王偉華, 羅磊

（1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路站場樞紐設(shè)計(jì)研究院, 天津 300308；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031）

0 引言

自2010年首條采用CRTSⅢ型板式無砟軌道的成灌鐵路通車以來, 該結(jié)構(gòu)形式無砟軌道得到了廣泛應(yīng)用, 雖然目前軌道結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)良好, 但部分區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度傷損[1-4］, 其中離縫損傷在CRTSⅢ型板式無砟軌道中較為常見。楊政[5］通過研究層間離縫對軌道受力的影響, 發(fā)現(xiàn)軌道構(gòu)件最大應(yīng)力隨離縫縱向發(fā)展呈現(xiàn)為先增加到一個(gè)高值再維持不變的趨勢規(guī)律。婁平等[6］基于Abaqus有限元模型, 計(jì)算考慮了層間離縫在車輛和溫度組合荷載作用下橫向和縱向的發(fā)展, 并研究其對無砟軌道結(jié)構(gòu)變形的影響, 計(jì)算結(jié)果表明：長度大于1.2 m的離縫, 會(huì)使軌道板出現(xiàn)受拉裂縫和無離縫端上翹的現(xiàn)象。宋小林等[7］研究了板邊離縫對CRTSⅢ型軌道動(dòng)力特性的影響規(guī)律, 結(jié)果表明：隨著板邊離縫寬度的增加, 軌道結(jié)構(gòu)中軌道位移和路基位移以及鋼軌、軌道板和基床底層振動(dòng)加速度都有不同程度的增加。

針對層間離縫損傷的預(yù)測及評價(jià), 專業(yè)性較強(qiáng), 因此采用德爾菲法（即專家調(diào)查法）進(jìn)行研究。德爾菲法是針對相應(yīng)問題通過匿名征求專家意見, 經(jīng)歸納、統(tǒng)計(jì)、匿名反饋至意見一致, 該方法為工程建設(shè)相關(guān)的城市軌道交通服務(wù)、軌道交通項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制等提供了指導(dǎo)意見, 而在軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面應(yīng)用較少。陳維亞等[8］采用德爾菲法與層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重評價(jià)體系, 設(shè)計(jì)多層次綜合評價(jià)系統(tǒng)為運(yùn)營單位提供評價(jià)依據(jù)。付俊俊[9］采用德爾菲法, 確定軌道交通橋梁8個(gè)關(guān)鍵檢測指標(biāo)。周妍等[10］采用德爾菲法對48位專家進(jìn)行多輪調(diào)查, 建立地鐵站點(diǎn)街道步行空間品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系。

我國關(guān)于公路路面損傷評價(jià)方面的研究較為充分[11-12］, 但針對鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道損傷, 相關(guān)規(guī)范僅僅針對單個(gè)損傷進(jìn)行定義, 缺乏對多種類型損傷的定義及評價(jià)方法等。因此針對CRTSⅢ型板式無砟軌道離縫, 建立離縫有限元模型, 結(jié)合公路路面評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范, 劃分離縫損傷等級, 提出離縫影響指數(shù)IEI, 通過德爾菲法[13］, 求取各類離縫損傷權(quán)重, 進(jìn)行專家知識集成, 建立定性評估體系。

1 層間離縫損傷類型

CRTSⅢ型板式無砟軌道在路基、隧道和橋梁等路段鋪設(shè)時(shí), 結(jié)構(gòu)自上到下分別由鋼軌、扣件系統(tǒng)、承軌臺、軌道板、自密實(shí)混凝土層、底座板組成（見圖1）。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

通過調(diào)研無砟軌道服役狀態(tài), 并查閱相關(guān)資料, 發(fā)現(xiàn)層間離縫損傷是CRTSⅢ型板式無砟軌道典型結(jié)構(gòu)損傷形式之一（見圖2）。

