CRTSⅠ 型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件系统、轨道板、CA砂浆层、凸型挡台、环形树脂、混凝土底座板和基床组成^[6], 其横断面见图1.为了更好地反映工程实际情况, 除扣件外, 其他部件均选用实体单元.所建立的无砟轨道-路基空间耦合有限元模型的长度为60 m.建立的有限元模型见图2.

图1

Fig.1

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	图1 CRTSⅠ 型板式无砟轨道横断面图(单位:mm)Fig.1 Cross section of CRTSⅠ slab ballastless track(unit:mm)

图2

Fig.2

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	图2 CRTSⅠ 型板式无砟轨道-路基空间耦合有限元模型Fig.2 Spatial coupling finite element model for CRTSⅠ slab ballastless track-subgrade system

有限元模型中, 钢轨为我国高速铁路采用的60 kg/m钢轨, 扣件为J-7B型扣件, 扣件采用连接钢轨与轨道板对应单元节点的线性弹簧模拟, 并考虑了纵、横、垂3个方向的刚度, 约束弹簧下部端点的转动, 以模拟扣件垫板的作用.扣件间距为0.629 m, 纵、横、垂3个方向的刚度分别为30 kN/mm、30 kN/mm、50 kN/mm.

对于严寒地区选用的CRTSⅠ 型板式无砟轨道, 底座板伸缩缝的存在会对离缝的产生与发展产生不容忽视的影响^[1], 所以本文所建立的模型将重点考虑伸缩缝.工程实际中, 严寒地区底座板每隔2块或3块轨道板设置1条伸缩缝, 本文混凝土底座板每隔2块轨道板设置1条伸缩缝, 伸缩缝宽度为20 mm.

无砟轨道结构各部件几何尺寸按工程实际考虑, 轨道各结构的材料参数见表1.

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 轨道结构材料特性 Tab.1 Material properties of track components 名称 弹性模量/GPa 泊松比 密度/(kg/m3) 轨道板 36 0.2 2 500 CA砂浆 0.20 0.2 2 000 底座板 33 0.2 2 500 凸型挡台 33 0.2 2 500 环形树脂 0.02 — 1 100 路基表层 0.12 — 2 000

表1 轨道结构材料特性 Tab.1 Material properties of track components

研究底座板与基床表层之间的离缝时, 将轨道结构本身视为整体, 故在定义接触时, 不考虑轨道板与CA砂浆层、CA砂浆层与混凝土底座板、环形树脂与凸型挡台之间的相对位移, 采用绑定约束连接^[7]; 底座板与基床表层之间的接触考虑为摩擦系数为0.5的硬性接触, 即两接触面在压紧状态下会传递法向力, 并会产生相对的滑移^{[8, 9, 10]}, 这样有利于模拟离缝的产生和发展, 且符合工程实际情况.

边界设置如下:钢轨两端约束纵向位移, 以模拟无缝线路; 底座板两端约束纵向位移; 基床底部则定义为全约束.

实际工程中, 在轨道结构重力作用下, 路基会产生累积变形, 最终达到平衡状态.为了避免基床表层在计算过程中产生过大变形, 模拟路基的真实状态, 进行了地应力平衡, 同时考虑了轨道各结构和基床的重力作用.基床冻胀变形考虑为余弦曲线函数^[1], 运用ABAQUS中的displacement对基床表层施加变形荷载, 模拟基床的冻胀作用.

路基冻胀作用位置考虑3种情况, 如图3所示.a位置为底座板伸缩缝处, b位置为轨道板中间, c位置为两伸缩缝中间.计算中, 冻胀考虑为路基局部冻胀, 冻胀曲线选取波长5 m, 冻胀量20 mm的半余弦曲线, 不考虑基床表层的粘结强度, 且底座板刚度保持不变.

图3

Fig.3

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	图3 冻胀作用位置Fig.3 Frost heaving positions

图4是作用在不同位置时底座板与基床表层离缝值变化情况.由图4可知, 由于伸缩缝的存在, 冻胀作用位置对底座板变形影响较大, 当冻胀分别作用在a位置、b位置和c位置时, 最大离缝值分别为11.26 mm、21.52 mm、14.46 mm, 可见冻胀发生在轨道板中间位置时, 离缝值最大, 约为发生在伸缩缝处时的2倍.

