循环温度荷载下无砟轨道结构模型试验研究

2020-04-16周凌宇张广潮余志武魏天宇杨林旗

铁道学报 2020年1期

周凌宇张广潮余志武赵磊魏天宇杨林旗

(中南大学土木工程学院,湖南长沙 410075)

高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道是由混凝土底座板、CA砂浆填充层、预制混凝土轨道板、扣件和钢轨等部分组成的一种新型轨道结构,因其具有较高的平顺性、稳定性和少维修等优点而在京沪、京津和津秦等多条线路上得以广泛应用,铺设里程超过5 000km[1]。现场调研表明,我国高速铁路无砟轨道运营线上已经出现了底座板、轨道板裂纹以及层间离缝等结构性病害,其中以轨道板与CA砂浆层间离缝最为常见。无砟轨道结构纵向连续的结构特点,使其对温度作用非常敏感,环境温度变化和CA砂浆与混凝土的热行为差异是板式无砟轨道结构出现层间离缝等结构性病害的主要原因[2]。因此,温度作用对轨道结构受力性能的影响不可忽视。

目前,国内外关于轨道结构温度荷载模式以及温度荷载作用下轨道结构层间离缝等结构性病害的产生机理和规律都有研究。戴公连等[3-4],欧祖敏等[5]通过对桥上纵连板式无砟轨道结构温度场的现场长期观测,得到了无砟轨道内部温度场的时变规律,并基于统计拟合,得出了无砟轨道竖向温度荷载模式。钟阳龙等[6]基于界面黏聚力模型模拟轨道板与CA砂浆层间黏结-脱黏-接触的复杂相互关系,建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道层间剪切破坏三维有限元模型,分析了温度荷载下轨道层间剪切破坏机理。Zhu等[7]借助黏聚力模型模拟板式无砟轨道层间黏结,研究了温度作用与车辆动荷载作用下板式轨道层间损伤特性与开裂行为。何川[8]借助有限元方法,采用接触模拟轨道结构层间界面关系,研究了不同位置和大小的离缝,对轨道结构受力的影响。

纵观上述已有的研究成果,关于循环温度荷载作用下无砟轨道结构离缝的产生规律及其对结构受力性能影响方面的试验研究鲜有报道。为此,本文以高速铁路32 m 标准简支梁桥上铺CRTSⅡ型板式无砟轨道为原型,制作三跨双线CRTSⅡ型板式无砟轨道-简支梁桥结构体系的1/4缩尺模型,开展循环温度荷载试验。采用远红外灯管模拟日照对轨道结构模型进行温度加载,并基于现代光纤传感技术,借助传统应变片,LVDT 位移计和温度传感器建立了一套实时测试系统,在温度加载过程中对结构温度、位移和应变进行实时测试。研究了循环温度荷载作用下,轨道结构层间离缝的产生和扩展规律以及离缝对无砟轨道-简支梁桥结构体系受力性能的影响。为进一步提升我国高速铁路无砟轨道-桥梁结构体系建造技术、建立相应的服役状态评估体系提供试验依据。

1 模型试验概况

1.1 试验模型设计与制作

1.1.1 原型结构

目前我国已经建成并开通运营的高速铁路桥梁长度占总运营里程的近50%,其中,以32 m 标准跨径为主的简支箱梁桥长度占桥梁总长度的95%[9]。据此,选取某高速铁路线上3×32 m 标准预应力混凝土简支箱梁桥上铺CRTSⅡ型板式无砟轨道作为试验原型结构。轨道板宽度为2 550 mm,厚度为200 mm,标准轨道板长度为6 450 mm。砂浆调整层设计厚度为30 mm,底座板宽度为2 950 mm,厚度为200 mm。

1.1.2 模型结构

以满足试验精度要求为前提,综合考虑试验条件的可行性,确定试验模型缩尺比为1∶4。据应力等效原则对模型结构进行相似设计,模型结构形状与原型保持一致,满足几何相似条件,尺寸相似常数为1/4;模型结构梁体预应力筋布置形式与原型结构相似,二者对跨中边缘处混凝土产生的预压应力相等,应力相似常数为1;模型结构所用材料除部分尺寸规格不同外均与原型结构相同,因此热传递系数相似常数为1。

缩尺后,轨道板宽度为640 mm,厚度为50 mm,长度为1 600 mm。CA砂浆层原型厚度仅为30 mm,考虑到模型制作及埋设传感器的需要,模型结构CA砂浆层厚度方向不进行缩尺。底座板宽度为740 mm,厚度50 mm,模型结构断面见图1(a),实际模型结构见图1(b)。

