CA砂浆层破坏对无砟轨道结构受力特性影响

2024-01-18赵丽华胡安泽孟庆武张吉松

铁道标准设计 2024年1期

赵丽华，胡安泽，孟庆武，张吉松

(1.大连交通大学土木工程学院,大连 116028; 2.辽宁建筑职业学院,辽宁辽阳 111000)

引言

21世纪以来,中国轨道交通建设取得了举世瞩目的成就,为国民经济快速提升做出了卓越贡献。尤其高速铁路建设经历了一次跨越式的发展,在世界范围内的认知度逐步提升。然而,随着运营时间的不断积累,作为铁路车辆最主要和直接的承力结构,无砟轨道结构在服役过程中出现了突发性、群发性的病害[1]。据调查,运营10年的哈大高速铁路CRTSⅠ型轨道结构的CA砂浆层出现了离缝、掉块、水损害等病害[2]。CA砂浆的破损导致轨道板出现悬空现象,对轨道结构受力、变形产生不利影响,严重时会导致整体结构破坏,危及行车安全。因此,研究CA砂浆层破损程度对轨道结构的影响,对于分析轨道结构的服役寿命、确定大修周期,确保列车的运行安全具有重要意义。

关于CA砂浆层破坏现象、破坏机理、检测技术及对轨道结构影响等方面,国内外学者开展了一系列研究工作。ROSE等[3]讨论了CA砂浆在无砟轨道上的应用情况,以及应用过程中可能出现的开裂、离缝等病害。RUTHEFORD等[4]对CA砂浆与混凝土间的黏结强度进行了试件试验,分析了层间剪切破坏问题。TANAKA等[5]应用红外检测技术对桥上无砟轨道的掉块、开裂等破坏进行了测试,验证了无损检测方法的可行性。王森荣、刘钰等[6-7]对既有线路无砟轨道的裂纹情况进行了调研和汇总,指出温度和混凝土收缩是层间开裂的主要原因。朱胜阳[8]建立了砂浆层的统计损伤本构模型,探究了含裂缝情况下砂浆层的动态性能变化及损伤发展。孙魁[9]建立了车辆-轨道耦合动力学模型,模型中考虑了CA砂浆的离缝,通过正交试验分析了离缝长度、宽度及高度对轮轨系统动力响应的影响。刘克旭[10]分别使用ANSYS及ABAQUS软件建立了桥上CRTS I型板式轨道模型,探究桥上CRTS I型板式轨道结构存在离缝病害时的受力以及变形规律。张振[11]建立了列车-CRTS Ⅱ型板式轨道-路基耦合动力分析模型,考虑支撑层板端脱空和板中脱空两种病害对轨道结构的影响。杨荣山等[12]建立了CRTS Ⅱ型板式轨道静力计算模型,将模型整体视为等效纵向连续的弹性体,研究底座板后浇带脱空长度对轨道结构的位移和受力影响。

综上所述,现有板式轨道服役性能研究中,CA砂浆层掉块对CRTS I型板式轨道动力性能影响研究还较少,且大多数轨道结构数值计算模型中,将CA砂浆层视为线弹性体进行定义,忽略CA砂浆自身的黏弹性,造成仿真计算与材料实际性能不一致。笔者前期研究表明[13-14],在CRTS I型板式轨道动力响应分析中,将CA砂浆层定义为黏弹性材料或弹性材料两种属性,当考虑5 s的激振力荷载作用时,轨道板和底座板力学响应的差异不可忽略,尤其CA砂浆层的应力幅值变化较大。当采用车轮移动荷载作用时,材料的本构关系不同对轨道板和底座板垂向位移的结果均有一定影响,因此在轨道结构动力分析中考虑CA砂浆层的黏弹性是必要的。张艳荣等[15]采用有限元软件基于时间硬化模型,建立了考虑CA砂浆黏弹性的有限元模型,研究轨道板与CA砂浆层之间的脱粘问题,及其对轨道结构力学性能的影响。研究表明,黏弹性参数的加入有效提高了有限元分析的性能,可以更好地预测层间脱粘的发生和轨道结构的动力响应。徐浩[16]基于Burgers模型转换的Prony级数表征CA砂浆的黏弹性,并在此基础上分析了其损伤对轨道力学性能的影响。研究发现,CA砂浆层脱空对轨道的受力有不利影响。基于问题的复杂性,继续开展CA砂浆层破损程度对轨道结构性能影响研究,具有重要的理论价值及工程指导意义。

