CRTSⅡ型无砟轨道预加固植筋方案适应的升温幅度

刘伟斌 钟阳龙 邵春强 高亮 肖宏

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构主要应用于华东和华北地区。由于轨道纵向连续，高温条件下内部聚集巨大温度力，个别薄弱区段出现了轨道板上拱病害，影响线路安全。

关于轨道板上拱病害整治与预防，目前已开展了大量研究。文献［1-3］结合现场病害情况分析，提出了相应的植筋锚固方案，现场应用表明整治效果良好。文献［4-5］基于有限元法研究提出了上拱病害整治时合理的植筋锚固方案。文献［6］建立了CRTSⅡ型板高温上拱稳定性及销钉锚固性能综合分析模型，研究销钉尺寸、数量等对轨道板上拱位移和受力的影响，提出应选用4组以上的销钉。文献［7］提出了无砟轨道层间植筋锚固连接的力学模型，为销钉局部受力特征分析提供了有效手段。文献［8］在植筋模型中充分考虑了混凝土材料和界面黏结的非线性特征，研究了植筋锚固对轨道层间离缝和轨道板上拱的抑制作用。为了加强CRTSⅡ型板式无砟轨道在持续高温下的稳定性，文献［9］提出了轨道板植筋锚固预防性加固方案。

目前，针对CRTSⅡ型无砟轨道预加固植筋方案适应的升温幅度方面的研究较少。本文基于销钉抗拔、抗剪性能试验结果，建立CRTSⅡ型无砟轨道-销钉锚固体系有限元模型，分析在轨道板无初拱变形、轨道板有初拱变形、考虑窄接缝缺损三种初始状态下植筋方案适应的升温幅度及参数影响规律，以期为销钉锚固方案优化提供理论支撑。

1 有限元模型

路基地段支承层为素混凝土结构，对于植筋锚固更为不利，因此以路基地段CRTSⅡ型无砟轨道为研究对象。偏安全考虑，忽略钢轨的限位作用，模型中不考虑钢轨和扣件［10］。模型主要由轨道板、CA砂浆、支承层和销钉组成。轨道板长6.45 m，宽2.55 m，厚0.20 m；CA砂浆层宽2.55 m，厚30 mm；支承层顶宽2.95 m，底宽3.15 m，厚0.30 m；销钉长350 mm，直径27 mm，采用HRB500钢筋。轨道结构主要材料参数见表1。

表1 轨道结构主要材料参数

模型中，轨道板、CA砂浆和支承层都采用8节点实体单元C3D8R模拟。对单元网格在厚度方向进行细化，最小尺寸0.05 m，共9 088个单元。考虑轨道板与CA砂浆层间存在离缝，采用硬接触模拟，切向作用定义为库伦摩擦［9］。砂浆层与底座板共用节点。路基对底座板的作用采用弹性地基模拟，刚度76 MPa∕m。考虑轨道结构纵向连续且相对轨道中心面对称，因此采用1∕4模型。当模拟轨道板上拱时，上拱峰值位置为轨道板一端。此端部和轨道中心面采用对称约束，轨道另一端固定约束。模型长度取65 m［5］。

植筋时，在每块轨道板两端分别植入2根销钉［9］，见图1。

图1 销钉植筋方案布置（单位：mm）

销钉采用非线性弹簧单元CONN3D2模拟［5］，其荷载-位移关系见图2。文献［11］通过模拟现场轨道植筋锚固的抗拔、抗剪力学试验，得到销钉抗拔极限承载力平均值为102.96 kN，对应的位移为7.7 mm，抗拔刚度约为13 kN∕mm；抗剪极限承载力平均值为148.49 kN，对应的位移为11.6 mm，抗剪刚度约为13 kN∕mm。对于外部荷载，同时考虑整体升温、正温度梯度和重力。

图2 销钉限位荷载-位移曲线

构建CRTSⅡ型无砟轨道-销钉锚固体系有限元模型，见图3。

图3 CRTSⅡ型无砟轨道-销钉锚固体系有限元模型

2 加固方案适应的升温幅度

对于CRTSⅡ型无砟轨道-销钉锚固体系，随着升温幅度增加，变形、应力、销钉受力等都会有所增加。这些指标至少有一项达到限值时，对应的升温幅度即可认为是植筋方案适应的升温幅度，其值受轨道初始状态影响，因此选取轨道结构的三种初始状态进行研究，即轨道板无初拱变形、轨道板有初拱变形和窄接缝缺损［10，12］。针对这三种状态分别开展温度效应分析，研究最不利情况下的CRTSⅡ型无砟轨道-销钉锚固体系适应的升温幅度。计算过程中考虑轨道板不同升温幅度以及是否叠加温度梯度，取CA砂浆和支承层整体升温30℃，不考虑温度梯度。

