刘 峰，李海燕，李 杨，张 岩

(1.中铁建华北投资发展有限公司，河北 石家庄 050011；2.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050041；3.石家庄铁道大学交通运输学院，河北 石家庄 050043；4.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

纵连板式无砟轨道由于具有较好的整体性、平顺性，在我国得到了广泛的应用。然而在服役过程中，纵连板式无砟轨道出现了影响轨道平顺性乃至行车安全性的伤损，这其中以夏季轨道板的上拱变形最为突出，具体表现为轨道板与砂浆层间离缝、宽窄接缝混凝土伤损等病害[1、2]。学者们对纵连板式无砟轨道上拱变形规律进行了研究：肖春明[3]基于现场施工情况对无砟轨道上拱变形的影响因素进行了定性分析；谭社会[4]对纵连板式无砟轨道垂向变形与纵向变形进行了现场检测；刘笑凯[5]采用稳定性理论分析了无砟轨道垂向失稳风险的影响因素；赵春光[6]研究了纵连板式无砟轨道在夏季高温作用下的上拱形态与上拱后轨道的动力学性能。

学者们对纵连板式无砟轨道变形规律的研究为提高高速铁路轨道服役状态打下了理论基础。然而，目前高速铁路无砟轨道上拱变形机理仍不明确，纵连板式无砟轨道上拱变形规律及影响因素仍缺乏细致定量分析。针对这些问题，本文采用ABAQUS 有限元软件建立路基上高速铁路纵连板式无砟轨道结构三维精细化有限元分析模型，详细分析纵连板式无砟轨道接缝伤损程度情况、接缝混凝土强度等级、层间强度等在温度荷载作用下轨道受力变形的影响规律，研究结论可为无砟轨道伤损防治与养护维修提供理论参考。

1 仿真模型的建立

1.1 轨道结构模型

本文依据路基段纵连板式无砟轨道各结构部件尺寸建立有限元模型，如图1所示。轨道板混凝土的弹性模量为35 500 MPa，泊松比为0.2；CA砂浆的弹性模量为8 000 MPa，泊松比为0.2；支承层混凝土的弹性模量为25 500 MPa，泊松比为0.2。由于钢轨的抗弯刚度远小于轨道板的抗弯刚度，因此本文模型中忽略钢轨的影响。有限元模型中各部件采用三维实体缩减积分单元C3D8R建模。

图1 纵连板式无砟轨道结构尺寸(单位：mm)

1.2 层间界面本构关系

采用双线性粘聚力模型模拟轨道板和砂浆层间的本构关系，层间法向粘聚力和切线粘聚力均随层间位移先增大后减小。层间界面伤损产生的判断准则为：

(1)

层间断裂根据能量释放率判断：

(2)

引入伤损值D表征层间界面伤损：

(3)

层间法向粘结强度为0.04 MPa，法向粘结刚度为 0.7 MPa/mm，法向断裂韧度为0.015 mJ/mm2;层间切向粘结强度为0.038 MPa，切向粘结刚度为 1 MPa/mm，切向断裂韧度为0.021 mJ/mm2[7]。

1.3 边界条件与荷载

为了消除边界效应的影响，本文取6块轨道板的长度进行建模。模型端部进行对称约束；路基对于支承层的支承作用采用弹簧单元进行模拟，弹簧的刚度为75 MPa/m[8]；支承层与砂浆层间采用绑定约束。

根据相关研究成果，轨道结构的最高温升荷载取为40 ℃[9]。温升荷载采用“预定义场”方式进行施加。为了使仿真工况与实际情况更加符合，本文模型中考虑重力作用，重力加速度取为9.8 m/s2。

2 轨道上拱影响因素分析

2.1 宽窄接缝伤损程度的影响

纵连板式无砟轨道结构中，宽窄接缝中的宽接缝宽度为200 mm、高度为110 mm，窄接缝的宽度为50 mm、高度为90 mm。宽窄接缝为轨道结构的薄弱环节，易出现初始伤损，其中以窄接缝伤损尤为常见。其成因主要是宽窄接缝混凝土为施工期现场浇筑，窄接缝部位空间狭小，混凝土浇筑时不易振捣，混凝土浇筑密实程度难以保证。运营期在温度荷载与列车荷载的共同作用下，窄接缝出现伤损。现场调研表明，纵连板式无砟轨道上拱多发于窄接缝存在初始伤损的位置。依照现场伤损情况，本文设置的工况为宽接缝完好，窄接缝破损，伤损高度方向为从下到上。仿真中将破损处的单元完全去除。仿真结果表明，当窄接缝出现初始伤损时，在温升荷载作用下，伤损接缝处的上拱位移远大于其他位置的垂向位移，如图2所示。