基于修正Burgers模型转换的Prony级数表征CA砂浆的黏弹性属性,建立CRTS I型板式无砟轨道模型,研究车轮荷载作用下,CA砂浆层板端、板中不同区域出现不同程度的掉块破坏时,轨道结构各部件的动力响应,为进一步确定无砟轨道结构的维修时机提供理论指导。

1 板式无砟轨道3D数值模型

1.1 模型参数

CRTSⅠ型板式无砟轨道由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、挡台、挡台树脂、混凝土底座板及基础组成。采用ABAQUS有限元软件,首先建立无砟轨道各部件模型,赋予材料属性,再由接触关系、连接器等将各部件组合,形成了CRTSⅠ型板式无砟轨道三维数值模型。为提高计算精度,本研究建立了3块轨道板长度的轨道模型,如图1所示,模型各结构层主要参数如表1所示。

表1 轨道结构主要参数Table 1 Main parameters of track structure

图1 轨道及车轮荷载模型Fig.1 Track and wheel load model

CA砂浆在材料属性中考虑其黏弹性,在ABAQUS有限元软件中,可以通过材料剪切松弛模量的Prony级数式(1)来实现材料的黏弹特征[17]。课题组前期开展了30 ℃条件下CA砂浆试件的室内压缩蠕变试验[18],获得了应变-时间曲线,对试验数据进行了多个黏弹性蠕变方程的参数拟合,通过对比分析,确定修正Burgers模型(式2)能更好地表征CA砂浆的蠕变特征[19]。拟合试验数据获得的修正Burgers模型参数结果如表2所示。

(1)

(2)

参照现有研究成果,计算修正Burgers模型的Prony级数表达式[20]。G1为初始剪切模量;ti为松弛时间;ai为相对剪切模量;CA砂浆剪切模量G0=0。通过对表2数据的参数转换,获得CA砂浆材料的Prony级数计算结果如表3所示。

表3 CA砂浆的Prony级数Table 3 Prony series of CA mortar

1.2 列车荷载

当列车在轨道行驶时,其计算荷载取最大值,CRH2型动车组定员100人时质量为56 t,此时平均轴重Pv=56.0×1 000×9.8/8=68 600 N,则最大计算载荷为

Pmax=Pv(1+kvd)

(3)

式中,Pmax为最大垂向载荷,N;Pv为平均轴重,N;kvd为弹簧挠度裕量系数,动车组客车转向架中有油压减振器,取kvd=0.5。在忽略轮对质量的条件下,每个车轮与钢轨之间的平均最大压力P=Pmax/2=51 450 N。模型中使用一个转向架上的两组轮对对轨道结构进行加载,建立轨道及列车移动荷载模型(图1),轮对速度取哈大高速铁路夏季运行速度300 km/h。

2 CA砂浆层掉块简化

CRTS I型板式无砟轨道是由多层结构复合而成,受环境以及列车荷载等因素的影响,CA砂浆层出现了多种病害。当轨道板与CA砂浆层间存在离缝破坏后,列车经过会使轨道结构间产生拍打作用,造成CA砂浆层顶掉块破坏并逐渐扩展。本研究中仅考虑CA砂浆掉块发生在层顶位置,固定掉块高度5 mm(层高的1/10),并沿横向贯通,探究在板端位置及板中位置发生不同长度掉块时,轨道结构整体变形及受力的变化规律。

对于板端掉块,其掉块方向由一侧板端开始向板中扩展,首次掉块长度到达第一个扣件位置,距离板端0.287 5 m,此后以相邻扣件间距的一半为单位进行扩展。对于板中掉块,掉块方向由板中开始向两侧板端扩展,首次掉块为板中两个扣件之间的长度,此后以相邻扣件间距为单位均匀向两侧扩展。计算工况如下。

工况一:CA砂浆层板端掉块长度L1分别为0,0.287 5,0.6,0.912 5,1.225,1.537 5,1.85,2.162 5,2.475 m;掉块高度5 mm,发生在CA砂浆层顶位置。板端首次掉块时(即L1=0.287 5 m)如图2(a)所示。

