蘇成光，向　芬，胡　佳，?！〕浚w坪銳

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都　610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計研究院，重慶　404100）

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路基上CRTSⅡ型板式軌道縱向接縫損傷成因分析

蘇成光1，向芬1，胡佳2，牛晨1，趙坪銳1

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031；2.重慶市軌道交通設(shè)計研究院，重慶404100）

摘要基于混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系建立路基上CRTSⅡ型板式軌道有限元模型，探討溫度荷載、層間狀態(tài)、材料質(zhì)量等對寬接縫處混凝土損傷的影響，分析寬接縫損傷產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：正常狀態(tài)下，因混凝土材料極限抗拉強度較小，其受拉損傷程度遠大于受壓損傷程度；若軌道板與寬接縫混凝土粘結(jié)較好，則軌道板在降溫荷載作用下會沿著“假縫”開裂，符合設(shè)計的初衷；當(dāng)軌道板與砂漿層之間出現(xiàn)離縫時須及時修復(fù)，以免在溫度荷載作用下加大寬接縫損傷；若寬接縫處混凝土強度下降，則軌道結(jié)構(gòu)損傷明顯增大，現(xiàn)場施工應(yīng)保證寬接縫處的混凝土質(zhì)量；軌道板與寬接縫之間的離縫病害會加劇軌道板與砂漿層層間離縫的發(fā)展，應(yīng)及時修復(fù)。

關(guān)鍵詞CRTSⅡ型板式軌道；縱向接縫；塑性損傷；離縫；假縫

截止到2015年底，我國高鐵規(guī)模已達1. 9萬km，居世界首位，達到世界高鐵總運營里程的50％以上。目前我國高速鐵路主要采用CRTSⅠ，CRTSⅡ，CRTSⅢ型板式無砟軌道和CRTSⅠ，CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式［1］，其中京滬、京津、京杭、京石、寧杭、杭甬、杭長等高速鐵路均采用CRTSⅡ型板式無砟軌道。由于我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜，無砟軌道結(jié)構(gòu)的病害逐漸顯現(xiàn)出來［2-4］。CRTSⅡ型板式無砟軌道常見的2種病害類型：寬窄接縫損傷（本文簡稱接縫損傷）和軌道板與砂漿層離縫，如圖1所示。若不及時修復(fù)，會嚴重影響軌道結(jié)構(gòu)的長期服役性能和耐久性。因此，探明軌道病害產(chǎn)生的原因并提出合理的設(shè)計與維修建議，是目前日益緊迫的課題。

徐浩等［5］針對CRTSⅡ型板式軌道寬接縫開裂問題及修補材料對軌道板的影響進行了分析。黃河山［6］對CRTSⅡ型板式軌道“假縫”開裂的條件及開裂后對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響開展了研究。以上研究均采用線彈性模型，沒有考慮混凝土材料的非線性特性。針對該現(xiàn)狀，本文將混凝土塑性損傷引入有限元模型，探討溫度荷載、粘結(jié)方式、混凝土質(zhì)量對CRTSⅡ型板式軌道寬接縫處混凝土損傷的影響，分析損傷產(chǎn)生的原因，為寬接縫設(shè)計及維修提供建議。

圖1　CRTSⅡ型板式無砟軌道現(xiàn)場病害

1　CRTSⅡ型板式優(yōu)化軌道塑性損傷有限元模型

無砟軌道產(chǎn)生損傷時，其構(gòu)成材料已進入塑性損傷狀態(tài)，應(yīng)采用塑性損傷本構(gòu)關(guān)系表征損傷部位混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1. 1混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系

采用LEE等［7］提出的混凝土塑性損傷模型來描述混凝土的力學(xué)性能，該塑性損傷模型主要用于模擬低靜水壓力下由損傷引起的不可恢復(fù)的材料退化。

塑性損傷狀態(tài)下的應(yīng)變率分為彈性應(yīng)變率和塑性應(yīng)變率，即

應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系式為

式中：σ為應(yīng)力；d為剛度損傷變量，0≤d≤1，材料未損壞時，d = 0，材料完全損壞時為材料的初始（未損傷）彈性剛度；ε為應(yīng)變；εpl為塑性應(yīng)變。

