摘 要：該文介紹了CRTS II型無砟軌道病害的主要類型，論述了軌道板脫空病害的特征、成因和發(fā)展機理；采用有限元軟件建立了軌道板脫空狀態(tài)下軌道結(jié)構(gòu)的三維空間模型，計算得到了不同脫空長度和高度下軌道板的豎向位移和縱橫向拉應(yīng)力，結(jié)果表明，脫空程度的不同會對軌道結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生一定影響，且相比于脫空高度，脫空長度對軌道結(jié)構(gòu)的受力性能影響更大，建議在日常養(yǎng)護維修中以減緩脫空長度的發(fā)展作為首要工作。
關(guān)鍵詞：CRTS II型無砟軌道 軌道板脫空 特征 成因 軌道板 豎向位移 拉應(yīng)力
中圖分類號：TU528 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0075-02
1 CRTS II型板式軌道病害的主要類型
隨著國內(nèi)外高速鐵路的發(fā)展和客運專線的大范圍修建，無砟軌道的病害日益顯現(xiàn)。由于我國高鐵正式投入運營的時間尚短，相關(guān)病害的研究工作開展相對滯后。我國的無砟軌道線路類型主要有3種：CRTS I型、CRTS II型和CRTS III型，京津線、京滬線、滬杭線、石武線大都采用CRTS II型板式軌道，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，CRTS II型板式軌道病害主要有：承軌臺破損、軌道板裂紋、寬接縫開裂；砂漿層裂紋、破損、掉塊；軌道板與砂漿層離縫；底座開裂、側(cè)向擋塊破損、橋面防水層破壞；軌道板上拱和軌道整體下沉等病害。該文重點研究軌道板脫空的病害特征、成因及其影響。
2 軌道板脫空病害的發(fā)展機理
2.1 軌道板脫空的病害特征
板式軌道結(jié)構(gòu)是由軌道板、CA砂漿支承層以及混凝土底座板組成的層狀結(jié)構(gòu)，在理想狀態(tài)下，各層之間相互密貼，協(xié)同受力，層與層之間是不存在離縫的，軌道板處于完全支撐狀態(tài)。由于軌道結(jié)構(gòu)各部件力學(xué)特性不同，在材料差異、溫度、列車荷載、收縮徐變、施工影響等多種因素作用下，軌道板與CA砂漿層之間往往存在離縫，使軌道板處于不完全支撐的狀態(tài)。當(dāng)離縫區(qū)域較大時，結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞，并影響軌道結(jié)構(gòu)的受力性能，這種現(xiàn)象即為軌道板脫空病害。實地調(diào)研和分析表明軌道板脫空的主要特征為：軌道板板底與CA砂漿表層結(jié)合不密實，存在1 mm及以上的縫隙，且縫隙長度大于5 cm。
2.2 軌道板脫空的病害成因
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研以及理論分析認(rèn)為，導(dǎo)致軌道板脫空的原因主要有以下幾方面。
（1）前期灌漿施工不規(guī)范。CA砂漿主要靠瀝青砂漿和水泥水化兩種過程作用形成，其施工工藝好壞直接影響后期質(zhì)量。如封邊的水泥砂漿及精調(diào)限位裝置去除不及時，軌道板受力約束，無法與CA砂漿共同釋放溫度應(yīng)力，導(dǎo)致相互運動，產(chǎn)生離縫。另外，灌注速度不當(dāng)，會使砂漿層排氣不暢，產(chǎn)生氣泡，砂漿凝固后，就會在軌道板與砂漿層間出現(xiàn)空洞。
（2）材料特性。CA砂漿與軌道板主要由乳化瀝青與混凝土構(gòu)成。瀝青在高溫與低溫時，會分別呈現(xiàn)粘滯性與脆性，這也導(dǎo)致了CA砂漿在溫度過高或過低時抗壓性和韌性下降。另外，砂漿達到一定溫度后，會產(chǎn)生高溫收縮現(xiàn)象，而混凝土是熱脹冷縮材料，高溫時，砂漿和混凝土將分別發(fā)生收縮和膨脹，導(dǎo)致結(jié)合處產(chǎn)生張力，使軌道板與砂漿層相對伸縮，從而易使其脫離、剝落。
（3）溫度梯度。根據(jù)相關(guān)研究，無論在夏季還是冬季，晴天或是陰天，軌道板內(nèi)不同深度處的溫度是不同的，由此引起軌道板的豎向變形也隨之不同。理論計算表明，在正溫度梯度條件下，容易形成軌道板中部離縫；負(fù)溫度梯度條件下，容易引發(fā)軌道板端部離縫。
（4）列車荷載作用。CRTS Ⅱ型無砟軌道中，軌道板、CA砂漿層及底座板為整體連接承載系統(tǒng)。其中，CA砂漿屬于高彈性材料，抗壓縮能力強，且容易老化變形，是軌道結(jié)構(gòu)中的最薄弱層。在長期列車荷載作用下，軌道板會發(fā)生翹曲變形，使其與砂漿在端部產(chǎn)生脫粘，再經(jīng)雨雪的侵襲，及列車荷載的耦合作用，砂漿層會從邊緣向內(nèi)部開裂，甚至掉塊，最終形成軌道板脫空病害。
