溫度荷載作用下寬窄接縫狀態變化規律研究

婁小強,林文,龐聰

(中國鐵路上海局集團有限公司上海工務段,上海 200071)

CRTSⅡ型板式無砟軌道具有平順性高、穩定性好、養護維修少等優點,在我國廣泛鋪設[1]。無砟軌道長期服役于自然環境中,受到外界環境影響較大。由于無砟軌道層間結構材料熱行為差異的溫度敏感性,在溫度荷載作用下寬窄接縫容易出現離縫、傷損等病害,從而影響無砟軌道穩定性[2]。因此,考慮溫度荷載對寬窄接縫狀態的影響,分析寬窄接縫狀態變化規律具有重要的理論意義和實用價值。

寬窄接縫狀態作為軌道結構服役的關鍵性指標,相關學者做了一定的研究,如劉鈺等[3]通過建立有限元模型,施加現場實測溫度荷載對無砟軌道溫度應力進行研究,并對無砟軌道層間離縫治理提出建議。王明昃[4]等通過制作道床板-支承層混凝土復合試件,研究界面破壞的特點從而得出界面疲勞S-N曲線。目前對溫度荷載循環作用下的寬窄接縫狀態研究較少,有必要進行下一步的研究。因此,本文以無砟軌道寬窄接縫為研究對象,分析溫度荷載規律和寬窄接縫破壞機理,澆筑標準小比例復合試件進行試驗,并在試驗的基礎上建立有限元模型進行仿真分析。

1 無砟軌道溫度荷載作用特點

1.1 溫度荷載規律與作用下力學特征

無砟軌道服役期間與外界環境熱傳遞方式較為復雜,主要通過輻射、傳導與對流等多種方式進行傳遞,導致無砟軌道內部溫度隨外界條件變化?，F有研究表明,對無砟軌道內部溫度影響較為明顯的溫度荷載為內部的溫度梯度荷載[5]。溫度梯度指的是外界條件引起的沿無砟軌道結構厚度方向不均勻的溫度分布。由于混凝土傳熱性能較差,在太陽照射下無砟軌道上、下表面溫度不同,造成一定的溫度差,從而形成溫度梯度[6]。不均勻的溫度作用會導致軌道板的翹曲變形,進一步產生翹曲應力。當遭遇暴雨、強冷空氣等極端天氣,無砟軌道表面溫度驟降,形成負溫度梯度,同樣會使軌道板產生翹曲變形與翹曲應力。

1.2 溫度荷載作用下寬窄接縫破壞機理

寬窄接縫在復雜的環境持續作用下逐漸出現各種傷損,界面性能的劣化也是不可避免的。傷損病害的出現可能導致無砟軌道結構的傳力特性發生改變,嚴重時甚至影響無砟軌道結構的穩定性。無砟軌道運營期間出現的傷損問題大多數集中在層間界面,傷損特征主要表現為層間界面破損、離縫等。由于溫度荷載作用導致軌道板翹曲變形引起寬窄接縫破損、離縫等現象,如圖1所示。

圖1 某無砟軌道線路寬窄接縫損傷情況

寬窄接縫薄弱性是由無砟軌道結構、材料及施工工藝所決定的。不同結構層間界面屬于新老混凝土結合面,受力性能較為薄弱。運營期間溫度荷載循環作用導致界面性能劣化并使得損傷逐漸累積,最終導致寬窄接縫結構出現破壞。

2 小比例試件制作與試驗方案

2.1 小比例試件制作

寬窄接縫是位于兩塊軌道板之間的T型結構,是用于連接兩塊軌道板的后澆帶,具體結構形式如圖2所示。小比例試件為復合試件根據《CRTS Ⅱ型縱連板式無砟軌道混凝土軌道板》(TB/T 3399—2015)規范要求制作[7],其中底座板為C25混凝土,軌道板、CA砂漿層和寬窄接縫皆為C55混凝土。

圖2 寬窄接縫與軌道板連接結構示意圖

試件按照先澆筑底座板、CA砂漿、軌道結構最后寬窄接縫的順序進行制作。在550 mm×150 mm×150 mm標準模具中澆筑底座板,進行振搗養護,再澆筑CA砂漿層進行養護,放置寬窄接縫模型;同時澆筑軌道板,養護完成試件見圖3。拆下模型后清理寬窄接縫區域,澆筑寬窄接縫混凝土養護,得到標準復合小比例試件見圖4。