圖2 CRTSⅢ型板式無砟軌道常見層間離縫損傷

2 層間離縫對CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響分析

2.1 CRTSⅢ型板式無砟軌道計(jì)算模型[14]

借助有限元軟件建立含層間離縫損傷的CRTSⅢ型板式無砟軌道三維有限元計(jì)算模型, 為簡化計(jì)算過程, 模型中考慮的主要部件為鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座板, 設(shè)置不同離縫位置、離縫長度、離縫寬度等工況, 分析不同工況對軌道板應(yīng)力和位移的影響規(guī)律。選定P5600型軌道板, 具體參數(shù)見圖3。模型建立3塊軌道板, 考慮實(shí)際問題中的邊界效應(yīng), 選取中間板作為計(jì)算分析的研究對象, CRTSⅢ型板式無砟軌道力學(xué)模型見圖4。

圖3 CRTSⅢ型P5600軌道板

圖4 CRTSⅢ型板式無砟軌道力學(xué)模型

2.2 層間離縫計(jì)算結(jié)果分析

輪載取單軸荷載形式, 由于模型考慮列車荷載及溫度荷載組合作用, 則列車荷載取150 kN, 按單軸雙輪加載（作用位置見圖4）, 最大負(fù)溫度梯度荷載取-45℃/m[15］。離縫工況見表1。

表1 離縫工況

不同離縫位置對軌道板的橫向拉應(yīng)力與豎向位移影響見圖5。由圖5（a）和5（b）可知, 在離縫寬度、長度相同的情況下, 3種不同位置離縫按橫向拉應(yīng)力大小排序?yàn)椋喊宥穗x縫＞板中離縫＞板邊離縫, 按豎向位移大小排序?yàn)椋喊宥穗x縫＞板邊離縫＞板中離縫。為進(jìn)一步研究不同離縫長度對軌道板應(yīng)力影響規(guī)律, 結(jié)合上述結(jié)論, 選取最不利離縫位置（板端）進(jìn)行計(jì)算, 其中離縫寬度取為橫向貫通, 縱向長度分別設(shè)置為0、300、600、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mm共計(jì)8種工況, 其中離縫縱向發(fā)展示意見圖6。

圖5 離縫位置對軌道板橫向拉應(yīng)力與豎向位移影響

圖6 離縫縱向發(fā)展示意圖

設(shè)置上述8種離縫損傷工況, 通過提取橫、縱向拉應(yīng)力和豎向位移來研究離縫長度對軌道板應(yīng)力的影響規(guī)律（見圖7）。由圖7（a）可知, （1）隨著離縫長度的增加, 軌道板的橫、縱向拉應(yīng)力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢, 大概在離縫長度為1 000 mm時(shí), 縱向拉應(yīng)力達(dá)到最大值3.635 MPa, 表明當(dāng)離縫長度大于1 000 mm時(shí), 無砟軌道所受影響更為嚴(yán)重；（2）豎向位移隨著離縫長度的增加而增加, 且離縫長度小于1 000 mm時(shí)的增長速率明顯高于其他長度。由圖7（b）可知, 在列車-負(fù)溫度梯度組合荷載作用下, 軌道板會(huì)出現(xiàn)翹曲, 此時(shí)軌道板最大豎向位移出現(xiàn)在離縫端板角處。

圖7 離縫縱向長度對軌道板拉應(yīng)力和豎向位移影響

為探究層間離縫橫向?qū)挾葘壍腊鍛?yīng)力及位移的影響, 選取最不利條件（即選取長度為1 000 mm的板端離縫為研究對象）, 橫向?qū)挾确謩e設(shè)置為0、350、500、1 000、2 000、2 500 mm共計(jì)6種工況, 其中離縫橫向發(fā)展示意見圖8。

圖8 離縫橫向發(fā)展示意圖

設(shè)置上述6種離縫損傷工況, 得到計(jì)算結(jié)果見圖9。結(jié)果表明：離縫橫向?qū)挾扰c軌道板的豎向位移呈正比關(guān)系, 且在離縫橫向貫通時(shí)達(dá)到最大值0.383 mm；軌道板的橫、縱向拉應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增大再減小后趨于穩(wěn)定的趨勢, 在離縫橫向?qū)挾劝l(fā)展到350 mm時(shí), 縱向拉應(yīng)力達(dá)到最大值3.589 MPa, 由此得出當(dāng)離縫橫向?qū)挾却笥?50 mm時(shí), 軌道板結(jié)構(gòu)損傷更為嚴(yán)重。