混凝土材料的剛度退化可由2個獨立的單軸損傷變量來描述，即拉伸損傷因子dt和壓縮損傷因子dc，那么材料在單軸拉伸和壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別為

式中：σt，σc分別為總拉、壓應(yīng)力；εt，εc分別為總拉、壓應(yīng)變分別為塑性拉、壓應(yīng)變。

1. 2計算參數(shù)及工況設(shè)置

在CRTSⅡ型板式無砟軌道有限元模型中鋼軌為CHN60軌，鋼軌、扣件分別采用梁單元、彈簧單元，軌道板和底座板均采用實體單元。軌道板尺寸為6. 45 m×2. 55 m×0. 20 m，其中軌道板混凝土與寬接縫混凝土強度等級為C55，二者均采用混凝土塑性損傷表征本構(gòu)關(guān)系，而支承層、砂漿層、鋼筋等采用線彈性材料，路基支承面剛度為76 MPa/m。

通過調(diào)查分析［8］，張拉鎖件、施工質(zhì)量、溫度荷載及軌道板與砂漿層的離縫均對接縫損傷有影響。本文通過設(shè)置軌道板與砂漿層粘結(jié)正常狀態(tài)、軌道板與砂漿層全脫空、寬接縫混凝土質(zhì)量不良（用C40混凝土參數(shù)代替C55混凝土）、接縫混凝土與軌道板間出現(xiàn)離縫這4種工況，對CRTSⅡ型板式無砟軌道接縫損傷的成因及其影響展開分析。

2　正常狀態(tài)下結(jié)構(gòu)損傷分析

參考文獻［9］中溫度取值方式，本文假設(shè)夏季升溫情況時最大正溫度梯度為80℃/m，沿軌道板垂向線性分布，軌道板上表面升溫40℃；冬季降溫情況時最大負溫度梯度為- 40℃/m，沿軌道板垂向線性分布，軌道板上表面降溫30℃。板厚修正系數(shù)均為1. 05。

1）夏季升溫情況

夏季升溫時，寬接縫混凝土在整體升溫和正溫梯共同作用下的損傷分布如圖2所示。

圖2　寬接縫混凝土在整體升溫和正溫梯共同作用下的損傷分布

由圖2可知，寬接縫混凝土受壓損傷位置比較集中，位于結(jié)構(gòu)中部，受壓損傷最大值為0. 1。與受壓損傷相比，寬接縫混凝土的受拉損傷則十分明顯，影響范圍大，受拉損傷最大值為0. 92，可認為混凝土已經(jīng)退出工作，不能繼續(xù)承載。這與混凝土材料極限抗拉強度較小有關(guān)，受拉損傷程度遠大于受壓損傷程度。

2）冬季降溫情況

冬季降溫時，寬接縫混凝土在整體降溫和負溫梯共同作用下的損傷分布如圖3所示。

圖3　寬接縫混凝土在整體降溫和負溫梯共同作用下的損傷分布

由圖3可知，軌道板在“假縫”處受拉損傷值為0. 92，可認為軌道板沿“假縫”全斷面開裂。在軌道板與寬接縫混凝土粘結(jié)作用較強的情況下，寬接縫混凝土損傷較小，軌道板在降溫荷載作用下沿著“假縫”開裂，符合設(shè)計的初衷［9］。但實際上軌道板與寬接縫粘結(jié)作用較弱，因此寬接縫與軌道板出現(xiàn)離縫破壞較“假縫”開裂嚴重。

3　軌道板與砂漿層粘結(jié)狀態(tài)的影響分析

對軌道結(jié)構(gòu)整體升溫，在不同溫度荷載作用下正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)損傷如圖4所示。

由圖4可知，在2種狀態(tài)下，寬接縫混凝土受壓損傷均較小，幾乎沒有破壞。2種狀態(tài)的受拉損傷值則隨著溫度的增加而快速增加，特別在離縫狀態(tài)下，當(dāng)溫度達到30℃時，受拉損傷值就達到0. 92，混凝土材料已破壞。因此，當(dāng)軌道板與砂漿層之間出現(xiàn)離縫時，應(yīng)及時修復(fù)，以免在溫度荷載作用下進一步加劇寬接縫的損傷。