图2 CA砂浆层掉块示意Fig.2 Schematic diagram of CA mortar layer falling blocks

工况二:CA砂浆层板中掉块长度L2分别为0,0.625,1.25,1.875,2.5,3.125 m;掉块高度5 mm,发生在CA砂浆层顶位置。板中首次掉块时(即L2=0.625 m)如图2(b)所示。

在ABAQUS中可以使用Model-change功能模拟部件掉块,预先在模型中设定CA砂浆层掉块的位置和长度,并在需要的分析中激活。

3 结果分析

3.1 CA砂浆无破坏时轨道结构受力与变形

对无破坏的板式无砟轨道数值模型施加车轮移动荷载,运算后获得基于CA砂浆黏弹性的轨道结构变形及受力结果。查看轨道结构的垂向位移云图如图3(a)所示,中间块轨道板和CA砂浆部件以及底座板的Mises应力云图分别如图3(b)～图3(d)所示。提取各结构部件的位移及应力仿真计算结果,并与遂渝线、武广客运专线实测及相关文献仿真结果进行对比,如表4所示。

表4 仿真结果与其他文献结果对比Table 4 Comparison of simulation results with other literature results

图3 轨道结构位移及应力云图(位移单位:m;应力单位:Pa)Fig.3 Displacement and stress cloud diagram of track structure (displacement unit: m; stress unit: Pa)

从图3可以看出,轨道结构整体垂向位移中间板处最大;中间轨道板的Mises应力在扣件处有明显增大效果,这是由于扣件对钢轨作用造成的;CA砂浆层的四个板角位置应力较大,因此,在列车荷载长期作用下,板角处易发生破坏,实际工程中应尤其注意此处的养护和检修;底座板外围应力值偏大,这是由于车轮荷载对底座板外侧产生了挤压,是导致运营中的底座板边缘掉块碎裂的原因之一。由表4结果表明,CA砂浆定义为黏弹性时,有限元模型仿真计算结果与实测值和其他文献仿真结果吻合度较好。其中,CA砂浆压缩量小于实测值,但其值与其他文献仿真结果相近。钢轨下方轨道板垂向压应力略大于实测值,这是由于模型计算中移动荷载的取值为计算荷载最大值。

通过上述对比分析可以看出,应用修正Burgers模型转换Prony级数的方法来表征CA砂浆的黏弹性,用轮对模拟列车荷载,仿真计算结果显示的最不利应力位置与实际结构破坏规律基本一致,仿真计算数值与实测值和其他文献仿真结果能够较好地吻合,表明本模型符合实际情况,可以用于分析CRTS I型板式无砟轨道结构的服役性能。

3.2 CA砂浆层板端掉块对轨道结构的影响

3.2.1 对轨道板和底座板的影响

对CA砂浆板端不同长度掉块(工况一)的轨道模型进行加载计算。为对比分析,选择钢轨下方处,第1、2扣件中点位置(距离板边0.6 m)各部件层顶节点的计算结果,提取轨道板和底座板的加速度、位移、纵横向应力峰值,绘制CA砂浆层板端掉块长度与轨道结构动力响应关系曲线如图4所示。

图4 CA砂浆层板端掉块长度对轨道结构的影响Fig.4 Effect of the length of CA mortar layer plate falling block on track structure

由图4(a)和图4(b)可以看出,随着CA砂浆层掉块长度增加,轨道板的垂向加速度和垂向位移峰值逐渐增大,底座板的垂向加速度和垂向位移峰值逐渐减小;表明CA砂浆层板端掉块对轨道板产生了不利影响,增加了轨道板振动频率及垂向位移振动幅值,而底座板的振动频率和幅值却减小。当CA砂浆层板端掉块长度达到0.912 5 m以后,轨道板垂向加速度迅速增长,掉块长度达到2.475 m(即薄层掉块长度达到板长一半)时,轨道板垂向加速度、垂向位移峰值分别增加了35.6%和20.2%。

图4(c)结果表明,轨道板的横向拉应力受CA砂浆层板端掉块长度的影响较小;而纵向拉应力则先减小后增大,这是由于轨道板的支承突然减弱,读取点位置距离板边较近,导致局部位置出现应力减小,当掉块长度达到1.225 m以后,轨道板出现较长一段支撑层变弱,轨道板读取点位置的纵向拉应力快速增长,掉块长度达到2.475 m时,轨道板纵向拉应力从284.06 kPa增大到471.13 kPa,增大幅度为65.9%,CA砂浆层板端掉块对轨道板纵向拉应力影响显著。

