應(yīng)用快修砂漿修補CRTSⅠ型板式軌道充填層后軌道結(jié)構(gòu)受力及行車安全評估

鄧非凡，劉觀，王濤，趙坪銳

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031; 2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

應(yīng)用快修砂漿修補CRTSⅠ型板式軌道充填層后軌道結(jié)構(gòu)受力及行車安全評估

鄧非凡1，劉觀1，王濤2，趙坪銳1

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031; 2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

CA砂漿層作為板式軌道的一個重要部件，具有支承、調(diào)整與緩沖等功能，在自然環(huán)境和列車荷載的共同作用下，容易產(chǎn)生傷損?？煨奚皾{作為一種修補傷損CA砂漿層的材料，需滿足在天窗時間內(nèi)完成修補并達(dá)到安全通車條件的要求?；趶椥缘鼗后w模型和輪軌系統(tǒng)動力學(xué)原理，建立了CRTSⅠ型梁體有限元模型和車輛—軌道垂向耦合動力學(xué)模型，從軌道結(jié)構(gòu)靜力及動力性能兩方面對快修砂漿修補后的軌道結(jié)構(gòu)進行了評價。結(jié)果表明，砂漿層最大垂向壓應(yīng)力為349.5 kPa，輪對和轉(zhuǎn)向架的加速度最大值分別為7.53g和0.43g，均在限值范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)的安全性和列車運行安全性可得到保證。

CRTSⅠ型板式軌道 快修砂漿 溫度梯度

CRTSⅠ型板式軌道具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力機理明確、施工快捷、維修方便等特點，在國外高速鐵路上均有較多的鋪設(shè)實踐，在我國哈大、廣珠等線路上得到了應(yīng)用［1］。CRTSⅠ型板式軌道由鋼軌、聯(lián)結(jié)件(扣件和膠墊)、軌道板(框架型或平板型)、CA砂漿層、底座板、凸臺和基床等組成［2-3］。CA砂漿層作為介于軌道板與底座板之間的一種調(diào)整、緩沖材料，在列車荷載與環(huán)境共同作用下容易產(chǎn)生損傷，若不及時修復(fù)，將對軌道的使用壽命及服役性能產(chǎn)生影響?？煨奚皾{強度可在有限的天窗時間內(nèi)快速增長到0.2 MPa，滿足盡快通車的要求。不利情況下，無砟軌道需進行抬板維修，全面更換板底砂漿，由于快修砂漿和普通砂漿存在的彈性模量差異，將對軌道結(jié)構(gòu)的靜、動力性能造成不利影響，需對快修砂漿維修后的板式軌道結(jié)構(gòu)與列車運行安全性進行評價。

1 計算模型與參數(shù)

基于彈性地基梁體理論［4］建立CRTSⅠ型板式軌道梁體模型，如圖1所示。其中鋼軌采用梁單元模擬，軌道板、底座板、CA砂漿層采用實體單元模擬，扣件及基礎(chǔ)采用線性彈簧模擬。由于砂漿層采用袋裝施工，與上下的軌道板、底座板無黏接，其間界面處理為接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)取為0.3［5］。

在CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)中，除列車荷載外，溫度梯度也會引起軌道板翹曲［6］，影響CA砂漿層的受力狀態(tài)，因此本文主要考慮列車荷載與溫度梯度兩種作用。參照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［7］，列車荷載取150 kN，溫度梯度取45和－22.5℃/m。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道實體有限元模型

2 快修砂漿對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1 列車荷載單獨作用

對于三塊軌道板長度的板式軌道有限元模型，取中間板塊為對象進行研究，板底填充快修砂漿。由于軌道板不連續(xù)，荷載作用于不同位置時的軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力反應(yīng)并不相同，采用遍歷加載的方式依次將輪載施加于中間板的扣件上方，如圖2所示，其中快修砂漿彈性模量取為120 MPa，正常狀態(tài)下CA砂漿彈性模量分別取200和300 MPa。

列車荷載單獨作用時軌道板和砂漿層應(yīng)力如圖3所示?？梢婋S砂漿彈性模量的增加，軌道板縱向拉應(yīng)力(σZ)、橫向拉應(yīng)力(σH)最大值逐漸減小，縱向拉應(yīng)力為中間大板端小。采用快修砂漿時，σZ，σH較正常狀態(tài)下CA砂漿彈性模量為200，300 MPa時分別增加4.7%，8.6%和2.3%，5.3%，但均未超過混凝土的極限抗拉強度。板端位置處由于軌道板不連續(xù)，存在一定的突增現(xiàn)象，故板端部位CA砂漿更易受損。砂漿垂向壓應(yīng)力(σCA)隨砂漿彈性模量的增加而增大，最大值依次為152.8，165.1和176.2 kPa，σCA小于正常狀態(tài)的垂向壓應(yīng)力。

