全毅，刘学毅，杨荣山

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)



CRTSⅢ型板式轨道层间离缝下门型筋合理布置研究

全毅，刘学毅，杨荣山

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:CRTSⅢ型板式轨道作为我国自主研发的新型板式轨道结构，目前在国内尚未系统地研究层间离缝下结构以及门型筋的受力情况。根据CRTSⅢ型板式轨道结构特点，建立包含钢轨、轨道板、门型连接钢筋、自密实混凝土和混凝土底座的轨道结构受力分析模型，分析不同荷载作用下层间离缝位置和长度对门型筋受力和连接效果的影响。研究结果表明:列车荷载与负温度荷载共同作用下，板边出现离缝对门型筋连接效果的影响最大，轨道板板端混凝土被拉坏。对此，提出在轨道板两端加密门型筋的布置方式，通过对比，采用加密门型筋的布置方式在离缝条件下层间连接效果更好。

关键词：CRTSⅢ型板式轨道;门型筋;层间离缝;合理布置

CRTSⅢ型板式无砟轨道作为我国自主研发的新型板式轨道结构，自上而下由钢轨、WJ-8扣件、轨道板、自密实混凝土调整层和支撑层等组成[1]。在结构设计中，为加强轨道板与自密实混凝土层间的连接，在轨道板承轨台下方位置设置了门形钢筋。门型筋与自密实混凝土层的钢筋网连接，浇自密实混凝土后，轨道板与自密实混凝土层黏结在一起，形成紧密连接的“复合板”结构。但由于两者灌注时间、弹性模量不同，在列车荷载、温度荷载和自密实混凝土收缩的影响下，轨道板和自密实混凝土层容易产生离缝现象[2]。目前，国内尚未系统深入地研究CRTSⅢ型板式轨道的层间离缝受力问题。CRTSⅢ型板式轨道的层间离缝不仅影响轨道结构的整体性，严重的层间离缝还会影响高速列车运行的平稳性、舒适性和安全性[3]。当轨道结构出现层间离缝时，轨道板与自密实混凝土层的层间约束减弱，此时门型筋对于层间连接显得尤为重要。本文主要研究轨道板与自密实混凝土层产生层间离缝对门型筋连接效果的影响以及离缝条件下门型筋合理布置方式。

1计算模型与相关参数

为研究层间离缝对轨道结构的影响，利用有限元软件ANSYS，建立CRTSⅢ型板式轨道梁-体模型(见图1)，钢轨采用梁单元模拟，轨道板、自密实混凝土层和底座板采用三维实体单元来模拟。为方便求解，模型中对轨道结构进行合理的简化。由于考虑层间作用，门型筋横向钢筋省略，将一个门型筋简化为两个销钉，门型筋用三维线性有限应变梁单元模拟。有限元计算模型中门型筋单元与混凝土实体单元构建约束方程，彼此不产生滑移，如图2所示。自密实混凝土与底座板之间由于设置了土工布隔离层，采用接触进行模拟。轨道板与自密实混凝土层间黏结破坏用接触单元来模拟，在实际情况中层间粘结失效往往还伴随混凝土的破坏，用单元生死中的消亡单元模拟混凝土的破坏。为消除边界效应，选取3块轨道板进行计算，以中间轨道板作为研究对象。

图1　CRTSⅢ型板式轨道有限元模型Fig.1 Finite element model of CRTSⅢslab track

图2　门型筋与混凝土单元约束模型Fig.2 Constraint model of door typr steel and concrete

模型中钢轨为60 kg/m钢轨；扣件垂向和横向刚度均为50 kN/mm，扣件间距0.687 m；轨道板厚0.19 m，宽2.5 m，长5.35 m；自密实混凝土层厚0.1 m，宽2.7 m；支撑层厚0.242 m，宽3.1 m；门型筋的弹性模量为2×105MPa，泊松比0.3，热膨胀系数1.18×10-5m/℃。每块轨道板沿线路纵向布置16排门型筋，间隔为0.343 m，如图3所示。

图3　门型筋布置图Fig.3 Arrangement plan of door type steel

轮载取为单轴荷载形式，竖向荷载取轮载单轮150 kN，最不利荷载作用点在离缝区域与非离缝区域交界位置。最大正温度梯度取85 ℃/m，最大负温度梯度取43 ℃/m，常用温度梯度取为最大温度梯度的1/2。当与列车荷载组合时采用常用温度梯度检算[4]。

根据现场调查，典型离缝共分为3种：1)板边离缝，离缝横向从板边发展至接近钢轨扣件支点下端，纵向发展如图4(a)所示；2)板中离缝，离缝横向长度为两根钢轨扣件支点间距，纵向发展如图4(b)所示；3)轨下离缝，离缝横向长度包括1列销钉和1根钢轨，纵向发展如图4(c)所示[5]。3种工况下离缝纵向长度从到达第1组扣件开始依次取为0.27，1.64，3.02，4.39和5.35 m。

