论文指导

路桥过渡段折角型沉降致CRTS I型无砟轨道效应研

摘    要:高速铁路路桥过渡段处由于桥梁和路基的支承刚度不同,桥台后侧路基由于难以填筑压实,过渡段容易产生折角型沉降,导致无砟轨道结构产生层间离缝、结构裂缝和路基脱空等病害,影响高速列车运行的舒适性和安全性。论文以高速铁路路桥过渡段CRTS Ⅲ型板式无砟轨道为研究对象,利用ABAQUS有限元软件建立路桥过渡段无砟轨道空间耦合模型,研究过渡段沉降折角和轨道底座厚度对无砟轨道层间离缝的影响规律,并考虑混凝土塑性损伤特征,分析不同荷载组合和底座厚度对轨道结构受力和变形的影响规律。结果表明:折角型沉降角度对轨道结构受力和变形有很大的影响,当折角角度从0.5‰增大到1‰时,自密实混凝土层和底座之间的层间离缝长度从0增长到1.46 m,离缝幅值从0.99 mm增至3.13 mm;路基脱空长度从0增至0.92 m,脱空幅值从0.51 mm增至2.53 mm;在折角型沉降下端,与路基脱空相比,自密实混凝土层间离缝的分布范围较大,但幅值较小;在折角沉降上端,层间离缝的分布范围和幅值都比路基脱空大;底座厚度增加可以减小折角型沉降引起的轨道层间离缝和结构裂缝,使出现损伤的范围和损伤因子最大值都有所降低,底座厚度建议增加至50 cm,可有效改善规范规定的容许过渡段1‰折角沉降对CRTS Ⅲ型无砟轨道服役状态的不利影响。
 
关键词:路桥过渡段; CRTS四型板式无砟轨道;折角型沉降;层间离缝;路基脱空;变形;
 
Study on the effect of CRTS I ballastless track caused by angular settlement in
transition section between bridge and subgrade
LOU Ping HUANG Ganggui
School of Civil Engineering, Central South University Key Laboratory of Heavy Railway
Engineering Structure of Education Ministry, Central South University
 
Abstract:
Because the supporting stiffnesses of the bridge and subgrade are different and the subgrade behind the abutment is difficult to fill and compact, the high speed railway bridge-subgrade transition section is easy to produce the angular settlement, which leads to diseases such as interlayer separation, structural crack and subgrade void in the ballastless track, affecting the operation comfort and safety of high-speed train. This paper takes CRTS III slab ballastless track in the high speed railway bridge-subgrade transition section as the research object, establishes the ballastless track spatial coupling model in the transition section by using ABAQUS finite element software, and studies the influence laws of the angle of settlement in the transition section and the thickness of base on the interlayer separation of ballastless track. In addition, the plastic damage characteristics of concrete isconsidered, and then the influence of different load combinations and base thickness on the stress and deformation of track are analyzed. The results show that the angle of settlement has a great influence on the stress and deformation of track. When the angle increases from 0.5‰ to 1‰, the length of separation between the self-compacting concrete layer and the base increases from 0 to 1.46 m, and the amplitude of separation increases from 0.99 mm to 3.13 mm. The length of subgrade void increases from 0 to 0.92m, and the amplitude of subgrade void increases from 0.51 mm to 2.53 mm. At the lower end of angular settlement, compared with subgrade void, the distribution range of separation joints between self compacting concrete layers is larger, but the amplitude is smaller; At the upper end of corner settlement, the distribution range and amplitude of interlayer separation joints are larger than that of subgrade void. The increase of the thickness of the base can reduce the separation between the track layers and the structural cracks caused by the angular settlement, and the range of damage and the maximum value of damage factor are reduced. It is suggested to increase the thickness of the base to 50 cm, which can effectively improve the adverse influence of the allowable angular settlement with 1‰ in the transition section specified in the code on the service state of the CRTS Ⅲ ballastless track.
 
