁出现持续高温天气[1-2]。持续高温是指连续3日最高气温达到35 ℃以上，同时日温差小于 10 ℃的气象天气［3］。CRTSⅡ型轨道板导热性能较差，在夏季高温特别是在持续高温作用下，轨道结构内部热量积聚无法及时放散，易形成竖向温度梯度持续作用。石现峰等[4-7]认为无砟轨道温度梯度导致的轨道板翘曲变形是轨道板与砂浆层间离缝产生的主要原因。而各结构层及层间工作性能又是 CRTSⅡ型板式无砟轨道体系能否安全服役的重要指标[8-10]。对华东地区某运营多年的高速铁路段现场调研表明，高温季节里CRTSⅡ型板式无砟轨道出现多处层间离缝现象，这也是轨道板主要病害之一，其发展演化机理需深入研究。因此，本文结合夏季高温时段对气温和轨道板温度梯度长期监测数据的分析，建立 CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元三维实体模型，对持续高温作用下无砟轨道层间离缝特征进行探讨。

1 现场测试与分析

1.1 现场测试实施

选择华东地区某高铁线路路段设置测试工点，监测内容包括气温和轨道板温度。轨道板温度测点设置在靠近轨道板中间位置，如图1所示位置沿轨道板竖向布置 3个温度传感器，温度传感器采用PT-100热电阻式传感器。

图1 轨道板温度传感器竖向分布Fig. 1 Vertical distribution of slab temperature sensor

1.2 测试数据分析

通过对2016年夏季7月～9月实测数据分析得到日最高气温与日最低气温时程曲线图，如图2所示，可见2016-08-12～2016-08-14连续3天日最高气温超过35 ℃，且同时这3天日温差分别为8，7和8 ℃，日温差均小于10 ℃，属于典型持续高温天气。

图2 测试工点日最高气温与日最低气温时程曲线Fig. 2 Daily maximum and minimum temperature of measured site

图3 给出了持续高温期间气温与轨道板竖向温度随时间变化情况。轨道板温度场变化规律与气温变化时序规基本保持一致，均以日为周期呈现波浪式变化。随着轨道板竖向深度的增加，温度日变化曲线的波动幅度逐渐减小。由于混凝土导热性能差，造成轨道板温度整体高于气温，持续高温作用导致轨道板温度保持在 30 ℃ 以上，最高可达 48℃。如图4所示基于轨道板竖向实测温度并结合刘钰[11]的方法计算出持续高温期间轨道板深度范围内温度梯度，可见温度梯度以日为单位呈周期性变化。一日当中，在 8:00—18:00为正温度梯度，持续约10 h；19:00—24:00，0:00—8:00为负温度梯度，持续约14 h。

规范中规定，混凝土轨道板最大正温度梯度取值为90 ℃/m［12］。经表1持续高温期间轨道板竖向正温度梯度最大值统计结果可见，连续3 d最大正温度梯度均超过 60 ℃/m，未超过规范最大值。但运营现场情况表明，夏季高温期间确实存在多处层间离缝现象。因此，基于现场正温度梯度实测值，对持续高温作用下无砟轨道层间离缝特征进行数值分析。

图3 持续高温期间气温与轨道板竖向温度时程曲线Fig. 3 Air temperature and slab vertical temperature during sustained high temperature

图4 持续高温期间轨道板温度梯度分布规律Fig. 4 Temperature gradient of slab during sustained high temperature

表1 持续高温期间轨道板竖向正温度梯度最大值Table 1 Maximum of vertical positive temperature gradient of slab during sustained temperature

2 有限元分析

2.1 模型建立

如图 5，按照结构实际尺寸建立 CRTSⅡ型板式无砟轨道层间损伤分析空间三维模型，其中钢轨采用B31梁单元模拟，扣件系统采用CONN3D2连接单元模拟，轨道板、宽窄接缝、砂浆和支承层采用 C3D8R实体单元模拟。假设各结构层之间黏结良好，层与层之间采用绑定方式进行约束。各部件材料计算参数取值如表2所示［13］。模型中混凝土采用损伤塑性本构模型，其他材料部件采用线弹性本构模型。

图5 CRTSⅡ型板式无砟轨道层间损伤分析空间三维模型Fig. 5 Three-dimensional model of interfacial damage analysis of CRTSⅡ slab track

表2 CRTSⅡ型板式无砟轨道计算参数Table 2 Calculated parameters of CRTSⅡ slab track

模型通过引入内聚力单元来模拟无砟轨道层间损伤的产生和演化，采用强度准则和能量释放准则，由内聚力单元的失效来模拟层间损伤的起始与扩展，即在轨道板与砂浆层之间嵌入1 mm厚内聚力单元，内聚力单元界面法向和切向黏结强度取1×106Pa，断裂能取15 J/m2[14-15]。当内聚力界面应力达到起始损伤准则时，层间就会产生损伤，当损伤区域尖端应力产生的能量超过界面断裂能后，层间开始产生完全脱黏开裂。层间损伤状况由损伤因子(SDEG)大小表征，损伤因子越大，层间损伤越严重，当损伤因子增加到1时，此处单元完全损伤，失去承载能力，形成层间离缝。

