陳 帥,王安琪,常逢文,楊榮山,康維新,劉學(xué)毅

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道采用縱連軌道板和支承層結(jié)構(gòu)，與單元式軌道板相比，縱連軌道板結(jié)構(gòu)存在著巨大的溫度力，引起寬窄接縫破損、軌道板離縫、上拱等病害[1]。太陽輻射作為無砟軌道熱量的主要來源，減少太陽輻射吸收是降低軌道結(jié)構(gòu)溫度力的有效辦法之一。

反射隔熱涂料具有較高太陽光反射比和半球輻射率，能將太陽輻射通過光譜反射和遠紅外熱輻射的形式隔絕在涂刷物之外，從而達到節(jié)能降溫的效果[2-3]。對于反射隔熱涂料在無砟軌道上的適用性已有一些研究，李佳莉等[4]綜合考慮氣象條件，建立無砟軌道溫度場計算模型，分析了反射隔熱涂料對雙塊式軌道溫度場的影響?？稻S新[5]結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對比分析涂刷不同類型反射隔熱涂料的軌道板溫度變化規(guī)律，計算分析反射隔熱涂料對單元板翹曲和縱連板上拱的影響。

反射隔熱涂料在無砟軌道實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)全線覆蓋，存在局部降溫區(qū)段，由于反射隔熱涂料降溫的驟變性，涂與未涂交界面兩端存在一定的溫度差。在溫差荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生額外的縱向附加力，影響縱連式軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前針對特殊地段溫差荷載產(chǎn)生的縱向附加力研究較少，胡華峰[6]提出隧道洞口過渡段較短范圍內(nèi)，鋼軌溫度力出現(xiàn)驟變而導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。曾志平等[7]以某橋隧過渡段為研究對象，對鋼軌溫度和縱向變形進行連續(xù)監(jiān)測，得到高速鐵路過渡段處鋼軌溫度沿縱向分布規(guī)律以及鋼軌縱向位移變化特征。劉舟[8]釆用標準日照溫差模式，量化了日照溫差對軌道縱向附加力的影響。

為了研究涂料涂刷產(chǎn)生的局部降溫對路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學(xué)特性的影響，本文開展現(xiàn)場試驗[9-10]，對位于上海動車試驗段內(nèi)的無砟軌道溫度場進行監(jiān)測，基于實測溫度，得出局部降溫幅值[11]；建立路基上“軌-板-支承層-基礎(chǔ)”有限元模型，進一步考慮涂刷長度和CA砂漿黏結(jié)強度折減[12-14]，研究局部降溫對縱連式軌道縱向力學(xué)特性的影響[15-16]，針對局部降溫可能誘發(fā)的軌道結(jié)構(gòu)病害提出錨固銷釘限位方案[17-18]，通過仿真計算證實了方案的可行性。

1 反射隔熱涂料在無砟軌道上的應(yīng)用試驗

1.1 反射隔熱涂料涂刷方式

上海地區(qū)處于亞熱帶季風區(qū)，陽光充足，雨量充沛，屬于典型的夏季炎熱地區(qū)，為了深入研究反射隔熱涂料在無砟軌道上的降溫效果，在上海動車試驗段內(nèi)，針對不同涂刷方式、不同類型的反射隔熱涂料對軌道板溫度場的影響進行監(jiān)測，具體涂刷方式如圖1所示。

圖1 涂刷方式示意

本次試驗共采用兩種反射隔熱涂料：一種以氟硅高分子樹脂為基料的有機涂料，另一種為以水作為主要基料的無機型反射隔熱涂料。氟硅反射隔熱涂料能有效反射380～2 800 μm內(nèi)的太陽光光波，減少物體表面的吸熱量，同時將物體的熱量以紅外線的方式向外輻射，降低物體自身溫度。無機型反射隔熱涂料主要通過提高物體對太陽光波的反射來達到降溫目的。

試驗現(xiàn)場1～ 4號板涂刷無機涂料，5、 6號板涂刷有機涂料，7號板作為涂刷涂料與不涂刷涂料板之間的過渡段，8號板為不涂刷涂料的試驗對比板。其中1、2號板僅涂刷軌道板的上表面，3、4號板涂刷軌道板的上表面和雙側(cè)面以及暴露在外的底座板外表面；5、6號板涂刷軌道板的上表面和軌道板的雙側(cè)面及暴露在外的底座板外表面。

