高温环境下列车荷载对CRTSⅡ型板式轨道宽窄接缝损伤行为的影响

李 威,刘学毅,肖杰灵,刘笑凯,董佳佳

(1.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； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

CRTSⅡ型板式无砟轨道是由宽窄接缝将预制轨道板串联、锁定而成的纵连式结构，直接暴露于自然环境中，随着周边环境温度的变化，结构内的温度应力受到纵向约束而不能自由释放。轨道结构温度升髙时，纵连结构内部承受较大的温度压力[1]。若压应力超过混凝土的抗压强度，则可能直接导致轨道部件压碎，影响轨道结构的受力与耐久性。蔡成标等人以温变作用下道床板最大损伤状态作为初始条件，研究了道床板塑性损伤[2];赵坪锐等分析了温度力对CRTSⅠ型双块式无砟轨道的影响[3]。上述研究主要针对路基上纵连式轨道结构在列车荷载及温降作用下伤损行为，未关注到混凝土的受压破坏。此外，高建明等研究了荷载-干湿交替-硫酸盐耦合作用下混凝土损伤过程[4]；彭立敏等分析了静动载耦合作用仰拱混凝土损伤特征[5];Cui J等进行了高静水压力下混凝土损伤试验研究[6];牛荻涛等进行了硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下混凝土损伤研究[7]。这些研究揭示了不同环境下混凝土存在不同的损伤行为，为研究温升条件下CRTSⅡ型板式轨道受列车荷载作用时的损伤发展提供了有益参考。

受结构构造、施工工艺等因素影响，宽窄接缝成为CRTSⅡ型板式纵连体系的薄弱环节，是该类结构的病害集中高发区，开裂、破碎或上拱等病害形式多样。特别是高温时轨道结构内存在较大的温度压应力，此时若有列车荷载作用，将改变轨道结构及宽窄接缝受力，并导致其快速伤损、破坏。为确保该型轨道结构服役安全，研究列车荷载与温升荷载耦合作用下宽窄接缝损伤行为具有重要的现实意义。

1 混凝土损伤塑性模型

混凝土损伤塑性模型以Lubliner[8]，Lee和Fenves[9]提出的损伤塑性模型为基础，以各向同性弹性损伤结合各向同性拉压塑性理论描述混凝土的非弹性行为，可以很好地模拟低围压情况下，混凝土受单调荷载、循环或动荷载作用下的力学行为[10]。该模型引入指标损伤因子d，用来评价混凝土损伤和失效程度。

混凝土塑性损伤模型与率无关，总应变率由弹性和塑性两部分组成，可表示为

ε=εel+εpl

(1)

式中，εel为弹性应变率；εpl为塑性应变率。

该模型中，应力、应变关系可表示为

(2)

当材料受压破碎时，结构刚度下降。假定损伤为标量，刚度退化是各向同性的，依据连续介质的观点，受压时的有效应力可用损伤因子表示，其损伤本构模型为

(3)

该模型假定损伤后的有效弹性模量E可用无损弹性模量E0与损伤因子d表示，即

E=(1-d)E0

(4)

损伤因子d在0(无损伤)到1(完全失效)之间变化。

选取我院消毒供应室医疗器械600件，依据电脑随机分配的原则均分两组，即研究组和参照组，医疗器械各300件。器械主要为：血管钳、组织剪、和镊子，同时还包括弯盘、卵圆钳、拉钩、老虎钳、打肋器和持针钳等。该科室工作人员共20名。

宽窄接缝处混凝土的应力-应变曲线依据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[11]所提供的本构关系结合宽窄接缝处所浇混凝土强度等级(C35)确定，如图1所示。

宽窄接缝处混凝土损伤因子与应变关系如图2所示，损伤因子计算公式为[12]

(5)

式中，β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.4；εin为混凝土受压情况下的非弹性阶段应变。

图1 宽窄接缝混凝土应力-应变关系

图2 宽窄接缝混凝土损伤因子与应变关系

2 计算模型

当轨道板和宽窄接缝整体升温Δt时，其伸缩量为Δl=α·l·Δt。若模型两端完全固定，轨道结构无法自由伸缩，将产生温度压应力，根据虎克定律，温度应力σt为

(6)

式中,E为弹性模量；α为热膨胀系数。

为简化计算量，建立了CRTSⅡ板式无砟轨道平面模型。模型中自上到下依次为：钢轨、扣件、轨道板、砂浆层。模型全长12.95 m，包括2块轨道板和1个宽窄接缝。模型中扣件采用线性弹簧模拟，垂向刚度为30 kN/mm，纵向刚度为5 kN/mm[13]。轨道板、宽窄接缝、砂浆层均为实体单元，并假设砂浆层间黏结良好。为消除边界条件影响，对模型底部垂向全部约束，两端施加对称约束。其中，宽窄接缝处网格大小为0.005 m；轨道板网格大小为0.02 m；砂浆层网格大小为0.01 m。参数如表1所示。有限元模型如图3所示。