图1 模型结构

1.1.3 模型结构施工与制作

制作三跨简支梁,每孔桥面上靠近固定支座处预留剪力齿槽,并铺设两布一模滑动层。梁体和轨道结构浇筑过程中,支好模板且钢筋骨架绑扎成型后,在预定位置埋设光纤光栅混凝土应变传感器、钢筋电阻应变片以及温度传感器。导线编号后沿钢筋引出,并采取套管保护措施。为防止在温度加载过程中环境温度过高损坏连接测试设备的导线,将所有导线采用耐高温的热熔导管包裹,并在导管外覆盖一层耐高温的隔热材料。

为模拟轨道结构无限长的边界条件,制作三跨简支梁,铺设轨道结构后,取中间跨进行试验,中跨范围内的轨道-桥梁结构满足连续性边界条件。同时,为了进一步约束轨道系统,在桥梁两端各浇筑一个长1.2 m 且与桥梁顶面等高等宽的钢筋混凝土块,采用锚杆将混凝土块与地下反力槽固定。轨道结构铺设至混凝土块外边缘。并将底座板内部钢筋在距离混凝土块外边缘100 mm处向下弯制成90°,锚固在混凝土块中,锚固长度150 mm。为验证轨道系统的连续性,试验过程中,对端部处轨道结构的应变均进行了测试,测试结果证明中间跨轨道结构实际也满足连续性边界条件。

1.2 温度荷载

1.2.1 温度荷载取值

本试验结合实际条件模拟轨道结构在极端天气持续高温条件下承受的温度荷载。随着日气温的变化,轨道结构内部会存在整体温度、线性温度梯度以及非线性温度梯度三部分温度荷载。轨道结构内部的温度荷载主要取决于其周围环境温度的变化,根据已有文献对环境温度和板面温度关系的研究,在日间气温达到40 ℃的高温条件下,轨道板表面温度最高接近60℃[10]。因此,试验温度加载过程中,控制轨道板板面最高温度为60℃,由于现有试验设备难以对结构施加低于室温的低温荷载,因此,试验在冬季夜间进行,利用较低的室温(8 ℃)考虑低温荷载。

1.2.2 温度加载方法

借助远红外加热灯管结合温控开关及温度传感器设计了一套能够实现对轨道结构升温和控温的温度加载设备,加载设备见图2(a)。加热灯管每根长1.2 m,功率为1.2 k W,在轨道结构上方布置灯管48根,距轨道板表面高度为0.2 m。灯管沿桥梁纵向分为8组,结构中间跨全长覆盖,两端向边跨各伸出0.725 m。每组6根灯管沿横桥向并排布置,间距为0.5 m。在每组灯管下的轨道板表面各布置一个温度传感器,并与温控开关相连接进行板面温度控制。为了提高温度加载效率,节约能耗,缩短升温时间,实现良好的升温效果,使用能够保温隔热并且耐高温的锡箔纸与硅酸铝纤维毯包裹灯架周围,见图2(b)。

考虑到夜间较低的自然环境温度有利于结构降温,试验温度加载从晚上18:00开始,共分为升温、控温和降温3个阶段,通过调整加热灯管的功率、数量及升温空间的大小,控制升温阶段时间约为2 h,同时设定控温阶段持续2 h。预先设定温控开关中的温度参数t1=59 ℃,t2=60 ℃。闭合电源开关,灯管对轨道结构周围环境进行升温,经过约2 h的升温阶段后,当板面温度传感器实测温度t＞t2时,温控开关自动断开,停止升温。随后温度逐渐降低,而当t＜t1时,温控开关又自动闭合进行升温,如此重复进行,控制轨道板板面温度保持在60 ℃,实现约2 h的控温阶段。最后断开电源开关,进入降温阶段,试验现场温度加载见图2(c)。

图2 试验温度加载装置示意

1.3 测试内容及方法

1.3.1 温度测试

采用JMT-36B型温度传感器进行温度测量。JMT-36B型温度传感器利用半导体(PN 结)的导电特性会随温度变化而呈现有规律的变化,将PN 结封装为芯片形式,实现高精度、高可靠性和高稳定性的温度测量。由于两条轨道线结构形式和所承受的温度荷载沿横向完全对称,因此仅选取其中一条线路布置温度测点。在中间跨的梁端和跨中2个截面分别布置温度测点,每个截面沿横向布置三列温度测点,沿竖向在每层结构内部布置上、中、下三层温度测点,温度测点横截面布置示意见图3。采用JMZX-3001 综合测试仪采集温度数据,试验温度加载过程中,每隔3 min采集一次温度数据。