1.2 軌道板溫度觀測

本次試驗在軌道板中心處通過鉆孔措施沿深度布置6個Pt100鉑熱電阻溫度傳感器(量程：-20～80 ℃)，分別布置在軌道板上表面、中部、軌道板下表面(CA砂漿層上表面)，支承層中部、支承層下表面(級配碎石層上表面)和級配碎石層中(距離支承層下表面150 mm處)。同時為研究不同涂刷方式的影響在板兩側(cè)距板邊200 mm處對稱布置溫度傳感器，溫度傳感器具體布置如圖2所示。

圖2 溫度傳感器布置示意(單位：mm)

不同涂刷方式下軌道板的整體溫度如圖3所示。

圖3表明：當涂刷方式相同時，涂刷無機涂料的2號板與涂刷有機涂料的3號板相比，軌道板的整體溫度基本一致。同種反射隔熱涂料不同涂刷方式的2號板與3號板相比，軌道板整體溫度略高1～2 ℃，可見涂料側(cè)面涂刷對軌道板整體溫度影響并不明顯。因此，近似認為同種反射隔熱涂料在上述兩種涂刷方式下的降溫效果一致，忽略側(cè)面涂刷對降溫效果的影響，分析局部降溫幅值時采用3號板和8號軌道板的溫度數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 不同涂刷方式的軌道板整體溫度

圖4 軌道板整體溫度變化

從圖4可以看出，試驗對照8號軌道板最高溫度均高于氣溫，且7月21日軌道板最高溫度接近50 ℃；使用反射隔熱涂料后，白天太陽輻射較強，降溫效果為7～10 ℃，在夜晚太陽輻射較弱，涂料對軌道板整體溫度的影響較小，3、8兩板的溫度較為接近，降溫幅度為2～4°C，溫差最大值出現(xiàn)在7月21日13時約為10 ℃。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

CRTSⅡ型板式軌道為縱連式結(jié)構(gòu)，其變形和傳力特性與無縫線路中的長軌條類似，路基上的軌道板一旦連接鎖定，軌道板便無法自由伸縮，此時列車荷載作用或溫度變化可能會使軌道板與下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對位移，但軌道板與下部結(jié)構(gòu)間存在縱向阻力作用，相對位移受到了約束，因此軌道板與下部結(jié)構(gòu)間便產(chǎn)生了大小相等方向相反的縱向附加力。

根據(jù)縱向相互作用機理將無砟軌道結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件(鋼軌、軌道板、支承層)看成三層疊合梁體系，各結(jié)構(gòu)層分別由扣件、CA砂漿層和路基基礎(chǔ)簡化的彈簧提供縱向阻力，計算模型如圖5所示。實際上縱連式軌道結(jié)構(gòu)縱向相互作用是一個復(fù)雜的相互約束過程，想要計算其真實內(nèi)力較為困難，為此僅考慮某一區(qū)段軌道板使用涂料后局部降溫對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加力。依據(jù)前述試驗研究，選定在模型中部(涂刷涂料區(qū)域)一段軌道上降溫10 ℃，作為計算荷載，模型長度取為1 000 m。

圖5 計算模型

2.2 計算參數(shù)

將理論模型采用有限單元法進行離散。在Ansys環(huán)境里，鋼軌、軌道板和支承層采用承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元進行模擬，同時考慮相應(yīng)結(jié)構(gòu)的橫截面積、慣性矩參數(shù)。扣件縱向阻力、CA砂漿層摩擦阻力、支承層與路基基礎(chǔ)間的縱向阻力均采用可輸入廣義的阻力-位移曲線的非線性單向彈簧進行模擬，其阻力-位移曲線為雙線性曲線，如圖6所示。圖中F表示單位長度提供的阻力，U表示產(chǎn)生阻力上下兩層結(jié)構(gòu)間的相對位移，Umax為屈服點位移，表示相對位移達到該點時，阻力不在隨著相對位移增加而增大。