圖2 快修砂漿軌道結(jié)構(gòu)示意

圖3 列車荷載單獨作用時軌道板和砂漿層應(yīng)力

在路基不均勻沉降地段，需要抬高軌道板進行維修［8-10］。選取砂漿層厚度為5，10 cm兩種工況分析砂漿厚度的影響。

不同快修砂漿層厚度時軌道板和砂漿層應(yīng)力如圖4所示。當(dāng)砂漿層厚度由5 cm增加為10 cm時，σZ，σH均變小，但σZ減少幅度更大。σCA隨其厚度的改變而發(fā)生較大的變化，最大值增幅為21.4%，表明砂漿厚度的增加不利于砂漿層受力的均勻分配，板邊砂漿將承受更大的力，在疲勞荷載的作用下，板邊砂漿更容易破壞。因此，CRTSⅠ型無砟軌道結(jié)構(gòu)板下充填層厚度不宜過大。

圖4 不同快修砂漿層厚度時軌道板和砂漿層應(yīng)力

2.2 溫度梯度和列車荷載共同作用

在正溫度梯度作用下，軌道板中部將向上拱起，由于自重的作用，其表面受壓底部受拉。正溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應(yīng)力如圖5所示。隨砂漿彈性模量的增加，σZ最大值分別減小2.05%和3.52%;σH最大值分別增加1.55%和2.33%，但二者均與正常情況相當(dāng)。σCA隨砂漿彈性模量的增加而增加，最大值增幅為13.9%和11.1%，其變化率在逐漸減小，不會影響行車安全。

圖5 正溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應(yīng)力

在負(fù)溫度梯度作用下，軌道板板邊向上翹曲，而列車荷載的作用限制了軌道板的翹曲變形。負(fù)溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應(yīng)力如圖6所示。隨砂漿彈性模量的增加，σZ最大值分別減小3.2%，6.3%，σH最大值分別減小5.4%，10.7%，但二者均與正常情況相當(dāng)。σCA隨砂漿彈性模量的增加而增加，但其變化率逐漸減少且遠(yuǎn)小于正溫度梯度和列車荷載共同作用時的壓應(yīng)力，因此不會影響行車安全。

圖6 負(fù)溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應(yīng)力

3 快修砂漿對軌道結(jié)構(gòu)動力特性的影響

基于輪軌系統(tǒng)動力學(xué)原理，結(jié)合車輛—軌道垂向耦合動力學(xué)理論［11］，利用前述建立的有限單元模型，建立用快修砂漿修復(fù)過的車輛—軌道垂向耦合振動模型［12］，研究快修砂漿對車輛及軌道動力特性的影響。

1)快修砂漿對車輛系統(tǒng)動力特性的影響

圖7是行車速度V=350 km/h時，在德國低干擾不平順譜激勵下［13-14］，列車通過快修砂漿段前后時轉(zhuǎn)向架、車體及輪對垂向振動加速度部分時程曲線對比。

由圖7可見，當(dāng)列車以350 km/h速度通過快修砂漿區(qū)域時，車輪和轉(zhuǎn)向架的加速度最大值分別為7.53g和0.43g。由于車輛系統(tǒng)一系、二系彈簧的減振作用，此時車體垂向振動加速度僅為0.06g，并沒有超過限值(0.13g)［15］。

2)砂漿傷損對輪軌垂向力的影響

輪軌垂向力主要取決于機車車輛性能、軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、行車速度等。一般認(rèn)為輪重增加和輪重減輕不僅加快車輪和軌道的破壞和疲勞，而且有誘發(fā)脫軌的危險［16］。圖8是在不同行車速度作用下，列車通過快修砂漿區(qū)域前后時最大輪軌垂向力對比?？煨奚皾{區(qū)域垂向輪軌力略大于其他區(qū)域，并隨速度的增加而增大，無論是快修砂漿區(qū)域還是正常區(qū)域，垂向輪軌力均低于允許限值(170 kN)。

