季 杰,何越磊,洪 劍,路宏遙

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620)

引言

CRTSⅡ型板式無砟軌道是目前常用的先進軌道結(jié)構(gòu)形式，京津城際、滬昆高速鐵路等多條主要高速鐵路均采用這種軌道形式[1]。CRTSⅡ型無砟軌道容易在運營初期出現(xiàn)大范圍的CA砂漿層離縫現(xiàn)象，并且受不同環(huán)境和列車動載荷影響，也會導(dǎo)致軌道板與CA砂漿出現(xiàn)離縫現(xiàn)象，對列車軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和列車安全運營帶來很大影響。

在某路段軌道板專項檢查中發(fā)現(xiàn)該工點軌道板離縫上拱，經(jīng)現(xiàn)場10 m弦測量后發(fā)現(xiàn)高低為右股9 mm，左股8 mm，方向左右股均為0；軌道板離縫情況，寬接縫寧端軌道板與砂漿層離縫9 mm，滬端軌道板砂漿層與底座板離縫7 mm，同時發(fā)現(xiàn)該處寬接縫滬端兩個承軌臺位置的支承層開裂、破損，長度在2 m左右，且有明顯上拱。如圖1所示，兩個區(qū)域軌道板離縫分別為9 mm和7 mm。

對于軌道板與砂漿層離縫成因，文獻[2-3]認(rèn)為溫度梯度是導(dǎo)致無砟軌道出現(xiàn)板下離縫的主要原因之一，離縫的發(fā)生具有不同區(qū)域性和季節(jié)性。文獻[4]對車輛動荷載作用下軌道板離縫擴展機理進行了研究，這對于不同離縫作用下的車輛動荷載分析以及離縫病害分析具有較大參考價值。文獻[5-6]對無砟軌道的板間寬窄離縫與列車安全運行的影響關(guān)系進行了分析，認(rèn)為軌道板離縫的擴展會對列車運行帶來很大安全隱患。文獻[7]對不同離縫范圍、不同軌道長度下的軌道系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)進行了分析，結(jié)果證明板下離縫的擴展會引起砂漿層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，損害軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能。由此可以得到，當(dāng)前國內(nèi)外科研機構(gòu)的研究內(nèi)容多集中于小范圍離縫和離縫對軌道板受力的影響等方面，大范圍砂漿層上拱離縫、貫通離縫對列車、鋼軌、軌道板以及砂漿層的整體靜力學(xué)與動力學(xué)響應(yīng)影響方面的研究較少，對上拱狀態(tài)下的離縫病害缺乏研究。

本文針對CRTSⅡ型無砟軌道板離縫現(xiàn)象，綜合利用有限元法和動力學(xué)分析法研究不同離縫對無砟軌道板的病害機理，以及軌道板離縫對車輛、軌道動力響應(yīng)的影響，對離縫狀態(tài)下列車運行影響進行深入的探討，針對軌道板離縫提出合理整改措施。

1 離縫病害仿真分析

導(dǎo)致軌道板與CA砂漿層之間出現(xiàn)上拱離縫的原因很多，主要為溫度載荷、列車動荷載以及地基下沉、地震等環(huán)境因素[8-10]，本文不對離縫的生成原因進行研究，主要對軌道板上拱離縫病害機理和影響進行研究和分析。

1.1 仿真模型建立

1.1.1 模型參數(shù)

(1)軌道系統(tǒng)參數(shù)

軌道系統(tǒng)采用CNH60鋼軌，軌道板為C55混凝土，長、寬、高分別為6.45,2.55,0.2 m；CA砂漿層厚0.03 m；支撐層采用C15混凝土，上部寬3.0 m,底部寬4.0 m，總厚度為0.5 m，具體詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 軌道板相關(guān)參數(shù)

(2)列車參數(shù)

高速列車通常采用鋁合金車體，下部設(shè)全封閉的設(shè)備倉[11]，具體參數(shù)如表2所示。

表2 列車參數(shù)

1.1.2 動力學(xué)模型

軌道系統(tǒng)主要由支承層、CA砂漿層、軌道板、扣件和鋼軌組成。首先建立無砟軌道系統(tǒng)的三維模型[12]，如圖2所示，具有和實際列車同樣的質(zhì)量和慣性。對于鋼軌、軌道板、CA砂漿和支撐層采用剛性構(gòu)建，扣件系統(tǒng)采用線彈性單元模擬。

圖2 軌道-列車三維模型

車輪與鋼軌之間采用三維接觸力的形式，基于回歸的接觸算法，通過懲罰參數(shù)與回歸系數(shù)計算和模擬鋼軌與車輪之間接觸力[13]，動力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 列車動力學(xué)模型