(a)板边离缝；(b)板中离缝；(c)轨下离缝图4　离缝工况Fig.4 Debonding conditions

2计算结果与分析

2.1门型筋应力分析

当轨道板和自密实混凝土间出现层间离缝，层间连接主要靠门型筋提供。经过计算，在离缝工况下门型筋的剪切应力较小。因此，主要分析列车荷载、负温度梯度和正温度梯度作用下门型筋的最大轴向拉应力。

(a)门型筋最大轴向拉应力；(b)板边离缝长1.64 m时离缝一侧门型筋应力图5　列车荷载作用下门型筋受力情况Fig.5 Force of door type steel under Train-loads

(a)门型筋最大轴向拉应力；(b)板边离缝长1.64 m时离缝一侧门型筋应力图6　负温度梯度作用下门型筋受力情况Fig.6 Force of door type steel under the effect of negative temperature gradient

(a)门型筋最大轴向拉应力；(b)轨下离缝长1.64 m时离缝一侧门型筋应力图7　正温度梯度作用下门型筋受力情况Fig.7 Force of door type steel under the effect of positive temperature gradient

从图5～7可以看出：1)温度梯度对门型筋轴向拉应力影响较大，轴向拉应力最大值出现在离缝区域处的门型筋上。2)列车荷载作用下，板边离缝对门型筋轴向拉应力影响最大，轴向拉应力最大值为3.9 MPa。3)在负温度梯度荷载作用下，板边离缝对门型筋轴向拉应力影响最大，轴向拉应力最大值为26.2 MPa。4)在正温度梯度荷载作用下，轨下离缝对门型筋轴向拉应力影响最大，轴向拉应力最大值为50.9 MPa。

2.2门型筋周边轨道板混凝土应力分析

根据对门型筋应力的分析可知：当门型筋周围出现层间离缝时，由于门型筋轴向拉应力有显著增大，对周围混凝土受力非常不利。为了分析门型筋周围混凝土的应力状态，施加荷载有3种工况。工况1：列车垂向荷载+板边离缝；工况2：列车荷载+负温度梯度+板边离缝；工况3：列车荷载+正温度梯度+轨下离缝。

在列车垂向荷载和负温度梯度作用下，轨道板和自密实混凝土的纵向拉应力比较显著。在正温度梯度作用下，由于CRTSⅢ板式轨道纵连结构以及门型筋和纵向预应力钢筋的限位作用，轨道板和自密实混凝土纵向主要受压。又因门型筋已简化为销钉，故按工况1和工况2加载时，主要分析离缝区域靠近板边销钉附近混凝土纵向拉应力，按工况3加载时，分析离缝区域靠近钢轨销钉附近混凝土横向拉应力。门型筋周边轨道板混凝土受力如图8所示。

(a)工况1；(b)工况2；(c)工况3图8　门型筋周边轨道板混凝土拉应力Fig.8 Tensile stress of Track plate concrete near the door type steel

从图8中可以看出：1)工况1加载，无离缝时门型筋周边轨道板混凝土的纵向拉应力最大值为0.17 MPa；混凝土的纵向拉应力随离缝纵向长度的增加而增大，当离缝纵向长度为5.35 m时，混凝土的纵向拉应力的最大值为0.24 MPa。2)工况2加载，无离缝时靠近加载位置，门型筋周边轨道板混凝土的纵向拉应力最大值为0.554 MPa；混凝土的纵向拉应力随着门型筋序列数的增加而增大，最大值为1.28 MPa。当存在板边离缝，第一行和最后一行门型筋附近应力显著增大。当离缝纵向长度为5.35 m时，轨道板右端混凝土的纵向拉应力增大到3.61 MPa。3)工况3加载，无离缝时门型筋周边轨道板混凝土的横向拉应力最大值为0.138 MPa；当存在轨下离缝时，从第二行门型筋起混凝土的拉应力显著增大。当离缝纵向长度为5.35 m时，混凝土的拉应力最大值为0.37 MPa。

综上，在负温度梯度与列车荷载共同作用下，板边离缝对门型筋周边轨道板混凝土的受力最不利。当离缝纵向长度超过0.27 m时，轨道板右端处混凝土纵向拉应力最大值约为2.38 MPa；板边离缝长5.35 m时，最大值增加至3.61 MPa，超过C60混凝土的极限抗拉强度，混凝土被拉裂。