Keyword:
subgrade-bridge transition section; CRTS Ⅲ slab ballastless track; angular settlement; interlayer separation; subgrade void; deformation;
 
CRTS III型无砟轨道是我国自主创新的无砟轨道结构,它凭借着优良的整体性和平顺性在我国得到了广泛的运用。在路桥过渡段区域,由于桥梁和路基的支承刚度不同,桥台后侧路基难以填筑压实,在过渡段容易产生折角型沉降[1,2]。然而无砟轨道对沉降变形适应性较差,底部路基的沉降作用会使无砟轨道产生附加应力和轨道不平顺[3],在列车和温度反复荷载作用下会导致轨道结构产生伤损和层间离缝[4],影响高速列车运行的平顺性和安全性[5,6]。针对过渡段不均匀沉降变形对无砟轨道的不利影响,国内外大量学者对此开展了研究。赵国堂等[7,8]通过对哈大线路基地温和变形展开实测,获得了严寒季冻地区路基冻胀与压缩融沉的变形分布规律。徐庆元等[9,10]基于列车耦合动力学理论,研究了沉降变形和荷载作用下路桥过渡段列车与轨道的力学特性与动态响应,提出了不同工况下过渡段不均匀沉降限值。WANG等[11,12]通过数值模拟和现场实测研究了过渡段差异沉降引起的轨枕空吊现象,获得了不均匀沉降对轨道刚度退化的影响规律。SUN等[13,14]通过建立路桥过渡段轨道系统模型,研究了动力振动作用下路基折角和应力分布情况,分析了过渡段长度和刚度变化对列车动力响应的影响。然而,大多数学者对路桥过渡段轨道结构整体受力和列车动力效应研究较多,对路桥过渡段折角型沉降作用导致无砟轨道层间离缝和路基脱空分布规律研究较少,很少考虑通过调整轨道结构尺寸减小路基沉降对无砟轨道受力的影响。本文以路桥过渡段CRTS III型板式无砟轨道为研究对象,利用ABAQUS有限元软件建立路桥过渡段无砟轨道-路基空间有限元模型,研究过渡段折角型沉降角度、底座厚度等因素对无砟轨道层间离缝和路基脱空的影响,考虑混凝土塑性损伤变形,分析不同荷载组合和底座厚度对轨道结构力学特性的影响规律,提出了可有效改善折角型沉降对CRTS III型无砟轨道不利影响的底座厚度建议值。
 
1 无砟轨道-路基有限元模型
1.1 CRTS III型板式无砟轨道模型
CRTS III型板式是我国自主研发的一种轨道结构,在路基上该无砟轨道系统的主要由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层和底座组成。利用ABAQUS有限元软件建立该轨道有限元模型,钢轨采用实体单元模拟,WJ-8型扣件采用三向弹簧-阻尼单元模拟,扣件间隔0.63 m,其纵向、横向和垂向刚度分别取15、50和35 kN·mm-1。轨道板、自密实混凝土层和底座均采用实体单元模拟,轨道板采用C60混凝土,自密实混凝土和底座采用C40混凝土。轨道板和自密实混凝土层之间存在门形筋联结,两者设置为“绑定”约束。充填层自密实混凝土与底座板间设中间隔离层,通过底座板上限位凹槽进行限位,两者相互作用属性法向设置为“硬接触”,切向相互作用为滑动摩擦,摩擦系数取0.7[15]。无砟轨道有限元模型如图1所示,各部件主要物理参数见表1。
 
整个模型中包含三块底座共51.03 m长,每块底座上面对应三块轨道板。轨道结构内部普通钢筋和预应力钢筋通过embed植入到混凝土内部,通过等效降温施加预应力钢筋,降温幅度由公式(1)确定。
 
ΔT=FconEαS(1)
 