1.1.3 有限元模型建立

建立有限元模型需要對實際的軌道結(jié)構(gòu)進行簡化，這樣才能得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，CRTSⅡ型板式無砟軌道有限元模型如圖4所示。軌道板長、寬、高分別為6.45，2.55，0.2 m，CA砂漿層厚0.03 m，彈性模量取為7 000 MPa，CA砂漿層的支承剛度在非離縫區(qū)域采用線性彈簧單元模擬，離縫通過定義非線性彈簧單元來模擬[14]?；炷林С袑由喜繉挒?.0 m，底部寬4 m，總厚度為0.5 m，混凝土強度等級為C15，采用空間板單元模擬，彈性模量取為2.2×1010Pa。

圖4 CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

在對離縫進行建模時，考慮離縫為貫通離縫，雖然貫通離縫發(fā)生情況較少，但是在實際檢測中仍發(fā)現(xiàn)貫通離縫的存在，并且貫通離縫引起的病害更大[15]。CA砂漿間和正常區(qū)域軌道板采用共結(jié)點模擬，離縫區(qū)域采用面與面的動態(tài)接觸。根據(jù)考察結(jié)果將離縫區(qū)域設(shè)在如圖5所示位置，大約位于第6塊軌枕和第7塊軌枕之間。

圖5 離縫位置示意

1.2 離縫病害仿真分析

針對1塊軌道板進行軌道板靜力學(xué)分析離縫設(shè)置位置如圖5所示，依據(jù)有限元拓?fù)鋭澐炙枷雽o砟軌道系統(tǒng)進行空間網(wǎng)格劃分，分別以離縫范圍在0，2，4 mm和8 mm為例，分析不同離縫程度對無砟軌道、CA砂漿的位移和應(yīng)力影響。

1.2.1 軌道板位移分析

圖6為無砟軌道系統(tǒng)豎向位移云圖，圖7為4種不同離縫狀態(tài)下的豎向位移隨軌道板變化曲線。

圖6 不同離縫量下軌道板的豎向位移云圖

圖7 不同離縫量下軌道板的豎向位移曲線

4種離縫條件下，最大軌道板豎向位移為11.0 mm。離縫值從0 mm增加到2 mm時，軌道板最大豎向位移由2.1 mm增加到了4.9 mm；離縫值從2 mm增加到4 mm和8 mm時，軌道板最大豎向位移分別達到了5.8 mm及7.7 mm。在軌道板中間軌道系統(tǒng)的豎向位移最小，兩端的豎向位移較大，特別是軌道板連接處，已經(jīng)遠超軌道結(jié)構(gòu)性能評判標(biāo)準(zhǔn)，這勢必會對軌道板的連接處造成較大沖擊，從而導(dǎo)致軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

當(dāng)離縫量大于4 mm后，豎向位移并沒有增大很多，說明此時離縫區(qū)域軌道板下表面不再與CA砂漿層接觸，對軌道板的傷害大大增加。板中上拱位移使軌道板對CA砂漿表面造成反復(fù)的拍打作用，一方面會破壞非離縫區(qū)軌道板板底與CA砂漿袋的正常接觸狀態(tài)，另一方面會使CA砂漿層可能出現(xiàn)新的破損，從而誘發(fā)新的離縫區(qū)域。

1.2.2 軌道板應(yīng)力分析

圖8為無砟軌道系統(tǒng)豎向應(yīng)力云圖，圖9所示為不同離縫量下的豎向應(yīng)力隨軌道長度變化曲線。

圖8 不同離縫量下軌道板的豎向應(yīng)力云圖

4種離縫條件下，軌道板最大豎向應(yīng)力為98 MPa。離縫值從0 mm增加到2 mm時，軌道板最大豎向應(yīng)力由24 MPa增加到了66 MPa；離縫值從2 mm增加到4 mm和8 mm時，軌道板最大豎向應(yīng)力分別達到了79 MPa及98 MPa。

圖9 不同離縫量下軌道板的豎向應(yīng)力曲線

由此可以看出，軌道系統(tǒng)的豎向應(yīng)力很大，特別是離縫局部區(qū)域的豎向應(yīng)力，離縫為8 mm時已經(jīng)超過材料的強度極限，造成了材料的永久性損傷。所以對于軌道系統(tǒng)產(chǎn)生離縫上拱情形，必須及時修整處理，以免離縫繼續(xù)擴散，對軌道系統(tǒng)和列車運行帶來極大的安全隱患。