2.3门型筋周边自密实混凝土层混凝土应力分析

门型筋周边自密实混凝土层混凝土受力情况如图9所示。从图9中可以看出：按工况1加载，无离缝时门型筋周边轨道板混凝土的纵向拉应力最大值为0.068 MPa；当存在板边离缝时，混凝土的纵向拉应力的最大值为0.071 MPa。工况2加载，无离缝时门型筋周边混凝土纵向拉应力随门型筋序列数增加变化不大，最大值为0.717 MPa；混凝土的纵向拉应力随着门型筋序列数的增加而增大，最大值为1.279 MPa。当存在板边离缝，最后一行门型筋附近应力显著增大。当离缝纵向长度为5.35 m时，轨道板右端混凝土的纵向拉应力增大到2.21 MPa。工况3加载，无离缝时门型筋周边轨道板混凝土的横向拉应力最大值为0.544 MPa；当存在轨下离缝时，板中门型筋附近的混凝土的拉应力显著增大。当离缝纵向长度为5.35 m时，混凝土的拉应力最大值为0.784 MPa。

(a) 工况1；(b)工况2；(c)工况3图9　门型筋周边自密实混凝土层混凝土拉应力Fig.9 Tensile stress of self-compacting concrete near the door type steel

综上，在负温度梯度与列车荷载共同作用下，板边离缝对门型筋周边自密实混凝土层混凝土的受力最不利。当离缝纵向长度超过0.27 m时，轨道板右端处混凝土纵向拉应力最大值约为1.279 MPa；板边离缝长5.35 m时拉应力最大值增加至2.21 MPa，未超过C40混凝土的抗拉强度。但是在温度荷载的循环作用以及列车通过时轨道板对自密实混凝土层的拍打作用下都有可能加速离缝范围的扩展，破坏轨道板与自密实混凝土层之间的黏结。

2.4加密门型筋布置方式

根据对门型筋周边混凝土拉应力的分析可知，列车荷载与负温度荷载共同作用下，板边出现离缝对门型筋连接效果的影响最大，轨道板板端混凝土被拉坏。故在轨道板两端加密门型筋并按工况2加载进行对比。加密布置方式如图10所示。

图10　加密门型筋布置方式Fig.10 Arrangement plan of encrypted door type steel

图11　门型筋周边轨道板混凝土拉应力Fig.11 Tensile stress of Track plate concrete near the door type steel

图12　门型筋周边自密实混凝土拉应力Fig.12 Tensile stress of self-compacting concrete near the door type steel

从图中可以看出，按工况2加载并采用加密门型筋布置方式时，板端处门型筋周边混凝土最大拉应力明显减小。与不加密布置相比，门型筋周边轨道板混凝土拉应力最大值由3.61 MPa减至1.44 MPa，门型筋周边自密实混凝土拉应力最大值由2.21 MPa减至1.32 MPa。相比较之下，采用在轨道板板端加密门型筋的布置方式在离缝条件下层间连接效果更好。

3结论

1)3种典型层间离缝对门型筋受力的影响不同，列车荷载或负温度梯度作用下板边离缝对门型筋受力最不利，正温度梯度作用下轨下离缝对门型筋受力最不利。

2)列车荷载与负温度梯度共同作用下轨道板板角上翘，离缝出现在板边时离缝区域门型筋由于层间粘结力减小而拉应力增加，导致门型筋附近混凝土拉应力同步增加，当板边离缝纵向长度超过0.27 m时轨道板板端混凝土被拉坏。

3)与不加密相比，采用在轨道板板端加密门型筋的布置方式在离缝条件下层间连接效果更好。

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(编辑蒋学东)

Reasonable arrangement of door type steel of interlayer gap for CRTSⅢslab track

QUAN Yi，LIU Xueyi，YANG Rongshan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Abstract:As Chinese independent innovation of slab track structure, there wasnot related research on force of structure and door type steel of CRTSⅢ slab track with interlayer gap so far. In reference to the structure of CRTSⅢslab track, finite element beam-solid model was established. And influences on the force and connection effect of door type steel caused by different position and length of interlayer gap under different loads were analyzed. The results show that interlayer gap that appeared in the plates’ boundary has the biggest influence on the connection effect of door type steel under the common effect of train load and negative temperature gradient, concrete at both ends of the track plate broken. So the setting form of encrypting door type steels at both ends of the track plate was put forward in this paper. By comparison, the effect of the arrangement of encrypting steels is better in the condition of interlayer gap.

Key words：CRTSⅢslab track; door type steel; interlayer gap; reasonable arrangement

中图分类号：U213.2+44

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0407-07

通讯作者：刘学毅(1962-)，男，四川中江人，教授，博士，从事高速重载轨道结构和轮轨系统动力学；E-mail: xyliu@home.swjtu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(U1434208)；国家自然科学基金资助项目(51278431)

收稿日期：2015-08-02