軌道系統(tǒng)一旦出現(xiàn)軌道板脫空現(xiàn)象，在受到溫度梯度荷載和列車動荷載的反復(fù)作用，脫空區(qū)域與非脫空區(qū)域交界處的受力最不利，很容易使脫空區(qū)域增大。同時列車荷載的作用會強化軌道板對砂漿層的拍打效應(yīng)，使砂漿層性能逐漸劣化，導(dǎo)致軌道板脫空現(xiàn)象日益加劇。
3 軌道板脫空對軌道結(jié)構(gòu)性能的影響
3.1 計算參數(shù)
軌道板脫空后軌道結(jié)構(gòu)整體性減弱，并對軌道結(jié)構(gòu)的受力性能和列車運行安全產(chǎn)生不利影響。該文將以京滬高鐵采用的CRTS II型板式軌道為例分析脫空狀態(tài)下軌道板的受力特點，軌道結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如下所述。
（1）標(biāo)準(zhǔn)軌道板總體尺寸為6.45 m×2.55 m×0.2 m，混凝土強度等級為C55，彈性模量取為36 GPa，泊松比為0.2，密度為2500 kg/m3；
（2）CA砂漿層厚0.05 m，彈性模量為300 MPa；
（3）混凝土底座板寬度3.0 m，高度0.3 m；混凝土強度等級為C30，彈性模量為32 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3。
另外，軌道板橫向設(shè)置60根直徑為10 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋，張拉應(yīng)力為870 MPa，縱向通過6根直徑為20 mm的精軋螺紋鋼筋連接成整體。
3.2 模型的建立
該文采用大型有限元軟件ANSYS建立CRTS II型板式軌道結(jié)構(gòu)的三維空間模型，軌道板、CA砂漿層和混凝土底座板均采用solid45實體單元模擬，軌道板橫向力筋和縱向螺旋筋均采用link8桿系單元模擬，并通過ANSYS軟件中的約束方程將軌道板與鋼筋連接為一體，軌道板與CA砂漿層間的脫空區(qū)域通過非線性彈簧單元模擬。軌道結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖1所示。
3.3 計算結(jié)果分析
根據(jù)前述對脫空病害的分析可知，軌道板脫空位置主要出現(xiàn)在板端和板中，脫空長度一般為1 m左右，脫空高度1 mm以上，在此僅分析板中脫空狀態(tài)下軌道板的受力特點，分兩種情況進行分析，具體如下所述。
第一種情況，分析脫空長度0.6 m時，不同脫空高度下軌道板的豎向位移和應(yīng)力變化情況，計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著脫空高度的增加，軌道板的豎向位移和拉應(yīng)力略有增加，但增幅不大，這說明脫空高度對軌道板的受力影響不大。
第二種情況，分析脫空高度為1 mm時，不同脫空長度下軌道板的豎向位移和應(yīng)力變化情況，計算結(jié)果如表2所示。由表2可知，脫空長度小于1 m時，軌道板豎向位移應(yīng)力變化不大，縱、橫向拉應(yīng)力值增幅很小，都在結(jié)構(gòu)限值范圍之內(nèi)，對正常使用不會有太大影響。當(dāng)脫空長度≥1 m時，軌道板的下沉位移和縱橫向拉應(yīng)力增幅較大，甚至超過了容許限制，易導(dǎo)致軌道板表面出現(xiàn)開裂，并影響結(jié)構(gòu)正常使用，因此必須控制脫空長度的縱向擴展。
綜合對比表1、表2可知，脫空區(qū)域的不同，會不同程度的影響軌道板的受力性能，同時相比于脫空高度，脫空長度對軌道板的豎向位移和受力影響更大，建議在日常的養(yǎng)護維修中，應(yīng)把減緩和避免脫空長度的發(fā)展作為工作重點。
4 結(jié)語
（1）軌道板脫空是無砟軌道的常見病害之一，脫空長度一般為1 m左右，高度在1 mm以上；
（2）造成軌道板脫空原因很多，主要包括：前期灌漿施工不規(guī)范，材料特性，溫度梯度和列車荷載等因素；
（3）脫空程度的不同，會對軌道結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生一定影響，且脫空長度變化較高度變化對結(jié)構(gòu)受力性能的影響要大，應(yīng)把控制脫空長度的發(fā)展作為養(yǎng)護維修的重點。
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