溫度荷載作用下高鐵縱連無砟軌道板間接縫界面損傷研究

張澤群，何越磊，杲 斐，楊永愛

(1.上海工程技術大學城市軌道交通學院,上海 201620; 2.中鐵二十一局集團有限公司,蘭州 730070; 3.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州高鐵基礎設施段,蘭州 730050)

引言

縱連板式無砟軌道是縱向連續鋪設的軌道結構,其板端預留精軋螺紋鋼筋并設置張拉鎖件進行連接,通過板間現澆混凝土構成板間接縫,從而實現無砟軌道縱連鋪設[1]。板間接縫作為一種后澆結構,與預制軌道板及砂漿層接觸面作為新老混凝土交界以及混凝土-砂漿交界[2],在溫度荷載作用下易出現界面脫黏等病害,不僅影響無砟軌道縱向剛度及連接穩定性,同時會導致線路不平順,為列車運行安全帶來隱患。

目前相關學者開展了關于縱連無砟軌道服役性能研究工作。劉昊旻等[3]利用BP神經網絡構建板溫與氣象參數非線性映射關系,通過優化預測參數提高對軌道板內整體溫度與溫度梯度預測精度。孫澤江等[4]通過對縱連板式無砟軌道溫度實時監測,分析板內溫度場分布及隨時間變化特性,獲取高溫天氣下軌道板表面溫度經驗計算公式。趙磊等[5]通過預應力混凝土簡支箱梁縮尺模型試驗,獲取高溫環境下縱連板式軌道橫向及豎向溫度分布規律。粟淼等[6]結合板式無砟軌道界面空隙率測試實驗以及有限元仿真,探究界面初始粘結缺陷對軌道結構變形影響。張鵬飛等[7]基于梁-板-軌相互作用原理,搭建橋上縱連板式軌道模型,分析橋上板式軌道結構在橫向及豎向溫度梯度下縱向力學特性。馮青松等[8]基于梁軌作用原理搭建板式無砟軌道模型,分析橋上無砟軌道在均勻與非均勻溫度荷載作用下無縫線路幾何形位變化及力學特性。

為探究縱連軌道板寬窄接縫損傷演變,CAI等[9]結合現場調查與仿真計算,分析板間接縫混凝土損傷過程及對結構整體上拱失穩影響。LIU等[10]基于混凝土塑性損傷及內聚力理論,分析窄接縫在不同寬度、不同強度下損傷破壞機理,提出窄接縫斷裂是一種漸進的壓縮損傷。周凌宇等[11]分析寬窄接縫界面開裂與CA砂漿脫空耦合損傷對無砟軌道力學性能影響,認為耦合損傷比單一損傷模式對結構受力及變形更為不利。劉鈺等[12]分析混凝土劣化、施工溫差及初始裂紋條件下寬窄接縫損傷規律,認為混凝土強度降低、施工溫差加大、含有初始裂紋會顯著增加接縫損傷程度。

既有研究多將板間接縫作為整體結構,探究接縫部位混凝土損傷及破壞機理。然而,板間接縫作為后澆結構,與軌道板及砂漿層交界面更易產生傷損。與混凝土自身破壞相比,接縫界面存在較為光滑、平坦界面區,使得界面粘結性能更為薄弱,更易導致界面傷損[13]。同時,接縫處混凝土在垂直與水平方向的形狀均不規則,且接縫-軌道板與接縫-砂漿層交界面分別為新、老混凝土交界以及混凝土與砂漿交界[14],不同界面的形狀、受力、接觸材料以及損傷規律均存在差異。因此,將板間接縫作為整體結構進行分析較不細致,有必要對接縫界面進行精細化建模分析。

為此,基于軌道板實測溫度數據設定加載工況,建立同時考慮預應力鋼筋作用及接縫界面損傷的CRTSⅡ型縱連板式無砟軌道模型?；陔p線性內聚力理論,對接縫界面在最不利溫度工況下損傷規律及分布差異進行精細化分析,以期為鐵路工務部門精細化檢修作業提供參考。