圖9 離縫寬度對軌道板拉應(yīng)力和豎向位移影響

3 層間離縫評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

3.1 軌道板與自密實(shí)混凝土層層間離縫損傷分類

基于第2章有限元模型中所得出的不同層間離縫對板式無砟軌道受力影響規(guī)律, 結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù), 根據(jù)3種不同層間離縫位置（板端、板中、板邊）與3類損傷程度（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）, 將軌道板與自密實(shí)混凝土層層間離縫損傷劃分為9類（見表2、圖10）。

表2 層間離縫損傷分類

圖10 層間離縫損傷示意圖

3.2 離縫影響指數(shù)IEI

為定量衡量層間離縫損傷對無砟軌道的影響, 提出一種綜合評價(jià)指標(biāo)——離縫影響指數(shù)（Interface damage Effect Index, IEI）來綜合評價(jià)層間離縫損傷。

（1）計(jì)算公式。IEI用于評價(jià)無砟軌道離縫損傷的綜合影響, 參考《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》, 給出IEI的計(jì)算公式如下：

式中：IR為離縫率（Interface damage Rate）, 取檢測路段所有離縫類型損傷面積加權(quán)和與檢測路段總面積S之比；Wj為第j類離縫損傷的權(quán)重系數(shù)；Sj為第j類離縫損傷面積；a、b為待定常數(shù), 通過借助工程實(shí)際數(shù)據(jù)擬合得到。

（2）a、b常數(shù)確定。為確定式（2）中的常數(shù)a、b, 根據(jù)工程實(shí)際, 通過參數(shù)擬合得到常數(shù)a、b取值分別為94.591、0.356。將常數(shù)a、b值代入式（2）可以得到：

（3）評價(jià)單元。針對CRTSⅢ型板式無砟軌道離縫損傷進(jìn)行評價(jià), 評價(jià)單元為單塊軌道板對應(yīng)的整體軌道結(jié)構(gòu)。

3.3 離縫影響指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用“評分扣分制”, 即：IEI值滿分為100分（軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)完好, 沒有離縫損傷）, 其中離縫損傷越少, 得分越高, 表明結(jié)構(gòu)狀態(tài)越優(yōu), 反之亦然。評價(jià)得分的技術(shù)等級分為4個(gè)級別, 按照不同等級給出相應(yīng)維修建議（見表3）。

表3 離縫評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及維修建議

針對表3中的維修建議, 具體解釋如下：（1）無需修復(fù)：表明無砟道床整體狀態(tài)較好, 沒有或存在極少離縫損傷, 不會(huì)影響無砟軌道承載力及耐久性, 短期內(nèi)不需要對檢測路段進(jìn)行修復(fù)；（2）綜合維修：無砟軌道狀況良好, 部分部位有較少離縫損傷, 一定程度上影響了無砟軌道結(jié)構(gòu)性能, 需對整體無砟軌道進(jìn)行檢測, 并按周期有計(jì)劃地開展維修；（3）經(jīng)常保養(yǎng)：無砟軌道狀況一般, 檢測路段有部分離縫損傷, 無砟軌道結(jié)構(gòu)承載力及耐久性被削弱不少, 此時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際損傷情況進(jìn)行經(jīng)常養(yǎng)護(hù)維修；（4）臨時(shí)補(bǔ)修：無砟軌道狀態(tài)不良, 存在較多的離縫損傷, 對無砟軌道的承載性和耐久性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響, 需對整體路段進(jìn)行全面仔細(xì)檢查, 對無砟軌道進(jìn)行臨時(shí)性休整。

4 層間離縫損傷影響權(quán)重確定

目前定權(quán)方法主要分為主觀賦權(quán)法[16-21］和客觀賦權(quán)法[22-24］, 2類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：主觀賦權(quán)法相比客觀賦權(quán)法, 考慮了決策者對于某一問題的重視程度, 而客觀賦權(quán)法則對每一計(jì)算要素進(jìn)行平均考慮, 得到客觀的權(quán)重。確定9類離縫損傷的系數(shù)權(quán)重, 由于指標(biāo)量較少、專業(yè)性較強(qiáng), 因此選擇德爾菲法較為合適。