图4(d)结果表明,底座板的横向拉应力和纵向拉应力均先增大后逐渐减小,这是由于CA砂浆层出现较小长度掉块时,轨道板对底座板的拍打作用,导致底座板应力增加;随着CA砂浆掉块长度增加,减弱了荷载的向下传递,因此底座板的应力呈减小趋势。

3.2.2 对CA砂浆层的影响

当列车经过掉块区域时,将形成较大的轨道不平顺,产生冲击作用,从而使掉块区域边缘的CA砂浆承受的垂向压应力急剧增大。提取钢轨下方对应CA砂浆掉块边缘处的压应力,与无掉块时相同位置计算结果进行对比,如表5所示。

表5 CA砂浆板端掉块区域边缘处压应力与无掉块时对比结果Table 5 Comparison results of compressive stress at the edge of the CA mortar board end falling block area with that without falling block

从表5可以看出,随着掉块长度增大,CA砂浆层掉块边缘处的垂向压应力急剧增大。当掉块长度为0.912 5 m时,压应力的增长幅度达到了87.2%;掉块长度达到2.475 m时,CA砂浆层的垂向压应力达到了60.87 kPa,虽然此时CA砂浆的垂向压应力仍低于其抗压强度,但在列车荷载的往复加载下,CA砂浆层将继续破损,抗压强度逐渐降低,最终导致CA砂浆层出现结构性破坏,缩短轨道结构的使用寿命。

3.3 CA砂浆层板中掉块对轨道结构的影响

3.3.1 对轨道板和底座板的影响

对CA砂浆板中掉块(工况二)的轨道模型进行加载计算。为对比分析不同板中掉块长度对轨道结构的影响,在车轮荷载通过轨道的过程中,读取中截面钢轨下方轨道板和底座板层顶对应节点的数值计算结果,各部件提取点位置的垂向加速度、垂向位移及纵横向应力峰值如图5所示。

图5 CA砂浆层板中掉块长度对轨道结构的影响Fig.5 The effect of falling block length on track structure in CA mortar layer board

图5(a)和图5(b)结果表明,随着CA砂浆层掉块长度增加,轨道板的垂向加速度和垂向位移峰值逐渐增大,底座板的垂向加速度和垂向位移峰值逐渐减小;表明CA砂浆层板中掉块对轨道板产生了不利影响,增加了轨道板振动频率及垂向位移振动幅值,当板中掉块长度为3.125 m时,轨道板垂向加速度、垂向位移峰值分别增大25.4%和8.4%。

图5(c)结果表明,轨道板的横向拉应力和纵向拉应力会随板中掉块长度的增大而增大,这是因为轨道板失去原有CA砂浆对其的支撑作用,竖向变形增加,从而承受的纵横向拉应力增大;其中轨道板纵向拉应力变化幅度显著,当板中掉块长度超过1.25 m以后,轨道板的纵向拉应力开始快速增长,掉块长度达到3.125 m时,轨道板纵向拉应力增大幅度为1 051.6%。

图5(d)结果表明,随着CA砂浆掉块长度的增加,底座板的横向拉应力和纵向拉应力逐渐减小,这是因为CA砂浆的掉块减弱了荷载的向下传递。

3.3.2 对CA砂浆层的影响

当列车经过板中掉块区域时,与板端掉块类似,掉块区域边缘与轨道板接触处的CA砂浆层的垂向压应力急剧增大,提取钢轨下方对应CA砂浆掉块边缘处压应力计算结果,与无掉块时数值进行对比分析,结果如表6所示。

表6 CA砂浆板中掉块区域边缘处压应力与无掉块时对比结果Table 6 Comparison results of compressive stress at the edge of the falling block area in CA mortar board with that without falling block

从表6可以看出,CA砂浆层掉块边缘处的垂向压应力急剧增大,且随着掉块长度增大,应力增长幅度越大。当掉块长度为1.25 m时,压应力的增长幅度达到了81.1%;当掉块长度达到3.125 m时,CA砂浆层的垂向压应力达到了59.32 kPa,增大幅度为262.1%。与板端发生掉块情况类似,虽然此时CA砂浆的垂向压应力仍低于其抗压强度,但在列车荷载作用下,CA砂浆层同样会继续破损。