圖3 拆除寬窄接縫模型

圖4 標準復合小比例試件

2.2 試驗方案

為更好地模擬溫度荷載作用下寬窄接縫處可能出現的上拱問題,現對復合試件進行彎曲試驗,試驗加載方式見圖5。采集試驗中力與位移的關系,并根據力與位移的關系來分析寬窄接縫的破壞過程。

圖5 彎曲試驗加載示意圖

為模擬溫度荷載循環作用對寬窄接縫狀態的影響,考慮我國溫度分布特點,溫度循環范圍設置為-15～60℃。試件在溫度箱中由常溫升到60℃恒溫,降溫到-15℃恒溫,最后升溫到常溫。溫差作用導致試件內部形成溫度梯度從而產生溫度應力,溫度應力反復作用,試件內部出現微裂紋,進而影響其性能,導致試件的極限承載力下降?，F對試件進行0次、10次、20次、30次的溫度循環作用,并對溫度循環作用后的試件進行彎曲試驗,得到試件力與位移的變化規律見圖6。

圖6 不同溫度循環作用下力與位移的變化規律

由圖6可知,0次溫度循環作用的試件極限承載力為49.52 kN,經歷10次作用試件承載力為44.46 kN,經歷20次作用試件承載力為36.41 kN,經歷30次作用試件承載力為20.38 kN。隨著溫度循環作用次數的增加,試件承載力逐漸降低,0～20次溫度作用試件承載力下降較為平緩,30次溫度作用試件承載力下降為原來的41.16%。

3 寬窄接縫仿真分析

3.1 建立寬窄接縫有限元模型

采用ANSYS有限元軟件建立寬窄接縫有限元實體模型,軌道結構中不同的材料參數設置如表1所示[7]。如圖7所示的T型寬窄接縫是兩塊軌道板中間連接結構,現對寬窄接縫模型不同部件進行網格劃分。

表1 寬窄接縫有限元模型材料參數

圖7 寬窄接縫有限元模型網格劃分

寬窄接縫界面性能的研究采用內聚力本構模型設置,本試驗采用ANSYS軟件中自帶的基于斷裂能內聚區定義內聚力本構材料,具體的參數參考現有研究?，F根據試驗加載方式對寬窄接縫模型施加邊界條件,在模型的底部施加兩個固定約束。最后在寬窄接縫頂面施加向下的力。根據疲勞損傷累積理論P-M法則施加0次、10次、20次、30次的溫度循環作用進行仿真分析[8],仿真結果應力云圖見圖8。

圖8 溫度循環0-30次試件應力云圖

隨著溫度循環作用次數的增加,寬窄接縫應力最大值逐漸增加。0～20次作用應力增加不明顯,30次溫度循環應力最大值增加約為初始的2.1倍。提取沿寬窄接縫中心處一垂向路徑上不同溫度循環條件下的應力變化曲線見圖9。由圖9可知,0～20次溫度循環作用下應力變化趨勢大致相同,曲線中出現的應力峰值為60 mm處寬窄接縫底部與CA砂漿層界面應力值。不同材料在溫度荷載作用下的應力值會產生突變,界面應力集中現象在外部荷載作用下會更加明顯。經歷30次溫度循環作用的應力值在20 mm處出現明顯的峰值,說明30次作用后寬窄接縫的損傷加劇,試件的傷損由界面損傷逐漸發展為結構破壞。

圖9 路徑上應力變化

4 結論

隨著溫度循環作用次數的增加,試件承載力逐漸降低,0～20次溫度作用試件承載力下降較為平緩,30次溫度作用試件承載力下降為原來的41.16%。寬窄接縫內部應力隨著溫度循環作用次數的增加逐漸變大,30次溫度作用應力最大值為初始的2.1倍,試件傷損由界面傷損逐漸發展為結構破壞。根據溫度荷載作用下寬窄接縫狀態的變化規律,工務人員應重點關注高溫天氣作用下無砟軌道寬窄接縫的狀態,加強現場檢查,為養護維修提供指導和建議。