圖4　不同溫度荷載下正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)損傷

在相同層間粘結(jié)狀態(tài)下，隨著整體溫度升高，寬接縫混凝土的損傷分布基本相同，只是損傷程度逐漸增加。本文主要選取整體升溫30℃的損傷分布情況進行分析，正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)受拉、受壓損傷分布分別如圖5、圖6所示。

圖5　正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)受拉損傷分布

圖6　正常狀態(tài)和離縫狀態(tài)受壓損傷分布

由圖5可知，整體升溫30℃時，軌道板與砂漿層粘結(jié)正常狀態(tài)下寬接縫混凝土受拉損傷最大值為0. 237，多分布在張拉鎖件的上部。而在離縫狀態(tài)下，受拉損傷最大值達到了0. 917，主要出現(xiàn)在中間2個張拉鎖件的下方。一旦軌道板與砂漿層出現(xiàn)離縫，則在軌道結(jié)構(gòu)升溫時寬接縫混凝土容易出現(xiàn)拉伸損傷。

由圖6可知，2種狀態(tài)下的損傷均較小。說明在一般情況下，寬接縫混凝土抗壓能力較強，不會出現(xiàn)受壓破壞。

4　寬接縫施工質(zhì)量不良時損傷分析

寬接縫處的混凝土是現(xiàn)場澆筑，若養(yǎng)護不足，則可能沒有達到混凝土強度設(shè)計指標。為了研究寬接縫處混凝土強度對結(jié)構(gòu)損傷的影響，假設(shè)在質(zhì)量不良的狀態(tài)下（下文簡稱低強狀態(tài)），寬接縫混凝土強度等級為C40，分析層間粘結(jié)良好和層間離縫2種狀態(tài)在整體升溫50℃的作用時寬接縫處混凝土強度與損傷程度的關(guān)系。

4. 1層間粘結(jié)良好

層間粘結(jié)良好時，正常狀態(tài)和低強狀態(tài)受拉、受壓損傷分布分別如圖7、圖8所示。

圖7　層間粘結(jié)良好時正常狀態(tài)和低強狀態(tài)受拉損傷分布

由圖7可知，2種狀態(tài)下受拉損傷最大值均較大，低強狀態(tài)下混凝土的受拉損傷最大值為0. 829，主要集中在寬接縫兩端，其損傷范圍比正常狀態(tài)下范圍更大。

圖8　層間粘結(jié)良好時正常狀態(tài)和低強狀態(tài)受壓損傷分布

由圖8可知，受壓損傷主要分布在寬接縫結(jié)構(gòu)的上半部分，張拉鎖件上部區(qū)域較多，不過數(shù)值均較小。但混凝土強度下降后，損傷明顯增大。

4. 2軌道板與砂漿層離縫

層間離縫時，正常狀態(tài)和低強狀態(tài)受拉、受壓損傷分布分別如圖9、圖10所示。

圖9　層間離縫時正常狀態(tài)和低強狀態(tài)受拉損傷分布

圖10　層間離縫時正常狀態(tài)和低強狀態(tài)受壓損傷分布

由圖9可知，2種狀態(tài)的受拉損傷均較大，但低強狀態(tài)下混凝土損傷破壞影響范圍更大，現(xiàn)場施工應(yīng)保證寬接縫處的混凝土質(zhì)量。

由圖10可知，正常狀態(tài)下，混凝土的受壓損傷集中在張拉鎖件邊緣，損傷值較小。而低強狀態(tài)下，混凝土的受壓損傷主要集中在窄接縫混凝土處，最大值達到0. 576?；炷翉姸认陆岛?，將明顯增加窄接縫混凝土的受壓損傷程度。

5　寬接縫與軌道板間離縫時的影響分析

本節(jié)假設(shè)寬接縫處混凝土與軌道板混凝土之間出現(xiàn)離縫，而軌道板與砂漿層粘結(jié)良好，研究在整體降溫20℃時，寬接縫與軌道板離縫對軌道板損傷的影響。離縫時軌道板損傷分布如圖11所示。