2 離縫動態(tài)響應(yīng)分析

2.1 車輪動荷載分析

通常施加在計算模型上的列車動荷載由列車荷載計算經(jīng)驗公式得到[16]。本文為了分析不同軌道板離縫下的列車動荷載，依據(jù)經(jīng)驗公式分析思路，在列車動荷載分析中加入了離縫信息，以列車的后輪對為研究對象，分別對軌道板離縫量為0，2，4，8 mm下的列車動荷載進行了計算[17]，左右軌道的不平順序列見圖10和圖11。

圖10 左軌道不平順性

圖11 右軌道不平順性

在軌道板靜力學(xué)病害分析基礎(chǔ)上，進行動力學(xué)耦合分析，仿真總共采用6塊無砟軌道板，在中間第3、4塊軌道板設(shè)置如圖5所示的離縫區(qū)域。

2.2 離縫動態(tài)響應(yīng)分析

以離縫范圍在0，2，4 mm以及8 mm等不同離縫程度對行車安全性及平穩(wěn)性的影響，車速為350 km/h。參考TB10716—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》[18]，軌道系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)基準(zhǔn)值和極限值標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 軌道系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)評判標(biāo)準(zhǔn)

圖12所示為不同離縫范圍下車體加速度隨軌道長度變化曲線。

面對嚴(yán)重的山洪災(zāi)害，江西把保障群眾生命安全放在第一位，充分利用山洪災(zāi)害非工程措施建設(shè)成果，及時發(fā)布預(yù)警信息，提前轉(zhuǎn)移山洪災(zāi)害威脅區(qū)群眾，大大減少了人員傷亡。

圖12 車體垂向加速度隨軌道長度變化曲線

從圖12可以看出，離縫量為0 mm時，車體垂向加速度峰值約為0.8 m/s2，隨著板下離縫范圍增加，車體加速度峰值逐漸增加，離縫量為4 mm時，車體加速度已經(jīng)超過2 m/s2，超過了正常車體加速度允許的極限值1.7 m/s2。當(dāng)板下離縫量達到8 mm時，車體垂向加速度增加至約3.0 m/s2，大約為車體加速度極限值的1.76倍，會對車輛運行帶來極為不利的影響。

圖13、圖14為不同板下離縫量時輪軌垂向力和橫向力曲線對比。圖15為不同板下離縫量鋼軌動態(tài)位移時程曲線。

圖13 輪軌垂向力時程曲線

圖14 輪軌橫向力時程曲線

通過圖13可以看出，輪軌垂向力峰值出現(xiàn)在0.4 s之后，隨著板下離縫量的增加，輪軌垂向力逐漸增大，其中，離縫量在0～2 mm時，輪軌垂向力增長緩慢；離縫量大于2 mm時，輪軌力增長迅速，離縫量大于8 mm時，輪軌垂向力達到220 kN，超過極限值170 kN，會對列車運行帶來很大安全隱患[19]。

從圖14可以看出，離縫區(qū)域內(nèi)輪軌橫向力沖擊明顯。隨著板下離縫量的增加，輪軌縱向力逐漸增大，離縫量在0～4 mm時，輪軌垂向力增長緩慢；離縫量大于4 mm時，輪軌力增長迅速；離縫量為8 mm時，輪軌橫向力接近100 kN，超過輪軌橫向力極限值80 kN[20]。

圖15 鋼軌位移時程曲線

從圖15可以看出，隨著板下離縫量的增加，輪軌位移量逐漸增大，輪軌位移量與離縫量呈正比關(guān)系，在離縫量達到8 mm時，輪軌位移量達到2.2 mm，超過鋼軌位移極限值2 mm[21]。

2.3 軌道板離縫對列車運行影響

以車輛速度350 km/h、板下離縫量0，2，4 mm以及8 mm為例，對車輛、軌道的動力響應(yīng)進行分析，主要以后輪對為研究對象，圖16為不同離縫量下的脫軌系數(shù)，圖17為不同離縫量下的輪重減載率。

圖16 不同離縫下脫軌系數(shù)變化曲線

圖17 不同離縫寬度下輪重減載率變化曲線

通過圖16和圖17脫軌系數(shù)與輪重減載率對比可以看出，不同離縫量對于輪重減載率的影響比脫軌系數(shù)的影響程度要大很多。離縫達到4 mm和8 mm時輪重減載率較大，最大接近0.6，超過極限值0.375，在沒有離縫時輪重減載率較小，約為0.2[22]。由此可得，隨著離縫的發(fā)生和擴展，車輛載荷增大，減載效應(yīng)降低。

3 整治措施

3.1 整治方案

因為軌道板上拱離縫較大，并出現(xiàn)貫通離縫，軌道板系統(tǒng)整個結(jié)構(gòu)遭到損傷。所以采用植筋法，以修復(fù)軌道板上拱貫通離縫帶來的軌道板劈裂等破壞性損傷，具體處理步驟如下。