4.1 專家權(quán)重系數(shù)確定

4.1.1 專家水平評判標(biāo)準(zhǔn)

選取的專家評判指標(biāo)包括學(xué)歷、職稱、工作單位、工作年限、是否了解離縫共計(jì)5種, 并根據(jù)各指標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)的不同給予不同標(biāo)準(zhǔn)分, 具體劃分見表4、圖11。

表4 專家水平評判指標(biāo)

圖11 專家水平評判標(biāo)準(zhǔn)分類分值

4.1.2 專家水平評判標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重

由于上述5個(gè)指標(biāo)對于專家評判的重要性不同, 對其進(jìn)行權(quán)重劃分, 具體見表5。

表5 專家水平評判標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重

4.1.3 專家權(quán)重計(jì)算

每位專家權(quán)重取值為綜合得分與滿分（10分）之比, 計(jì)算公式如下：

式中：Wt為第t個(gè)專家的權(quán)重值；i為評判標(biāo)準(zhǔn)的第i個(gè)指標(biāo)；Ai為第i個(gè)測評指標(biāo)的權(quán)重；Pi為第i個(gè)測評指標(biāo)得分；P為測評滿分值, 取為10分。

4.2 問卷結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

4.2.1 問卷結(jié)果

調(diào)查對象主要來自高校、鐵路局集團(tuán)公司以及設(shè)計(jì)院（見圖12）。調(diào)查對象中的高校教師、學(xué)生等可以結(jié)合理論研究闡述問題, 而具有實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)的專家可以結(jié)合工程實(shí)際說明問題, 因此調(diào)查專家的分布多樣性使得結(jié)果更客觀。問卷結(jié)果總計(jì)439份, 去除無效問卷2份, 有效問卷率為99.5%, 有效問卷數(shù)量滿足要求。

圖12 調(diào)查對象個(gè)人信息分布

不考慮專家權(quán)重時(shí), 不同離縫損傷對無砟道床影響程度見表6。得到3種不同位置離縫對無砟道床影響程度高低排序依次為：板端離縫＞板中離縫＞板邊離縫, 且板端、板中離縫兩者影響程度基本相近。

表6 離縫損傷對無砟道床影響程度

將不同離縫損傷程度對無砟道床影響程度的問卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見圖13）。結(jié)果表明：認(rèn)為離縫Ⅰ級損傷影響較小或較大的專家占76%以上, 其中認(rèn)為影響較小所占比例最高, 達(dá)47.14%；認(rèn)為離縫Ⅱ級損傷影響較大及嚴(yán)重的專家占76%以上, 其中認(rèn)為影響較大所占比例最高, 達(dá)45.08%；認(rèn)為離縫Ⅲ級損傷影響嚴(yán)重或危險(xiǎn)的專家占74%以上, 其中認(rèn)為情況危險(xiǎn)所占比例最高, 達(dá)40.27%。

圖13 不同離縫損傷程度對無砟道床影響程度

4.2.2問卷結(jié)果處理

處理問卷結(jié)果之前, 首先根據(jù)專家個(gè)人信息按照式（4）進(jìn)行專家權(quán)重?cái)?shù)值計(jì)算, 結(jié)果見表7。

表7 第1—437位專家權(quán)重取值

為綜合考慮所有專家意見, 對各位專家的問卷結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均處理, 最后得出各類離縫損傷對無砟軌道的權(quán)重影響系數(shù)。加權(quán)平均計(jì)算公式如下：

式中：Wj為第j類離縫損傷對無砟軌道的權(quán)重影響系數(shù)；Wt為各位專家權(quán)重系數(shù)；fj為問卷結(jié)果權(quán)重系數(shù)。最后計(jì)算得出9類離縫損傷權(quán)重見表8。