圖11　離縫時軌道板損傷分布

由圖11可知，軌道板的受壓損傷值不大，主要集中在板端底部邊緣處。但軌道板板端底部出現(xiàn)了大范圍的拉伸損傷，受拉損傷最大值達到0. 917，受損嚴重。離縫時，在低溫荷載作用下，軌道板的收縮主要依靠軌道板與砂漿層的粘結(jié)力抵抗，這樣會加劇軌道板與砂漿層離縫的病害。因此，在寬接縫與軌道板出現(xiàn)離縫病害時應(yīng)及時修復(fù)，避免軌道板與砂漿層等病害的產(chǎn)生。

6　結(jié)論與建議

本文通過對不同層間狀態(tài)、寬接縫質(zhì)量及寬接縫與軌道板離縫下的軌道結(jié)構(gòu)損傷狀況進行分析，主要得到以下結(jié)論，并給出相關(guān)建議。

1）正常狀態(tài)下，因混凝土材料極限抗拉強度較小，受拉損傷程度遠大于受壓損傷程度。若軌道板與寬接縫混凝土粘結(jié)較強，則寬接縫混凝土損傷較小，軌道板在降溫荷載作用下會沿著“假縫”開裂，符合設(shè)計的初衷。

2）軌道板與砂漿層在層間離縫狀態(tài)下，當(dāng)溫度達到30℃時，受拉損傷就達到0. 92，混凝土材料已破壞。當(dāng)軌道板與砂漿層間出現(xiàn)離縫時，要及時修復(fù)，以免在溫度荷載作用下進一步加劇寬接縫的損傷。

3）軌道板與砂漿層層間粘結(jié)完好和離縫2種狀態(tài)在寬接縫施工質(zhì)量不良時損傷破壞均較大，現(xiàn)場施工應(yīng)保證寬接縫混凝土質(zhì)量。

4）軌道板與寬接縫間出現(xiàn)離縫時，在低溫荷載作用下，軌道板的收縮主要靠軌道板與砂漿層的粘結(jié)力抵抗，這樣會加劇軌道板與砂漿層層間離縫的病害。因此，在寬接縫與軌道板出現(xiàn)離縫病害時應(yīng)及時修復(fù)，避免軌道板與砂漿層等病害的產(chǎn)生。

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（責(zé)任審編鄭冰）

第一作者：蘇成光（1989—），男，博士研究生。

Causes Analysis of Longitudinal Joint Damage of CRTSⅡSlab-type Track on Subgrade

SU Chengguang1，XIANG Fen1，HU Jia2，NIU Chen1，ZHAO Pingrui1
（1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute，Chongqing 404100，China）

AbstractBased on the concrete plastic damage constitutive，a finite element model of CRT SⅡslab-type track on subgrade was established to explore the influence of temperature，interface state and material quality on the concrete damage，and analyze the cause of longitudinal joint damage. T he results show that the ultimate tensile strength of concrete is small in normal state，the tension damage is much greater than the compression damage. If the bonding performance between the track slab and the longitudinal joint concrete is fine，the cracks of track slab will appear along the dummy joints under the cooling load，which meet the design requirements. W hen the gap between the track slab and the CA mortar layer appears，it should be repaired in time to avoid further damage of longitudinal joint. If the concrete strength of longitudinal joint decreases，the damage of track structure will increase significantly. Site construction should ensure the concrete quality of longitudinal joint. T he gap between the track slab and the longitudinal joint will aggravate the expansion of the gap between the track slab and the CA mortar layer，it should be repaired in time.

Key wordsCRT SⅡslab-type track；Longitudinal joint；Plastic damage；Interface connection damage；Dummy joints

中圖分類號U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 14

文章編號：1003-1995（2016）05-0064-05

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-03-14

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2013CB036202）；國家自然科學(xué)基金——高鐵聯(lián)合基金（U1434208；U1534203）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（Z2013G001；2014G001-A）

通訊作者：趙坪銳（1978—），男，副教授，博士。