圖6 非線性阻力變化特征

鋼軌采用CHN60型鋼軌，截面積77.45 cm2，軌道板高200 mm，寬2 550 mm，支承層高190 mm，寬2 950 mm?？奂捎肳J-8型扣件，線路無載時扣件的縱向阻力取為15 kN/組，屈服點位移為2 mm[19]。砂漿調(diào)整層為高彈模水泥乳化砂漿，根據(jù)博格公司的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，砂漿層被剪壞時，剪力為412 kN，屈服點位移約為0.5 mm。基礎(chǔ)為普通級配碎石層，北京大學(xué)的試驗數(shù)據(jù)表明，單位面積支承層與普通級配碎石層黏結(jié)破壞時，剪力為304 kN，屈服點位移約為0.42 mm[20]。

3 過渡段溫差荷載對無砟軌道縱向力學(xué)特性的影響

采用上述模型，在模型中部(涂刷涂料區(qū)域)100 m范圍內(nèi)降溫10 ℃，計算得到的鋼軌、軌道板、支承層縱向力學(xué)特性如圖7～圖12所示。

圖7 鋼軌縱向位移

圖8 鋼軌縱向附加力

如圖7、圖8所示，軌道板降溫收縮導(dǎo)致鋼軌產(chǎn)生縱向位移最大為0.33 mm。同時，鋼軌的縱向附加力分布不均，從坐標原點到兩端，縱向附加力增大、減小、增大、再減小，然后趨近于0，縱向力附加力峰值16 kN。

圖9 支承層縱向位移

圖10 支承層縱向附加力

由圖9、圖10可知，支承層縱向位移和縱向附加力的變化趨勢與鋼軌基本一致，縱向位移在涂刷交界處出現(xiàn)突變，最大值為0.07 mm，縱向附加力波動變化，最大值為53 kN。

圖11 軌道板縱向位移

圖12 軌道板縱向附加力

從圖11、圖12可以看出，相對于鋼軌、支承層的縱向位移、縱向附加力的變化，涂料涂刷段產(chǎn)生的局部降溫對軌道板縱向力學(xué)特性的影響較大，在涂料涂刷區(qū)段，軌道板的縱向力發(fā)生突變，并向兩端放射，同時產(chǎn)生了收縮位移。軌道板最大縱向位移為0.64 mm，最大縱向附加力出現(xiàn)在涂刷區(qū)段中心，其值為1 771 kN。

4 軌道板縱向力學(xué)特性影響因數(shù)分析

涂刷涂料產(chǎn)生的局部降溫對軌道板的影響不容忽視，為了更全面地了解局部降溫對軌道板縱向力學(xué)特性的影響，進一步考慮不同涂刷長度及CA砂漿劣化程度。

4.1 涂刷長度影響分析

為了分析不同涂刷長度對軌道板縱向力學(xué)特征的影響，中間降溫區(qū)間長度分別取為20，60，100，150，200，250 m，降溫荷載均取為10 ℃，不同涂刷長度下軌道板縱向位移及縱向附加力如圖13、圖14所示。

圖13 不同涂刷長度下軌道板縱向位移

圖14 不同涂刷長度下軌道板縱向附加力

由圖13可知，隨著涂刷長度的增加，軌道板縱向位移逐漸增大，當涂刷長度超過100m時，軌道板最大縱向位移趨于穩(wěn)定，并始終出現(xiàn)在涂刷交界面處。由圖14可知，不同涂刷長度，軌道板縱向附加力的放射范圍有所不同，但坐標原點縱向附加力最大，同時，最大縱向力不會隨著涂刷長度無限增加，當涂刷長度為150m左右時，縱向附加力最大值趨于穩(wěn)定，但放射范圍依然隨著涂刷長度的增加而擴大。

4.2 CA砂漿黏結(jié)強度影響分析

縱連板式軌道結(jié)構(gòu)CA砂漿與軌道板間為弱黏結(jié)，受砂漿材料性能、施工因素和受力環(huán)境等因素的影響，在溫度收縮、列車荷載等作用下，容易產(chǎn)生離縫和砂漿層開裂，從而使層間黏結(jié)強度下降。為計算方便，可用黏結(jié)強度折減系數(shù)β來表征砂漿層不同狀態(tài)下的黏結(jié)強度(如β=0.1表示砂漿層間黏結(jié)強度為未發(fā)生破壞的10%)，折減系數(shù)依次取為1.0，0.8，0.6，0.4，0.2，涂刷長度100 m，降溫荷載為10 ℃，計算結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 不同CA砂漿黏結(jié)強度下軌道板縱向位移最大值