(1)處理步驟

處理順序：錨固區(qū)軌道板植筋錨固→寬窄接縫混凝土鑿除→注膠修復(fù)→軌道板板間接縫澆筑→寬接縫相鄰軌道板植筋→板底注漿→鋼軌精調(diào)。

(2)錨固區(qū)軌道板植筋錨固

接縫處兩側(cè)各3塊軌道板先植筋錨固，1號、8號軌道板植筋8根/塊(先植筋)，2號、7號軌道板植筋10根/塊(先植筋)，3號、6號軌道板植筋10根/塊(先植筋)，4號和5軌道板植筋10根/塊(后植筋)，共80根。見圖18。

圖18 CRTSⅡ型軌道板離縫整治示意

(3)寬窄接縫混凝土鑿除

錨固區(qū)植筋完成后，去除寬窄接縫混凝土(板下離縫的CA砂漿保留)。在去除接縫混凝土過程中，首先要對板端和側(cè)面的縫隙進行混凝土封堵，但不要將混凝土注入板下離縫中。

(4)軌道板板間接縫澆筑

從中間至兩邊對稱張拉軌道板張拉鎖(張拉力50 kN/根，扭矩450 N·m)，采用聚合物混凝土澆筑軌道板窄接縫、寬接縫。澆筑前必須將接縫處清理干凈并潤濕處理。見圖19。

圖19 CRTSⅡ型軌道板板端寬接縫混凝土施工

(5)寬接縫相鄰軌道板植筋

寬接縫相鄰軌道板，4號、5號軌道板植筋10根/塊。

(6)板底注膠

軌道板植筋后，1號～8號軌道板底注漿，修補軌道板與砂漿的離縫。

(7)軌道精調(diào)

精調(diào)鋼軌，使其滿足平順度要求。

3.2 離縫修復(fù)后的軌道系統(tǒng)化評價

根據(jù)TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》，修補材料應(yīng)適用于CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)病害的快速修復(fù)，尤其要適用于天窗時間內(nèi)的快速高效病害整治[23]。修復(fù)材料性能參數(shù)如表4所示。

修復(fù)完畢后，分別對不同離縫量修復(fù)前后的軌道板、鋼軌的位移和應(yīng)力進行對比分析。圖20所示為離縫整改前后軌道板豎向位移峰值隨離縫范圍變化曲線。圖21所示為離縫整改前后軌道系統(tǒng)豎向應(yīng)力分布的峰值隨離縫范圍變化曲線。通過整改前后軌道板豎向位移峰值變化曲線對比結(jié)果可以看出，修復(fù)完畢后，軌道板豎向位移得到大大改善，基本保持在3 mm范圍以內(nèi)。

表4 離縫修復(fù)材料主要性能指標(biāo)

圖20 整改前后軌道板豎向位移峰值變化曲線

圖21 整改前后軌道系統(tǒng)豎向應(yīng)力峰值變化曲線

通過整改前后軌道板豎向應(yīng)力峰值變化曲線對比結(jié)果可知，修復(fù)后軌道板的彎曲應(yīng)力降低到40 MPa以下，修復(fù)完后仍存在小幅度的彎曲應(yīng)力變化，說明上拱離縫對軌道板造成的破壞性損害難以徹底地消除，應(yīng)隨時觀測并收集軌道系統(tǒng)離縫的信息，防止離縫擴散，對軌道系統(tǒng)造成較大傷害。

4 結(jié)論

本文對CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板與CA砂漿層間離縫病害機理和影響進行仿真分析，對比分析不同軌道板離縫下的軌道系統(tǒng)與應(yīng)力變化，并對不同離縫范圍下的輪軌受力、位移、車輛運行加速度、脫軌系數(shù)等方面進行動力響應(yīng)仿真計算，并提出合理的離縫整改措施，結(jié)論如下。

(1)隨離縫范圍增加鋼軌彎曲形變和應(yīng)力、軌道板及砂漿層形變與應(yīng)力均較大幅度增加，離縫量在4 mm后增加尤為明顯。

(2)離縫范圍的擴大導(dǎo)致車體垂向加速度有增加的趨勢，輪軌垂向力及橫向力、鋼軌位移量增加更明顯，在養(yǎng)護維修時應(yīng)重點關(guān)注離縫范圍的擴大情況，離縫量在4～8 mm以上時車輛運營安全性降低。

(3)利用植筋注漿法對軌道板離縫進行整改，整改后的軌道板性能大大提升，軌道板形變低于2 mm，彎曲應(yīng)力降低至40 MPa以下。