图3 轨道结构测点布置示意(单位：mm)

1.3.2 应变测试

在轨道结构跨中、两侧四分点和梁端5个截面布设应变测点。轨道结构混凝土与CA砂浆应变采用埋入式光纤光栅应变传感器进行测量,在混凝土浇筑或CA砂浆灌注前预埋光纤光栅应变传感器,采用Moism130光线光栅解调仪进行数据的采集与处理,应变测点布置见图3。梁体应变采用传统电阻应变片和DH3816静态应变测试仪进行测量与采集。

1.3.3 位移测试

采用5G10X 系列直线位移计和DH3820采集器进行位移数据的测量与采集,主要包括温度荷载下无砟轨道-桥梁结构体系的整体上拱度和轨道系统层间相对位移。

对于结构整体上拱度,在箱梁底部安装位移计进行测量。在两侧梁端、四分点及跨中5个截面布置位移测点,每个截面沿横桥向布置2个。轨道系统层间相对位移包括轨道板-CA砂浆、CA砂浆-底座板以及底座板-梁体之间的竖向和水平向相对位移。测量层间相对位移时,将位移计通过刚垫板固定于其中一层轨道结构上,位移计的顶杆与固定在另一层轨道结构上的钢垫板相接触,采用耐高温的隔热材料硅酸铝纤维毯将位移计包裹,层间相对位移计安装见图4。

图4 层间相对位移计安装

1.4 温度实验前后静力加载

温度试验前后分别对中间一跨无砟轨道-桥梁结构体系进行三分点静力加载试验,研究温度试验前后结构体系受力性能的变化。静力荷载的取值按双线列车荷载考虑,即在竖向静力荷载作用下,模型结构跨中边缘处混凝土的应力与原型结构在双线列车荷载作用下跨中边缘处混凝土的应力相等,荷载取900 k N。静力加载试验在跨中采用一个加载头,通过分配梁将荷载均分至2个三分点截面,见图5。静力加载分级进行,每级荷载100 k N,除不测温度外,测试内容与测试方法均与温度试验相同。

2 实验结果与分析

2.1 离缝产生与扩展规律

图5 静力加载示意

整个实验过程中,实测离缝长度随温度荷载作用次数呈“阶梯状”变化规律,见图6。离缝的产生过程历经萌生、扩展和稳定三个阶段。1～6次试验为离缝的萌生阶段,第6次温度试验完成时,靠近剪力齿槽侧梁端处轨道板与CA砂浆之间首次观测到层间离缝,离缝长度340 mm,占单块轨道板长度的21.3%,离缝最大宽度约为0.5 mm。7～12次试验为离缝的扩展阶段,随温度荷载作用次数的增加,离缝逐渐向中跨跨中方向延伸,第12次温度试验完成时,靠近剪力齿槽侧梁端处整块轨道板与CA砂浆完全脱空,即离缝长度等于单块轨道板的长度,为1 600 mm。13～18次试验为离缝的稳定阶段,此阶段,旧离缝均没有继续扩展,也无新离缝生成。层间离缝见图7。

图6 离缝长度随温度荷载作用次数的变化曲线

图7 梁端处轨道板-CA砂浆层间离缝

在18次温度循环加载过程中,沿桥梁纵向,离缝仅出现在靠近剪力齿槽侧梁端处的第1块轨道板中,跨中和远离剪力齿槽侧梁端均没有离缝出现。说明在温度荷载作用下,剪力齿槽对轨道结构自由变形的约束作用是产生层间离缝的重要原因之一。受施工工艺的影响,CA砂浆层与底座板之间的界面黏结强度远大于CA砂浆与轨道板之间的黏结强度,因而沿竖向,界面离缝主要产生于CA砂浆与轨道板之间,CA砂浆与底座板之间始终黏结完好,无层间离缝出现。

2.2 轨道-桥梁结构上拱度

在不同温度荷载作用次数下,实测梁体跨中上拱度随轨道板顶面温度的变化规律见图8(a)。温度荷载循环加载下,温度-上拱度曲线逐渐向上拱度减小的方向“偏移”,离缝的萌生阶段(0～6次)和稳定阶段(12～18次),曲线分布密集,离缝的扩展阶段(6～12次),曲线分布较为稀疏。

图8 梁体跨中上拱度与轨道板顶面温度、温度荷载作用次数的变化曲线

在不同温度荷载作用下,梁体跨中上拱度随温度荷载作用次数的变化曲线见图8(b)。由图8(b)可知,随温度荷载作用次数的增加,相同温度荷载下,梁体跨中上拱度逐渐减小。离缝的萌生阶段和稳定阶段,上拱度减小缓慢,离缝的扩展阶段,上拱度减小的速度较快,变化规律呈“阶梯状”,与离缝长度变化规律相似。