式中:ΔT表示降温温度;Fcon表示预应力拉力值;E表示预应力钢筋弹性模量;α表示预应力筋热膨胀系数,S表示预应力筋截面积。
 
1.2 路桥过渡段沉降模型
按照《铁路路基设计规范》(TB 10001-2016)中的规定[16],根据路基弹性模量的不同由上到下分为基床表层、基床底层和土基三层,每层均采用实体单元模拟。基床表层宽度为13.6 m、厚度0.4 m、弹性模量为180 MPa,基床底层厚度2.3 m、弹性模量为110 MPa,最下层的土基厚度为2.3 m、弹性模量为60 MPa,泊松比均为0.25。过渡段采用正梯形碎石填料使支撑刚度缓慢过渡,碎石填料弹性模量为1900 MPa,泊松比为0.31。路基各层之间相互作用方式采用“绑定”约束,无砟轨道底座和路基之间、底座与桥梁之间均采用“硬接触”,路基底部边界条件采用完全固定约束,路基两端采用对称约束。
 
在过渡段区域由于底座下部支撑刚度不一致,在自重和车辆荷载作用下易发生折角型沉降,折角沉降两个端点分别称为折角上端和折角下端,如图2所示。无砟轨道各层之间刚度和弯折程度不同,易产生层间离缝。根据文献[17]的规定:无砟轨道路基及过渡段工后不均匀沉降造成的纵向折角不应大于1‰,在模型中取过渡段长度为20 m不变,沉降折角最大值为1‰,通过改变过渡段沉降折角和底座厚度,探究其对轨道结构受力和变形的影响规律。模型中过渡段折角型沉降通过下述方法实现:首先在模型中建立未沉降的路基和楔形部件,利用ABAQUS有限元软件中“装配-合并/切割实例”命令,用楔形部件切割过渡段表层形成折角形状。然后对过渡段和路基进行地应力平衡,使之在重力作用下不再产生沉降变形。
 
1.3 有限元模型验证
基于上述建立的无砟轨道有限元模型,计算路基发生沉降作用和车辆荷载组合下无砟轨道受力和变形情况,其中路基不均匀沉降设为正弦型曲线,其表达式为
 
y=f0sinπxl0(2)
 
其中:f0为沉降幅值,取15 mm;l0为沉降段长度,取20 m。车辆荷载按照单轴双轮方式加载在沉降幅值最大处,动轮载取1.5倍静轮载,其值为127.5 kN,计算得出无砟轨道底座变形云图如图3所示,利用本文及文献[18]两种模型计算的底座最大位移和应力值如表2所示。
 
由表2可知,本文模型计算的无砟轨道底座最大位移和应力值与文献[18]的计算结果差异在5%以内,因此,可认为本文建立的模型正确可靠。
 
2 过渡段折角角度的影响
2.1 无砟轨道层间离缝和路基脱空分布规律
为了探究过渡段折角型沉降作用下无砟轨道层间离缝及底座路基之间脱空的分布规律,取折角沉降幅值为20 mm,折角角度取规范允许的最大值1‰,对模型施加重力荷载。无砟轨道模型全长51.03 m,以模型右侧为纵向线路里程起点,计算出在折角上端与下端附近无砟轨道变形云图(放大500倍)如图4所示,自密实混凝土层与底座之间层间离缝值和底座与路基脱空值随线路里程分布如图5所示。由图4、图5可知,在折角型沉降上端和下端,无砟轨道层间离缝和路基脱空幅值呈现出不同的分布特征。在折角型沉降下端附近,即线路里程5.6 m-11.3 m处,自密实混凝土层与底座之间的层间离缝值和路基与底座之间的路基脱空值同时达到极大值,离缝值随线路里程分布曲线都是单峰形曲线,分布在一块自密实混凝土层范围内,峰值位于其中心位置。路基脱空值大于与层间离缝值,而产生路基脱空长度小于层间离缝产生的长度。
 
在折角型沉降上端附近,即线路里程28.4 m-34 m处,层间离缝分布近似成双峰型曲线,峰值位于自密实混凝土层的两端。而此时路基脱空值幅值远远小于层间离缝值,说明过渡段折角上部凸出部分在轨道结构的挤压作用下发生塑性变形与底座接触更加密实,路基脱空值和分布范围都很小。
 