图2 轨道上拱变形云图

本文有限元模型中用窄接缝的伤损高度表征宽窄接缝伤损程度。窄接缝伤损高度在0至90 mm范围内以15 mm为间隔取值，其中0 mm表示接缝完好，90 mm表示窄接缝完全伤损。将模型中间位置处的宽窄接缝设为伤损接缝，其他接缝均为完好接缝。通过对比分析，研究宽窄接缝伤损程度对纵连板式无砟轨道上拱的影响规律。温升荷载作用下，窄接缝伤损高度对轨道上拱波形的影响如图3(a)所示。由图3(a)可知，纵连板式无砟轨道最大上拱位移随窄接缝伤损高度的增大而增大，不同窄接缝伤损情况下无砟轨道上拱波形基本一致。温升荷载作用下，纵连板式无砟轨道最大上拱位移与窄接缝伤损高度关系如图3(b)所示。由图3(b)可知，窄接缝伤损高度越大，上拱位移的增长速率也就越快。因此，将窄接缝伤损控制在较小的程度，对于限制纵连板式无砟轨道上拱具有较大的作用。

图3 窄接缝伤损高度对轨道上拱变形的影响

不同窄接缝伤损高度下，纵连板式无砟轨道宽窄接缝最大纵向压应力随温升荷载的变化曲线如图4(a)所示。由图4(a)可知，当窄接缝伤损高度大于等于30 mm，温升幅度为40℃时，宽窄接缝最大纵向压应力大于C55 混凝土抗压强度35.5 MPa，此时宽窄接缝混凝土将发生破坏，因此，现场发现窄接缝伤损高度大于30 mm时应及时维修。最大温升荷载作用下，纵连板式无砟轨道宽窄接缝最大纵向压应力与窄接缝伤损高度的关系如图4(b)所示。由图4(b)可知，宽窄接缝最大纵向压应力随窄接缝伤损高度的变化规律与上拱位移变化规律基本一致，即最大纵向压应力随窄接缝伤损高度增加而增加。

图4 窄接缝伤损高度对接缝应力的影响

最大温升荷载作用下，纵连板式无砟轨道轨道板纵向端部路径上伤损值D分布如图5所示。由图可见，当窄接缝伤损高度大于等于60 mm时，轨道板纵向端部基本全部离缝；当窄接缝伤损程度较小时，仅在纵向端部路径的两端出现离缝。

图5 不同接缝伤损高度下层间界面伤损分布规律

2.2 宽窄接缝混凝土强度的影响

宽窄接缝混凝土为现场浇筑，因此，宽窄接缝处不仅易于出现混凝土伤损，混凝土的强度也容易受到施工质量等因素的影响。戴公连等[10]对某段纵连板式无砟轨道宽窄接缝混凝土强度进行了现场测试与统计，结果表明宽窄接缝混凝土强度均值比轨道板混凝土强度均值低10 MPa左右。考虑混凝土强度的离散性，本文分别取宽窄接缝混凝土立方体强度为C35、C40、C45、C50、C55，研究宽窄接缝混凝土强度对纵连板式无砟轨道上拱变形的影响规律。仿真模拟中窄接缝伤损高度取15 mm。宽窄接缝混凝土强度对轨道上拱变形的影响如图6所示。由图6可见，纵连板式无砟轨道最大上拱位移随宽窄接缝混凝土强度增大而呈减小趋势。因此，提高宽窄接缝施工质量，提高宽窄接缝混凝土强度，对于减小轨道垂向变形可以起到一定的作用。

图6 接缝混凝土强度对轨道最大上拱位移的影响 图7 接缝应力随温升幅度的变化

不同接缝混凝土强度下，纵连板式无砟轨道最大纵向压应力随温升幅度的变化规律如图7所示。由图可知，当窄接缝破损程度为15 mm时，不同接缝混凝土强度下，最大压应力随温升幅度的变化规律差异很小。然而，当接缝混凝土强度减小，混凝土达到抗压强度对应的温升值也会减小，因此宽窄接缝将更容易发生破坏，现场施工时应提高混凝土强度，避免这种情况的发生。

2.3 层间界面粘结强度的影响

为分析层间界面粘结强度对轨道上拱变形的影响，本文选取层间粘结强度分别为0.04 MPa、0.08 MPa和0.12 MPa进行对比分析。由图8可见层间粘结强度对轨道最大上拱位移的影响：当层间粘结强度增大时，最大上拱位移减小。层间粘结强度从0.04 MPa增大到0.08 MPa，最大上拱位移减小约4%；但当层间粘结强度从0.08 MPa增大到0.12 MPa，最大上拱位移减小约 10%。

图8 层间强度对轨道上拱变形的影响 图9 不同层间强度下接缝最大压应力随温升幅度的变化

不同层间强度下，纵连板式无砟轨道最大接缝压应力随温升幅度的变化规律如图9所示。由图9可知，当窄接缝破损程度为15 mm时，对于相同的温升幅度，层间粘结强度越大，接缝最大应力越小。因此，通过提高施工质量、层间注胶维修等手段提高层间强度，有利于减少接缝的伤损。

3 结论

(1)当窄接缝出现初始伤损时，在温升荷载作用下，接缝处的上拱位移远大于其他位置的垂向位移。

(2)纵连板式无砟轨道最大上拱位移随着窄接缝伤损高度的增大而增大，且窄接缝伤损高度越大，上拱位移的增长速率也就越快。

(3)当窄接缝伤损高度大于等于30 mm、温升幅度为40 ℃时，宽窄接缝最大纵向压应力大于C55 混凝土抗压强度35.5 MPa，此时宽窄接缝将发生破坏，因此，现场发现窄接缝伤损高度大于30 mm时应及时维修。