1 軌道板溫度場監測

1.1 溫度數據分析

以華東某高鐵路基段縱連板式無砟軌道為監測對象(線路運營速度300 km/h)。在軌道板板表、板中以及板底位置分別埋設接觸式溫度傳感器,采樣頻率為1次/30 min,通過數據采集主控系統對采樣數據進行處理。圖1為縱連軌道板在夏季與冬季結構內部溫度場分布數據,由圖可知,板內溫度隨軌道板深度增加表現出不均勻性,距離軌道板板表越深,溫度變化幅度逐漸減小。結構最高溫與最低溫均出現在板表位置,其中夏季高溫期間軌道板最高溫度58.59 ℃,最低溫度25.96 ℃,最大正溫度梯度92.8 ℃/m(超出高速鐵路設計規范溫度梯度設計值90 ℃/m),最大負溫度梯度30.55 ℃/m。冬季低溫期間軌道板最高溫度15.40 ℃,最低溫度-4.34 ℃,最大正溫度梯度44.90 ℃/m,最大負溫度梯度40.55 ℃/m。

圖1 軌道板現場監測數據

1.2 溫度工況設定

基于軌道板實測溫度數據,考慮縱連板式無砟軌道全生命服役周期內結構劣化、重現期以及最不利加載條件[15],選取最不利整體溫度荷載與最不利溫度梯度荷載耦合作用進行分析。同時實際工程中整體溫度荷載對軌道結構影響作用要明顯大于溫度梯度荷載,因此,將溫度工況主要劃分為整體升溫與降溫工況,具體工況設定如表1所示(軌道板鎖定板溫25 ℃)。

表1 軌道板溫度工況設定

為實現對接縫界面損傷的精細化分析,將接縫分別進行垂直與水平方向劃分:垂直方向將接縫與軌道板及砂漿層交界面劃分為4個接觸面,分別為接觸面A、B、C、D,接觸面A為寬接縫與軌道板縱向接觸界面,接觸面B為寬接縫與軌道板垂向接觸界面,接觸面C為窄接縫與軌道板縱向接觸界面,接觸面D為窄接縫與砂漿層接觸界面,從而由垂直方向表征接縫與結構的實際接觸差異。水平方向按照接縫橫向位置關系將界面分別劃分為靠近側邊的板邊區域、布置鋼筋的預應力鋼筋區域以及靠近中間的板中區域,從而由水平方向表征接縫與結構的實際接觸差異。具體模型劃分如圖2所示。

圖2 板間接縫模型

整體溫度荷載使軌道結構各部件由于受熱膨脹或受冷收縮而產生縱向伸、縮變形,升溫工況下接縫界面主要承受縱向擠壓作用,降溫工況下界面主要承受縱向拉伸作用。而溫度梯度荷載使結構整體由于垂向溫度分布不均而產生垂向上拱或翹曲變形[16],此時接縫界面主要承受垂向剪切作用。但實際工程中結構并不僅受單一溫度荷載作用,而是不同溫度荷載耦合作用,因此將整體溫度荷載與溫度梯度荷載共同考慮[17]。圖3為不同溫度工況下板間接縫界面受力示意。

圖3 板間接縫界面受力示意

2 無砟軌道板間接縫分析模型

2.1 無砟軌道計算模型

CRTS II型板式無砟軌道作為縱連鋪設結構,主要包括鋼軌、扣件、接縫、預制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿以及支承層等。本文主要研究板間接縫損傷規律,因此,對軌道模型進行一定簡化,不考慮鋼軌、扣件等影響。其中軌道板、砂漿層、支承層以及板間接縫均采用實體單元CPT215進行模擬;橫、縱向鋼筋采用桿單元LINK8模擬;軌道板與砂漿層界面,以及寬窄接縫與軌道板界面通過CONTACT174和TARGET170單元模擬。模型整體包括4塊軌道板,取結構中部板間接縫作為研究對象,如圖4所示。

圖4 軌道板中部板間接縫有限元模型

2.2 模型參數

縱連板式無砟軌道各結構部位尺寸均按照設計參數設定[18],軌道板長6 450 mm,寬2 550 mm,厚200 mm;砂漿層厚30 mm;支承層寬2 950 mm,厚300 mm;寬接縫寬210 mm,厚100 mm;窄接縫寬50 mm,厚100 mm。此外,模型考慮橫、縱鋼筋作用,其中預應力鋼筋6根,每根鋼筋張拉力50 kN,模型各項材料參數如表2所示。

表2 板式無砟軌道材料參數

本文引入雙線性內聚力模型[19]分析接縫界面損傷破壞機理,內聚力模型認為在裂紋尖端存在一定內聚區,內聚區中界面兩側內聚力主要是物質原子之間相互作用力提供,且內聚力大小與脫黏界面兩側相對位移有關。當內聚區受外荷載時,其界面張力隨相對位移的增加而增大,當張力超過材料強度極限時界面出現損傷,此時應力隨張開位移的增大而逐漸減小。當張開位移達到最大時,應力減小為0,界面出現脫黏且損傷繼續擴展。其中界面損傷程度用損傷變量D(Damage)表示,D為0時界面未出現傷損,D大于0時,界面損傷開始出現,隨著D不斷增大,損傷進一步發展,D達到1時界面出現脫黏破壞,此時脫黏區域由界面粘結狀態轉變為接觸摩擦狀態。