2.2 折角沉降角度对轨道结构受力变形影响
进一步探究折角角度对轨道受力变形影响规律,取过渡段折角型沉降长度为20 m不变,折角型沉降幅值分别取10 mm、15 mm、20 mm,对应的折角沉降角度分别为0.5‰、0.75‰、1‰,对轨道结构施加重力荷载,研究折角角度改变时轨道结构层间离缝分布、离缝最大值和各部件最大拉应力变化规律,结果分别如图6、图7和图8所示。根据文献[19]的有关规定,无砟道床伤损等级分为I、II、III级,其中Ⅰ级伤损对应的层间离缝值为1.0 mm,在检修时应做好记录,因此统计层间离缝和路基脱空幅值在1 mm以上的里程范围作为其分布长度,结果如图9所示。
 
由图7~图9可知,随着过渡段折角沉降角度从0.5‰逐步增大到1‰,轨道层间离缝和路基脱空的长度和幅值都有显著的增加:自密实混凝土层和底座之间的层间离缝长度从0 m增长到1.46 m,离缝幅值从0.99 mm增至3.13 mm,增大至原来的3.14倍;路基脱空长度由0增至0.92 m,脱空幅值由0.51 mm增至2.53 mm,约增至原来的5倍;底座最大拉应力由0.76 MPa增至1.65 MPa,增至原来2.17倍,小于C40混凝土最大拉应力2.39 MPa,混凝土仍处于弹性变形范围。由此可见过渡段沉降角度对无砟轨道变形和受力有很大影响,在施工和运营时要严格控制折角沉降标准,以保障轨道结构处于安全服役状态。
 
由图8可知,随着过渡段沉降折角角度增大,轨道结构各层最大拉应力值都有所增大,其中底座受力最大,自密实混凝土层次之,轨道板受到影响最小,CRTS Ⅲ型板式无砟轨道可以有效减少路基不均匀沉降对上部结构的不利影响。底座受到不均匀沉降的不利影响最大,也应是对发生不均匀沉降地段无砟轨道服役状态分析时的重点研究对象。
 
3 底座厚度的影响
3.1 底座厚度对层间离缝和路基脱空的影响
为了探究过渡段折角沉降作用下CRTS III型无砟轨道底座厚度对层间离缝和路基脱空的影响,取折角型沉降角度为1‰不变,底座厚度分别取为30 cm、40 cm、50 cm、60 cm,不同厚度底座的轨道结构在重力作用下的层间离缝和路基脱空分布如图10所示,不同底座厚度轨道结构离缝最大值和分布长度如图11、图12所示。
 
由图10可知,随着底座厚度由30 cm增至60 cm时,无砟轨道层间离缝值和路基脱空值分布规律不变,最值有所变化:底座与自密实混凝土层之间的离缝长度由1.46 m降至0.87 m,降幅约为40%,离缝最大值由3.13 mm降至2.12 mm,降幅约为32%,而底座和路基之间的脱空长度由0.99 m增大至1.37 m,脱空值由2.53 mm增值3.12 mm。底座厚度增大可以有效减小折角沉降引起层间离缝幅值和长度,但路基脱空幅值会增大。
 
3.2 底座厚度对轨道结构受力和塑性损伤的影响
过渡段折角变形作用下无砟轨道会发生弯折变形,结构的几何形状会发生变化,在荷载作用下的应力分布也会随之改变。为了探究过渡段折角型沉降对轨道结构受力的影响,考虑无折角和发生1‰折角沉降两种情况,分析在重力荷载、列车荷载、整体温度及其荷载组合作用下最大应力值的差异。根据文献[16]的规定,整体温升取+45 ℃,整体温降取-40 ℃。考虑车辆荷载与沉降作用、温度荷载的组合,此处列车动荷载取1.5倍静轮载[20],按照单轴双轮方式加载,即每个动轮载为150 kN。轨道板和自密实混凝土层由于存在门形筋联结,视为一块“复合板”。不同荷载工况如表3所示。
 