圖16 不同CA砂漿黏結(jié)強度下軌道板縱向附加力最大值

由圖15、圖16可知，隨著砂漿層間黏結(jié)強度的降低，軌道板縱向位移逐漸增大，其變化越來越明顯，當CA砂漿黏結(jié)強度折減系數(shù)由1變?yōu)?.2時，縱向位移最大值由0.638增加到1.730 mm，增加了63%。同時，軌道板縱向附加力隨著CA砂漿黏結(jié)強度的降低而逐漸減小，且變化幅度逐漸增大，當CA砂漿黏結(jié)強度折減系數(shù)由1變?yōu)?.2時，縱向附加力由1 771 kN降低為1 394 kN，減少了21%。

5 錨固銷釘限位影響分析

板式無砟軌道錨固銷釘限位技術(shù)是采用銷釘將軌道板和混凝土底座板(支承層)連接牢固，錨固銷釘限位可作為單元板式或縱連板式軌道結(jié)構(gòu)的維修預(yù)案。為了避免涂刷涂料產(chǎn)生的局部降溫使軌道板產(chǎn)生過大的縱向位移，提出在涂刷區(qū)域兩端設(shè)置錨固銷釘限位裝置。同時為避免所植入的銷釘屈服或軌道板、砂漿層、水硬性支承層的二次破壞，需植入多根銷釘以滿足要求，并根據(jù)局部降溫引起的軌道板縱向位移的分布規(guī)律，錨固銷釘限位裝置在涂刷交界面兩側(cè)對稱布置，每側(cè)相連的一塊軌道板上分別設(shè)置4根、8根、12根、16根、20根錨固銷釘，銷釘均設(shè)置在靠近涂刷交界面一側(cè)的承軌臺之間，錨固銷釘布置方案如圖17所示。

圖17 錨固銷釘布置示意

為方便計算，將承軌臺間的兩根錨固銷釘?shù)刃榫€性彈簧，根據(jù)北京交通大學(xué)的試驗結(jié)果，兩根銷釘限位剛度取為153 kN/ mm，CA砂漿黏結(jié)強度折減系數(shù)取為0.2，涂刷長度100 m，降溫荷載10 ℃，計算結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 軌道板縱向位移最大值

圖19 軌道板縱向附加力最大值

由圖18、圖19可知，軌道板縱向位移最大值隨著錨固銷釘數(shù)量的增加而減小，但軌道板縱向附加力最大值有所增加。當錨固銷釘數(shù)量為16根時，軌道板縱向位移為0.657 mm，相對于未錨固時降低了62%，軌道板縱向附加力由1 562 kN增加到1 682 kN，增幅僅為7%，且小于砂漿黏結(jié)強度未折減時。同時軌道板縱向位移改變量與銷釘數(shù)量呈非線性關(guān)系，隨著銷釘數(shù)量的增加逐漸變緩。

6 結(jié)論

基于對表面涂刷反射隔熱涂料的CRTSⅡ型板無砟軌道溫度場的測試數(shù)據(jù)，建立多層疊合梁模型，同時考慮涂刷長度、CA砂漿黏結(jié)強度折減的影響，研究了涂刷涂料產(chǎn)生的局部降溫對縱連式軌道縱向力學(xué)特性的影響。主要得出如下結(jié)論。

(1)依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知：側(cè)面涂刷對軌道板整體溫度的影響較小，白天太陽輻射較強，有機、無機涂料降溫效果均能達到7～10 ℃，夜晚降溫效果較弱為2～4 ℃。

(2)軌道板局部降溫荷載對軌道板縱向力學(xué)特性的影響較大，但其對鋼軌與支承層的影響較小；軌道板縱向附加力最大值出現(xiàn)在涂刷區(qū)段中心，離涂刷區(qū)段中心越遠，縱向附加力越?。浑S著涂刷長度的增加，軌道板縱向附加力的影響范圍增加；隨著CA砂漿黏結(jié)強度降低，軌道板縱向位移增大。

(3)通過對設(shè)置不同數(shù)量錨固銷釘?shù)姆抡嬗嬎惚砻鳎哄^固銷釘能有效降低軌道板縱向位移，隨著銷釘數(shù)量增加，軌道板縱向位移改變量逐漸變緩，當銷釘數(shù)量為16根時，軌道板縱向位移與砂漿黏結(jié)強度未折減時幾乎一致。