參考文獻[20]板式無砟軌道內聚力模型參數設定,其中板間界面為軌道板與板間接縫交界面,層間界面為CA砂漿層與軌道板以及板間接縫交界面,內聚力模型參數如表3所示。

表3 內聚力模型參數

模型整體包括4塊軌道板及板間澆筑的寬窄接縫,將無砟軌道支承層底部設置為全約束,軌道結構兩端部設置為對稱約束。此外,軌道板-砂漿層以及軌道板-板間接縫界面設置為綁定約束,取模型整體中部板間接縫為研究對象,分析其界面損傷規律及分布差異。

3 板間接縫界面損傷分析

3.1 接縫界面損傷分布

圖5為接縫界面在升溫工況下損傷分布云圖,如圖5所示,升溫工況下接縫界面損傷分布基本一致。損傷由接觸面兩側向中部擴展,兩側界面損傷嚴重,板邊區域與預應力鋼筋部分區域損傷因子趨近于1,界面發生局部脫黏,且界面脫黏后損傷繼續向預應力鋼筋以及板中區域擴展。其中,正溫度梯度工況下接觸面A損傷界面約占A界面39.17%;接觸面B損傷因子整體趨近0.9,界面損傷嚴重但未發生脫黏破壞;接觸面C損傷界面達45.32%;接觸面D損傷界面達92.24%。負溫度梯度工況下界面損傷面積有所增加,接觸面A損傷界面達46.05%;接觸面B全部損傷但未發生脫黏破壞;接觸面C損傷界面達47.36%;而接觸面D損傷界面達92.47%。

圖5 升溫工況下板間接縫界面損傷云圖

圖6為接縫界面在降溫工況下損傷分布云圖,其界面損傷擴展規律與升溫工況類似,但降溫工況下界面損傷更為嚴重。正溫度梯度中板邊及預應力鋼筋區域界面出現大面積脫黏,僅有板中區域未完全破壞,接觸面A損傷界面達87.32%;接觸面B整體損傷因子均趨近于1,界面完全脫黏破壞;接觸面C損傷界面達87.22%;接觸面D損傷界面達84.71%。負溫度梯度下界面損傷尤為嚴重,各接觸面損傷因子均趨近于1,破壞界面占比超過99%,表明接縫各接觸面全部脫黏破壞。

圖6 降溫工況下板間接縫界面損傷云圖

在界面損傷分析中,寬接縫與軌道板垂向接觸界面以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷尤為嚴重,此外,界面在降溫工況下損傷更為明顯,特別是整體降溫與負溫度梯度耦合作用下各接觸面全部脫黏,此時界面由粘結狀態轉變為接觸摩擦狀態。

3.2 接縫界面平均損傷分析

圖7為升溫工況下接縫界面平均損傷分布,正溫度梯度中各接觸面平均損傷分別為0.499、0.817、0.480以及0.829,其中A、C界面損傷程度較小,B、D界面損傷程度較大。負溫度梯度工況與正溫度梯度工況平均損傷分布一致,同樣表現為接觸面A、C損傷程度較小,平均損傷均為0.499,接觸面B、D損傷程度較大,平均損傷分別為0.762與0.824。出現上述現象是由于接縫界面剪切強度、切向剛度均小于法向抗拉強度及法向剛度,在升溫過程中,軌道板及砂漿層縱向變形使B、D界面產生較大剪切應力,導致B、D界面受損嚴重。

圖7 升溫工況下板間接縫界面平均損傷

圖8為降溫工況下接縫界面平均損傷分布,正溫度梯度中接觸面A、C、D平均損傷較為一致,分別為0.819、0.799以及0.821,界面損傷嚴重,但未全部脫黏破壞。而接觸面B平均損傷已趨近于1.000,表明B界面已全部脫黏破壞。負溫度梯度工況下接縫界面損傷最為嚴重,各接觸面平均損傷均趨近于1.000,表明界面全部脫黏破壞。