表8 9類離縫損傷權(quán)重

根據(jù)表8可以看出：（1）通過專家權(quán)重處理后, 離縫權(quán)重符合第2章（圖5）所得到的層間離縫對板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律, 對于同一損傷類型, 離縫權(quán)重由大到小依次為板端離縫、板中離縫、板邊離縫；（2）離縫傷損類型越高, 所占損傷權(quán)重越大。

5 實(shí)例分析

為驗(yàn)證離縫評價(jià)指標(biāo)方法的實(shí)用性和合理性, 根據(jù)2個(gè)工程實(shí)際案例離縫損傷檢測數(shù)據(jù), 結(jié)合不同離縫權(quán)重系數(shù), 計(jì)算各工程下CRTSⅢ型板式無砟軌道離縫損傷的IEI值, 并與模型計(jì)算結(jié)果規(guī)律進(jìn)行對比分析。

為方便實(shí)際計(jì)算, 將實(shí)際區(qū)段離縫損傷進(jìn)行了合理簡化（見圖14、圖15）, 各類離縫損傷面積以及檢測面積見表9。

表9 各類離縫損傷實(shí)際面積以及評價(jià)單元檢測面積m2

圖14 案例1

圖15 案例2

將上述Sj、S的具體數(shù)值以及第4章計(jì)算的各類離縫損傷權(quán)重系數(shù)（見表8）代入式（1）、式（3）得到該區(qū)段的離縫影響指數(shù)IEI；同時(shí)對案例1、案例2中的層間離縫損傷情況進(jìn)行有限元模擬, 結(jié)果見表10。

表10 案例中離縫影響指數(shù)IEI與模型計(jì)算結(jié)果

案例1離縫影響指數(shù)IEI為61.61, 案例2離縫影響指數(shù)IEI為86.08, 根據(jù)表3可知, 案例1檢測區(qū)段評價(jià)等級為“中”, 此時(shí)無砟道床質(zhì)量狀態(tài)一般, 需要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)；案例2檢測區(qū)段評價(jià)等級為“良”, 需進(jìn)行綜合維修。

對比模型計(jì)算結(jié)果：案例1的豎向位移比案例2的豎向位移大0.047 mm, 縱向拉應(yīng)力比案例2大0.371 MPa, 其影響較為嚴(yán)重, 與離縫影響指數(shù)IEI計(jì)算結(jié)果規(guī)律一致。

6 結(jié)論

通過有限元模型分析, 基于公路評價(jià)指標(biāo)與設(shè)計(jì)規(guī)范, 對離縫損傷影響進(jìn)行分級, 進(jìn)而提出離縫影響指數(shù)IEI, 并結(jié)合德爾菲法得到各類離縫損傷權(quán)重, 建立CRTSⅢ型板式無砟軌道損傷離縫評估體系, 并得出以下結(jié)論：

（1）在組合荷載作用下, 相比于板中、板邊離縫, 板端離縫對于無砟軌道結(jié)構(gòu)性能影響更大, 因此在工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注板端離縫, 做到早發(fā)現(xiàn)、早維修。

（2）對于長度大于1 000 mm、寬度大于350 mm的離縫損傷, 無砟軌道橫、縱向拉應(yīng)力及豎向位移變形較大, 此時(shí)無砟軌道性能損害更為嚴(yán)重, 因此在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注此類尺寸的離縫損傷, 及時(shí)維修, 預(yù)防該種病害的發(fā)生。

（3）為綜合評價(jià)層間離縫對無砟軌道質(zhì)量狀況的影響, 提出離縫影響指數(shù)IEI及計(jì)算方法, 結(jié)合IEI得分值給出“優(yōu)”“良”“中”“差”4個(gè)評價(jià)等級, 并給出相應(yīng)維修建議。

（4）為驗(yàn)證提出的層間離縫損傷指標(biāo)評價(jià)體系合理性, 針對2個(gè)工程實(shí)例分析板式無砟軌道層間離縫損傷病害, 通過計(jì)算得到該評價(jià)區(qū)段的離縫影響指數(shù)IEI分別為61.61和86.08, 與模型計(jì)算結(jié)果規(guī)律一致, 檢驗(yàn)了評價(jià)指標(biāo)體系的合理性。