由分析可知,层间离缝的产生是梁体上拱度随温度荷载循环作用而逐渐减小的主要原因。给轨道结构施加温度荷载时,轨道板距离热源最近,承受的温度荷载最大,离缝产生前,荷载效应通过层间黏结逐层向下传递,轨道-桥梁结构体系协同变形,同步上拱。层间离缝的产生,使得轨道板与CA砂浆界面黏结强度逐渐降低甚至消失。因此,向下传递的荷载效应逐渐减小,梁体上拱度随之减小,且上拱度的减小速率与离缝长度的增大速率基本保持一致。

2.3 轨道结构层间相对位移

跨中处无砟轨道-梁体竖向相对位移变化曲线见图9。在不同温度荷载作用次数下,梁体跨中竖向位移随轨道板顶面温度的变化规律见图9(a)。由图9(a)可知,温度荷载作用下,轨道结构位移与轨道板顶面温度呈线性关系,随温度荷载作用次数的增加,温度-相对位移曲线逐渐向位移增大的方向“偏移”,曲线斜率逐渐减小。离缝萌生和稳定阶段,相邻曲线间距较小,离缝扩展阶段,相邻曲线之间的间距较大。

图9 跨中处无砟轨道-梁体竖向相对位移与轨道板顶面温度、温度荷载作用次数的变化曲线

在不同轨道板顶面温度下,跨中处轨道结构-梁体竖向相对位移与温度荷载作用次数的变化曲线见图9(b)。由图9(b)可知,随温度荷载作用次数增加,相同温度产生的相对位移逐渐增大,离缝经过萌生-扩展-稳定3个阶段过程中,位移增大速率也呈现慢-快-慢的变化规律。以轨道板升温30℃为例,第1次试验时,轨道结构相对位移为1.08 mm,第18次试验时,轨道结构相对位移为1.27 mm,增大了17.59%。

相同荷载作用时,轨道结构的位移与其自身刚度成反比,位移随温度荷载循环作用而逐渐增大,说明轨道结构的刚度随之逐渐减小。由以上分析可知,试验过程中,轨道结构的刚度在离缝的萌生-扩展-稳定3个阶段呈现慢-块-慢的规律逐渐减小。轨道结构试验前后刚度为

式中:K1、K2分别为温度试验前后结构刚度;P为试验前后相同的荷载;δ1、δ2分别为第1、18次试验对应的结构位移;ΔK为温度试验前后刚度降低率。

以轨道板顶面升温30 ℃为例,由式(2)可知,经过18次温度循环加载,轨道结构刚度降低了14.96%。

2.4 静力试验结果及分析

静力荷载作用下无砟轨道-桥梁结构体系的荷载与挠度曲线见图10。静力加载过程中,模型结构始终处于弹性阶段,荷载与挠度呈线性关系,荷载-挠度曲线的斜率即为结构产生单位位移所需要施加的荷载,可表征结构刚度。由图10可知,在相同荷载作用下,温度试验后梁体的挠度稍大于温度试验前。说明经过18次循环温度加载试验后,轨道-桥梁结构体系的刚度降低为2.52%,降低幅度较小。

图10 无砟轨道-桥梁结构体系荷载与挠度曲线

温度试验前后两次静力加载轨道板、CA砂浆和底座板的荷载与应变曲线见图11。由图11可知,在相同竖向荷载作用下,相比于初始状态,循环温度试验后,轨道结构各层应变均有所增大,轨道板、CA砂浆和底座板的应变分别增大了13.18%、11.58%、14.02%。进一步说明循环温度试验所产生的离缝改变了结构的受力特征,降低了结构的刚度。

图11 温度试验前后两次静载轨道结构荷载与应变曲线

以轨道板、CA砂浆、底座板各层荷载-应变曲线的斜率分别表征其各自的刚度;以温度-轨道结构与梁体相对位移曲线的斜率表征轨道结构的刚度;以轨道-桥梁结构体系的荷载-挠度曲线斜率表征轨道-桥梁结构体系的刚度,将温度试验前后各层结构及结构体系整体的刚度变化见表1。由表1可知,18次循环温度试验对轨道结构(轨道板、CA砂浆和底座板)刚度的影响较大,刚度退化率在10%～15%之间,对无砟轨道-桥梁结构体系整体刚度的影响相对较小,刚度退化率为2.52%。