圖8 降溫工況下板間接縫界面平均損傷

上述接縫界面平均損傷分析中,寬接縫與軌道板垂向接觸界面以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷較為嚴重。與升溫工況相比,接縫界面在降溫工況下脫黏破壞更為突出。出現上述現象是由于接縫界面屬于新、老混凝土交界以及混凝土-砂漿交界,其黏結性能本就小于混凝土內部骨料之間粘結能力。而混凝土材料抗拉強度遠小于抗壓強度,可見界面抗拉強度更弱,因而接縫界面在降溫工況下由于受拉作用更易導致脫黏破壞。

圖9為板間接縫界面損傷現場調研結果,由圖可知,板間接縫在寬接縫與軌道板垂向接觸界面、窄接縫與砂漿層接觸界面損傷嚴重,其界面脫黏位置及損傷擴展規律與仿真計算中B、D界面平均損傷較大,界面脫黏嚴重相對應,本文所建立的板間接縫界面損傷模型與實際損傷情況相吻合。

圖9 板間接縫界面損傷現場調研

3.3 起始損傷溫度分析

圖10、圖11為接縫各接觸面在板邊、預應力鋼筋以及板中區域起始損傷溫度分布,即界面各區域出現損傷的臨界溫度。整體升溫超過35 ℃或整體降溫超過-30 ℃表明該區域在最大升、降溫過程中未出現損傷,圖中用虛線表示。

圖10 升溫工況下板間接縫界面起始損傷溫度

圖11 降溫工況下板間接縫界面起始損傷溫度

由圖10可知,升溫工況下接觸面B、D與接觸面A、C起始損傷位置不同。正溫度梯度中接觸面B、D在板邊區域首先損傷,起始溫度為7.13 ℃與9.93 ℃,并在8.73 ℃與23.92 ℃時損傷由板邊擴展到板中區域。而接觸面A、C在預應力鋼筋區域首先損傷,起始溫度為19.12 ℃與8.73 ℃,且損傷由預應力鋼筋區域只擴展到板邊區域,板中區域未出現損傷。負溫度梯度下界面起始損傷位置及擴展規律與正溫度梯度一致,但負溫度梯度中界面損傷出現更早。接觸面B、D板邊區域首先損傷,起始溫度分別為6.33 ℃與9.13 ℃。接觸面A、C在預應力鋼筋區域首先損傷,起始溫度為18.72 ℃與7.93 ℃。其中,預應力鋼筋區域最先受損是由于該區域布置預應力鋼筋,每根鋼筋施加50 kN張拉力,使得布筋區域更易出現應力集中,導致該位置最先受損。

由圖11可知,降溫工況下界面起始損傷位置均為板邊區域,正溫度梯度中界面板邊區域起始損傷溫度分別為-5.44 ℃、-5.06 ℃、-4.56 ℃以及-2.44 ℃。在最大降溫工況下接觸面B、D在各區域均有損傷出現,而接觸面A、C在板中區域未損傷,其余區域均有損傷。負溫度梯度工況與正溫度梯度工況起始損傷位置及擴展規律一致,但負溫度梯度下界面各區域均有損傷出現,板邊起始損傷溫度為-3.37 ℃、-3.93 ℃、-3.20 ℃和-2.96 ℃,負溫度梯度中界面起始損傷相對更早。

垂直方向上,寬接縫與軌道板垂向接觸界面,以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷程度要明顯大于寬接縫與軌道板縱向接觸界面以及窄接縫與軌道板縱向接觸界面;且寬接縫與軌道板垂向接觸界面損傷擴展速度最快,界面整體最先受損。水平方向上預應力鋼筋區域是升溫工況下接縫各接觸面首先均出現界面受損的區域,即平均升溫18.92 ℃時接縫各接觸面均在預應力鋼筋區域出現損傷。

4 結論

為實現對高鐵縱連無砟軌道板間接縫界面損傷的精細化研究,將接縫界面按照垂直方向與水平方向進行劃分;分析板間接縫在實際溫度工況下不同接觸面的界面損傷程度以及不同區域的起始損傷溫度分布,確定接縫界面最不利溫度工況及最不利受力位置,主要結論如下。

(1)無論是垂直方向還是水平方向,接縫界面發生損傷脫黏的最不利溫度工況均為整體降溫荷載與負溫度梯度荷載耦合作用。

(2)在垂直方向上,寬接縫與軌道板垂向接觸界面以及窄接縫與砂漿層接觸界面損傷更加突出,這與實際調研中發現的接縫界面損傷情況相符。

(3)在水平方向上,接縫界面在預應力鋼筋區域最早出現全界面受損,平均升溫幅度18.92℃,建議工務部門加強在預應力鋼筋位置的檢查工作。