表1 轨道结构材料力学参数

图3 有限元模型

计算模型如图4所示。图中，工况1表示荷载作用于板中位置；工况2表示荷载作用于板边位置；工况3表示荷载作用于宽窄接缝正上方。

图4 计算模型

3 计算结果及分析

3.1 列车荷载作用位置的影响

图5 宽窄接缝损伤云图

列车荷载作用于不同位置时，宽窄接缝处混凝土最大损伤因子随温升变化曲线如图6所示。

图6 最大损伤因子随温升变化曲线

当轴重作用于板中或宽窄接缝正上方时，其损伤因子曲线与无列车荷载作用时基本重合；当列车荷载作用于板边时，损伤因子在整体升温6 ℃后有一个跳跃的过程，急剧增大。当轴重作用于宽窄接缝正上方时，垂向力通过扣件传递至轨道板的力很小，对宽窄接缝处混凝土损伤的影响很小；当轴重作用于板中位置时，受影响的扣件约为5个，并成对称分布，此时荷载对宽窄接缝混凝土损伤无影响；当轴重作用于板边位置时，依据日本学者的假设，0.4倍的轴重力将会直接传递至荷载所作用下方轨道板处[14]，加剧宽窄接缝处混凝土损伤。当无列车荷载作用或列车荷载作用位置离宽窄接缝较远时，整体升温15 ℃之前，基本无损伤；继续升温，损伤因子缓慢增长；当升温约28 ℃时，损伤因子迅速增大，宽窄接缝处混凝土逐渐压碎破坏。当列车荷载作用于板边时，整体升温约6 ℃时，损伤因子迅速增大，宽窄接缝处混凝土开始压碎破坏。

3.2 轴重大小影响

当前使用的高速列车轴重随车型改变会略有差异。为研究列车轴重大小对宽窄接缝损伤的影响，分别计算了整体升温25 ℃，轴重为0、2、5、8、11、14、17 t和20 t，列车荷载作用于板边位置时宽窄接缝的塑性损伤。各工况的损伤因子最大值如图7所示。

由图7可知，当轴重从0增加到2 t时，宽窄接缝开始出现损伤所需整体升温略微减小，损伤程度有少量增大；当轴重增加到5 t时，宽窄接缝在整体升温6 ℃时即开始出现损伤，且随着温度继续上升，损伤迅速增大；当轴重继续增加，此时轴重对于损伤的影响不再明显，轴重为5 t时和轴重为20 t时损伤因子变化曲线基本一致。

图7 不同轴重作用下宽窄接缝最大损伤因子

3.3 制动力影响

当列车实施制动时，列车对线路施加一纵向水平力一轨面制动力。轨面制动力通过扣件结构传到轨道板，会影响轨道板的损伤。为研究制动力作用位置对宽窄接缝混凝土损伤的影响，在不同位置施加列车轴重荷载及制动力，对比不同工况下损伤因子变化曲线。其中制动力率取0.164[15]。制动力及轴重作用于不同位置时，损伤因子变化曲线如图8～图10所示。

图8 荷载作用于宽窄接缝正上方时损伤因子变化

图9 荷载作用于板边损伤因子变化

图10 荷载作用于板中损伤因子变化

由图8可知，制动力对宽窄接缝处混凝土损伤影响极其明显。无列车荷载或只作用轴重时，损伤因子曲线基本重合，均变化较为平缓；轴重和制动力同时作用时，损伤因子在整体升温6 ℃时便急剧增大，进入压碎破坏阶段，制动力对损伤影响极其明显。由图9可知，轴重单独作用与轴重和制动力共同作用损伤因子变化曲线基本重合，制动力对混凝土损伤基本无影响。列车荷载作用于板中位置时，如图10所示，三条曲线无太大差异，制动力对混凝土损伤基本无影响。

由上述结果可知，制动力对宽窄接缝处混凝土损伤的影响程度取决于其作用位置。当制动力作用于宽窄接缝正上方时，会通过扣件将力传递至轨道板，传力扣件离宽窄接缝较近，故对宽窄接缝损伤影响较大；当制动力作用于板边位置时，由于制动力远小于轴重，故制动力对宽窄接缝损伤的影响很难体现出来；当制动力作用于板中位置时，由于荷载作用位置离宽窄接缝较远，纵向力传递至宽窄接缝处时已很小，对宽窄接缝损伤基本无影响。

4 结论

(1)在温升荷载或温升、列车荷载耦合作用下，宽、窄接缝最易在其联结处产生伤损，特别是转角位置，应加强宽、窄接缝界面处理和施工质量，提升其服役性能。

(2)列车荷载会改变伤损发生位置及发展趋势，伤损主要集中于窄接缝上部附近。无列车荷载作用、列车荷载作用于板边位置及列车荷载作用于板中位置时，损伤最先出现在窄接缝上部角点处，并呈倒V形向宽接缝处拓展；列车荷载作用于板边位置时，窄接缝靠近荷载作用位置上角点最先出现损伤，并呈约45°角向斜下方拓展。

(3)轴重作用于不同位置，宽窄接缝最先出现损伤的位置及发展趋势不一样。轴重作用于宽窄接缝正上方或板中位置时，损伤因子变化曲线基本与无列车荷载作用时一致；轴重作用于板边位置时，损伤因子变化曲线急剧增大阶段大幅度提前，提前进入损坏阶段。

(4)制动力对宽窄接缝影响与作用位置有关。当制动力作用于宽窄接缝正上方时对宽窄接缝损伤影响最大。

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