2.2 计算假定与荷载条件

计算时仅考虑正温度梯度荷载及轨道结构自重的作用，建模时取3块轨道板长度，模型的端部采用固定约束，在模拟路基的弹簧底部时约束3个方向的自由度，计算结果取中间轨道板，忽略边界的影响。轨道结构层间完全接触，各部件材料均匀且各向同性。计算分析持续高温作用时，采用多分析步施加温度梯度荷载，分3个分析步将表1中实测3日最大正温度梯度施加在轨道板上，并通过重启动分析实现在上一分析步计算结果上继续计算。此外，取轨道板正温度梯度90 ℃/m进行计算，与持续高温作用进行比较。

2.3 计算结果与分析

图6为模型分别在持续高温与90 ℃/m作用下砂浆层垂向应力计算结果。从结果可以看出，板端位置砂浆层垂向应力为正，表现为垂向拉应力；板中位置砂浆层垂向应力为负，表现为垂向压应力。持续高温作用下，第一分析步63.4 ℃/m时，板端处砂浆层垂向拉应力为0.41 MPa，轨道板与砂浆层黏结良好，但随着分析步的叠加，即正温度梯度的持续作用下，砂浆层垂向应力逐渐增大，第三分析步69.1 ℃/m时，板端处砂浆层垂向拉应力达到0.68 MPa；90 ℃/m 作用下，板端处砂浆层垂向拉应力达到0.71 MPa。当砂浆层垂向拉应力超过砂浆层黏结能力时(参考已有研究，本文取0.5MPa[13,16])，会致使砂浆层与轨道板脱黏，进而导致层间离缝的产生。

进一步由内聚力单元损伤因子变化来对持续高温作用下无砟轨道层间离缝特征进行探讨。图 7和图8分别给出内聚力界面在持续高温与90 ℃/m作用下整体损伤分布云图，云图上端部分为相对应轨道板纵向位置。在正温度梯度作用下轨道板产生翘曲变形，轨道板的翘曲只受自身重力和砂浆层间黏结和支承约束，从而在轨道板与砂浆的层间内聚力界面产生相互作用而形成拉应力和剪应力。如图7所示，7(a)，7(b)和7(c)表示持续高温作用下内聚力界面损伤变化，7(a)中在第一分析步63.4 ℃/m作用下，由于轨道板变形较小致使层间应力并未达到损伤准则，损伤因子较小，层间界面基本未产生伤损，7(b)和 7(c)中随着温度梯度的持续作用，轨道板变形加大导致局部层间应力增大，层间界面由不完全损伤发展成完全损伤，损伤因子到达1.00，形成层间离缝，并且层间损伤沿层间界面由边缘向内发展，靠近板角位置处为损伤集中区域，层间离缝面积最终达到约0.52 m2；图8中90 ℃/m作用下，沿轨道板板边位置损伤因子到达1.00，形成层间离缝，面积约为0.76 m2。

图6 砂浆层垂向应力Fig. 6 Vertical stress of cement asphalt emulsion mortar layer

图7 持续高温作用下内聚力界面整体损伤云图Fig. 7 Cloud diagram of global damage of cohesion interface under sustained high temperature

图8 90 ℃/m作用下内聚力界面整体损伤云图Fig. 8 Cloud diagram of global damage of cohesion interface under load of 90 ℃/m

可见，持续高温期间轨道板正温度梯度虽未超过规范规定的轨道板最大正温度梯度 90 ℃/m，但在温度梯度的持续作用下，轨道板与砂浆层之间同样能产生层间离缝，且靠近板端位置层间离缝现象较其他位置更加严重。工务部门对测试线路沿线进行了巡检和调研，普查中发现离缝较为严重的区域多集中在板角位置，这与有限元分析结果相吻合。

3 结论

1) 受气温影响，无砟轨道板温度以日为周期反复变化，且随着轨道板深度增加，温度日波动量减小。持续高温期间轨道板竖向最大正温度梯度均超过60 ℃/m，轨道板温度整体高于气温，保持在30 ℃以上，最高时轨道板顶部可达48 ℃。

2) 有限元分析结果表明，持续高温期间正温度梯度虽未超过规范规定的轨道板最大正温度梯度90 ℃/m，但在较大温度梯度(60 ℃/m以上)的持续作用下，轨道板与砂浆层之间同样能产生层间离缝，通过比较，持续高温与温度梯度90 ℃/m作用下，两者层间损伤程度较为接近，且靠近板角位置层间离缝现象比其他位置更加严重。

3) 建议工务维护人员在夏季炎热时期，应考虑持续高温叠加对无砟轨道结构的影响，持续高温期间加强对轨道板与砂浆层间离缝的巡查，特别是靠近轨道板板角处层间离缝的检查，掌握好养护维修的最佳时机。

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