在荷载组合作用下混凝土应力可能达到最大值而发生塑性变形损伤,若继续采用线弹性模型不能准确模拟轨道结构开裂后的受力状态。此处采用《混凝土结构设计规范》中混凝土材料单轴拉压应力-应变方程,用混凝土刚度损伤因子模拟混凝土损伤开裂后的刚度折减,损伤因子最小为0表示材料完全没有损伤,损伤因子最大为1表示材料完全丧失刚度。自密实混凝土层和底座均采用C40混凝土,参考规范计算出C40混凝土应力σ和损伤因子η与非线性应变之间的关系,将其通过表格输入到ABAQUS 混凝土塑性损伤模型CDP中,如图13所示。计算出在各种荷载作用下在有、无折角地段底座与复合板最大拉应力值,如图14和图15所示,底座受拉损伤因子云图如图16所示。
 
由图14、图15可知,在无折角型沉降地段,在列车荷载、整体升温和整体温降作用下,无砟轨道底座和复合板最大拉应力值均小于混凝土最大拉应力2.39 MPa,轨道结构处于弹性变形状态无宏观裂缝产生。在发生1‰折角型沉降地段,复合板拉应力未超过允许值,然而在列车荷载、-40 ℃整体温降荷载及其组合作用下,底座最大拉应力均接近混凝土最大拉应力2.39 MPa,由图16发现这三种工况下损伤因子达到0.93和0.98,混凝土接近完全失效,说明底座底部已经产生较大宏观裂缝,不能满足正常使用要求。
 
分析底座厚度变化对折角型沉降地段轨道结构受力的影响,取底座厚度分别为30 cm、40 cm、50 cm和60 cm,计算荷载工况1-6作用下轨道结构的最大应力值,计算结果如图17、18所示,以工况4为例,不同厚度底座受拉损伤云图如图19所示。
 
由图17可知,随着底座厚度增加,在不同荷载组合下底座所受最大拉应力都不同程度降低,在工况2、4、6情况下,底座最大拉应力由接近混凝土抗拉强度2.39 MPa下降至2 MPa以下,混凝土拉应变降至弹性变形阶段。由图18可知,底座加厚对复合板受力影响较小,在工况1、2、6工况下拉应力幅值有略微减少,均小于混凝土承受最大拉应力,复合板内无裂缝产生。由图19云图可知,底座厚度由30 cm增至50 cm时,底座混凝土发生损伤区域在减小,受拉损伤因子最大值也由0.936降至0.241,混凝土由塑性破坏状态回到弹性变形状态,此时萌生微小裂纹而没有产生宏观裂缝,混凝土仍然存在有效刚度进行受力。
 
底座加厚可以有效增大轨道结构支撑刚度,在发生折角型沉降的过渡段,当底座厚度增至50 cm时,可以明显降低在组合荷载作用下底座最大拉应力和损伤程度,有效避免了结构宏观裂缝的产生和发展,建议在容易发生折角型沉降的过渡段底座加厚至50 cm,可有效改善规范容许过渡段1‰折角沉降对无砟轨道的服役状态的不利影响。
 
4 结论
1)过渡段发生折角变形会导致无砟轨道结构产生层间离缝和路基脱空,在折角上端和下端呈现出不同的分布规律:在折角变形下端,层间离缝路基脱空分布呈单峰曲线,最大幅值在自密实混凝土层内部;而在折角变形上端,层间离缝呈双峰型分布,最大值在自密实混凝土层两端。
 
2)折角型沉降角度是对无砟轨道变形和受力影响很大的因素,当折角变形角度从0.5‰增大至1‰时,层间离缝幅值、路基脱空幅值和底座最大拉应力分别增至原来的3.14倍、5倍和2.17倍,在无砟轨道结构施工和维护过程中要严格控制过渡段折角型沉降。
 
3)在平坦地段CRTS III型板式无砟轨道在列车和温度荷载及其组合作用下都不会产生明显裂缝;然而在1‰折角型沉降地段,底座拉应力接近最大拉应力并产生明显的损伤破坏,不能满足正常服役要求。
 
4)底座厚度由30 cm增值50 cm时,无砟轨道层间离缝幅值和分布长度均有所降低,在1‰折角沉降和整体温降作用下,底座损伤因子由0.936降至0.241,显著降低了开裂破坏程度。增大底座厚度可以有效减少无砟轨道层间离缝和结构裂缝的产生,减缓过渡段折角型沉降对无砟轨道服役的不利影响。
 
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