3)快修砂漿對軌道動力特性的影響

圖7 車輛各部分垂向加速度對比

圖8 最大輪軌垂向力隨行車速度的變化規(guī)律

在速度350 km/h和考慮軌道自重的情況下鋼軌的位移和加速度的時程曲線分別見圖9(a)、圖9(b)?？梢?，快修砂漿區(qū)域的位移略大于正常軌道區(qū)域的鋼軌位移。這是因為快修砂漿彈性模量較低，砂漿壓縮位移較大的緣故?？煨奚皾{區(qū)域最大鋼軌加速度略大于正常軌道區(qū)域，分別為29.59g和26.02g。

在扣件、砂漿采用具有線性剛度和阻尼的離散梁單元模擬的情況下，扣件垂向力和砂漿垂向動應(yīng)力變化不大，正常軌道區(qū)域的扣件垂向力略大于快修砂漿區(qū)域，見圖9(c)、圖9(d)?？奂瓜蛄ψ畲笾捣謩e為39.5和36.1 kN;砂漿垂向動應(yīng)力最大值分別為0.058和0.057 MPa。

鋼軌位移和砂漿壓縮量與速度的關(guān)系見圖10，由圖可知，鋼軌位移和砂漿壓縮量均隨時速的增加呈增大態(tài)勢?？煨奚皾{區(qū)域由于砂漿強度較小，當(dāng)列車通過時產(chǎn)生的動位移更大［17］，350 km/h時常態(tài)砂漿的壓縮量為0.069 mm，而快修砂漿由于強度較小，壓縮量為0.118 mm，較常態(tài)砂漿壓縮量增大70%。

圖9 軌道結(jié)構(gòu)各部分參量時程曲線

圖10 鋼軌位移和砂漿壓縮量與速度的關(guān)系

綜上分析可得，快修砂漿對車輛和軌道的動力特性有一定的影響，但各個指標(biāo)均在控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，對行車安全不會造成不利影響。

4 結(jié)論與建議

本文對采用快修砂漿修補后的CRTSⅠ型板式軌道靜力和動力特性進行了分析，結(jié)論如下:

1)在溫度梯度與列車荷載的組合作用下，快修砂漿所在的軌道板縱橫向拉應(yīng)力及砂漿垂向壓應(yīng)力均與正常情況相當(dāng)，軌道結(jié)構(gòu)安全性可得到保證。

2)當(dāng)快修砂漿層厚度由5 cm增大至10 cm時，壓應(yīng)力雖未超限，但軌道板受力很不均勻，板邊砂漿容易破壞，因此建議快修砂漿層不宜過厚。

3)在德國低干擾不平順譜激勵下，快修砂漿對軌道結(jié)構(gòu)和車輛的各項動力特性指標(biāo)的影響均沒有超限，行車安全性不受快修砂漿修補的影響。

4)本文分析工況為極端條件下的全面維修。在局部維修工況下，將局部維修范圍內(nèi)的砂漿彈性模量取為快修砂漿，其余部位仍取CA砂漿，即可進行局部維修條件下的分析評價。

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Safety evaluation on CRTSⅠslab-type track structure and train running in using rapid repairing mortar measure

DENG Feifan1，LIU Guan1，WANG Tao2，ZHAO Pingrui1
(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 2.Metals＆Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As an im portan t part of CRT SⅠslab-type track，the CA m ortar layer has the functions o f supporting，ad justm ent，buffering and so on，w hich cou ld be in jured easily under the coup ling action of environm ent and train load.T he rapid repairing m ortar need to com p lete the repair in the sky ligh t tim e and m eet the safe traffic requirem en t as a kind of m aterial for repairing inju red CA m ortar layer.Based on the elastic foundation-beam solid m odel and wheel-rail system dynam ics theory，a CRT SⅠbeam solid finite elem en t m odel and vehicle-track vertical coup ling dynam ic m odel w as established，and the track structure after the repairing of rapid repairing m ortar was evaluated from such tw o aspects as the static and dynam ic perfo rm ance o f track structure respectively.Analysis resu lts showed that the m axim um vertical com pressive stress of m ortar layer is 349.5 kPa，the m axim um acceleration of w heel set and bogie are 7.53g and 0.43g w hich are w ithin the lim its，and the safety of track structu re and running stability could be guaran teed.

CRT SⅠslab-type track;Rap id repairing m o rtar;T em peratu re grad ien t

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.39

1003-1995(2015)06-0152-05

(責(zé)任審編李付軍)

2014-10-30;

2014-12-20

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB036202);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G008-A，2014G001);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(SWJTU12X065)

鄧非凡(1992—)，男，湖南衡陽人，碩士研究生。