图4

Fig.4

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	图4 冻胀位置对离缝值的影响Fig.4 Influence of frost heaving positions on seam value

图5是不同冻胀作用位置轨道结构应力云图.由图5可知, 冻胀作用在a位置时, 轨道结构基本不会出现损伤; 冻胀作用在b位置时, 由于轨道结构的层间粘结作用, 使冻胀波峰处单块轨道板产生较大拉应力; 冻胀作用在c位置时, 冻胀作用对轨道结构拉应力影响范围最广, 在冻胀波峰位置处的相邻2块轨道板均产生了较大的拉应力, 超过混凝土的抗拉强度1.89 MPa, 轨道结构最易出现损伤.从离缝大小的角度考虑, 冻胀作用最不利位置为轨道板中间处; 从轨道结构应力考虑, 冻胀作用最不利位置为两伸缩缝中间处.选取冻胀量20 mm, 波长10 m, 位置为两伸缩缝中间处, 进行变形传递规律的研究, 得出冻胀作用下各层位移的变化如图6所示.由图6可知, 路基冻胀变形基本能传递到轨面, 轨道不平顺波形与路基冻胀波形基本一致.考虑到实际工程中轨道结构的破坏损伤, 选取冻胀位置为两伸缩缝中间处, 进行冻胀波长、冻胀量、粘结强度及底座板刚度的影响分析.

图5

Fig.5

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	图5 冻胀作用位置对轨道结构应力的影响Fig.5 Influence of frost heaving positions on track structure stress

图6

Fig.6

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	图6 冻胀作用下各层位移图Fig.6 Displacements diagram of each layer under the effect of frost heaving

根据工程实际情况, 冻胀量取20 mm, 不考虑基床表层的粘结强度, 且底座板刚度保持不变, 分析冻胀波长对离缝的影响, 冻胀波长分别取5 m、10 m、15 m、20 m、30 m.

冻胀波长对最大离缝值的影响见图7.由图7可知, 随着冻胀波长的增加, 最大离缝值呈不断减小的趋势, 且变化速率逐渐减小, 冻胀波长大于30m时, 最大离缝值小于1.0 mm, 当波长为40 m时, 基本没有离缝.可见, 波长40 m以上的冻胀不会导致底座板和基床表层间产生离缝.除冻胀波长为5 m和10 m的最大离缝值出现在冻胀波峰附近外, 其他波长冻胀产生的最大离缝值都出现在伸缩缝处.

图7

Fig.7

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	图7 冻胀波长对最大离缝值的影响Fig.7 Influence of frost heaving wavelengths on the maximum seam value

根据实际情况, 冻胀波长取20 m, 不考虑基床表层的粘结强度, 且底座板刚度保持不变, 分析冻胀量对离缝的影响, 冻胀量d分别取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm, 冻胀量d对底座板变形的影响见图8.

图8

Fig.8

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	图8 冻胀量对底座板变形的影响Fig.8 Influence of frost heaving amounts on bed plate deformation

从整体来看, 轨道结构的跟随性良好, 在不同冻胀量下轨道结构冻胀曲线呈现相同的规律, 只是底座板变形的大小不同, 见图8.现以冻胀量为20 mm为例, 离缝值在不同位置的变化情况见图9.由图9可知, 离缝值主要出现在底座板伸缩缝处和冻胀起始位置, 离缝最大值位于伸缩缝处, 达到2.2 mm.图10所示为最大离缝值随冻胀量的变化情况.

图9

Fig.9

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	图9 离缝值纵向分布规律Fig.9 Longitudinal distribution law of seam value

图10

Fig.10

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	图10 冻胀量对最大离缝值的影响Fig.10 Influence of frost heaving amounts on the maximum seam value

由图10可见, 最大离缝值随着冻胀量的增大而不断增大, 基本呈线性变化, 在冻胀量为11.3 mm时, 最大离缝值达到1.0 mm.根据工程实际情况, 认为当离缝值大于1.0 mm时层间粘结力失效, 轨道结构出现脱空现象, 会对行车产生不利影响.可见, 在路基冻胀波长为20 m, 冻胀量达到11.3 mm时, 应进行冻胀防治或治理.