2.1 轨道板无初拱变形

轨道板无初拱变形时，考虑三种工况。工况1：轨道板无植筋，温度梯度Ks=0；工况2：轨道板无植筋，Ks=100℃∕m；工况3：轨道板有植筋（4根销钉），Ks=100℃∕m。三种工况下轨道板垂向位移及销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线见图4。本文轨道板垂向位移和销钉拉拔力均指该轨道板上的最大值。

图4 无初拱变形时轨道板垂向位移及销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线

由图4可知：①对于工况1，轨道板整体升温60℃时轨道板垂向位移为0.22 mm，整体升温100℃时为0.36 mm。②叠加100℃∕m的正温度梯度（工况2），整体升温100℃时轨道板垂向位移为1.14 mm。③对于工况3，整体升温100℃时轨道板垂向位移1.11 mm，销钉拉拔力为10.7 kN，远远小于其极限承载力。计算得到的支承层上拔应力最大值为0.20 MPa，小于C15混凝土抗拉强度标准值。

综上，轨道板无初拱变形时在较高的温度荷载下能保持稳定，销钉的限位能力没有得到充分利用，植筋方案具有较好的温度适应性。

2.2 轨道板有初拱变形

轨道板初拱变形曲线y0取边界处无折角即一阶导数连续的半波二次正弦曲线［10，12-13］，表达式为

式中：f0和l0分别为初拱矢度、弦长；x为沿线路方向的坐标，取x=(-0.5～0.5)l0。

根据纵连板轨道稳定性研究结果［10，12-13］，最不利波长为6.5 m，因此取l0=6.5 m。根据现场运营情况和TG∕GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》，轨道板初始变形矢度一般不超过10 mm，考虑不利情况取f0=10 mm。

轨道板有初拱变形时，考虑三种工况。工况4：轨道板无植筋，Ks=0；工况5：轨道板无植筋，Ks=100℃∕m；工况6：轨道板有植筋（4根销钉），Ks=100℃∕m。三种工况下轨道板垂向位移及销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线见图5。

由图5可知：①对于工况4，轨道板整体升温50℃时轨道板垂向位移为0.89 mm，未发生失稳；而整体升温100℃时轨道板发生了上拱失稳，与文献［10，13］相符。②对于工况5，在正温度梯度的耦合作用下，轨道板失稳加剧，上拱位移增大。③对于工况6，植入销钉后，升温100℃时，轨道板垂向位移为1.55 mm，有效限制了轨道板的上拱；当轨道板升温幅度较小时，温度力主要克服重力的影响；当轨道板升温到一定温度时，销钉开始产生作用，且随温度上升销钉拉拔力逐渐增大；升温100℃时，销钉拉拔力最大达17.5 kN，远远小于其极限承载力。计算得到支承层上拔应力最大值为0.30 MPa，小于C15混凝土抗拉强度标准值。

综上，轨道板有初拱变形时，植筋方案可较好地起到锚固限位作用，具有较好的温度适应性。

2.3 考虑窄接缝完全缺损

宽窄接缝缺损是纵连板失稳上拱的重要影响因素之一［8］。选取窄接缝完全缺损这一最不利条件，考虑四种工况。工况7：轨道板无植筋，Ks=0；工况8：轨道板无植筋，Ks=100℃∕m；工况9：轨道板有植筋（4根销钉），Ks=0；工况10：轨道板有植筋（4根销钉），Ks=100℃∕m。四种工况下轨道板垂向位移及销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线见图6。

图6 窄接缝完全缺损时轨道板垂向位移及销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线

由图6可知：①对于工况7，轨道板整体升温不到35℃时，轨道板已发生上拱失稳。②工况8叠加了正温度梯度，轨道板垂向位移略有减小。③对于工况9，植入销钉后，整体升温达到60℃时轨道板垂向位移达到了5.7 mm。计算可知，此时轨道板与CA砂浆层间离缝为5.3 mm，超过TG∕GW 115—2012中离缝宽度限值2.0 mm及文献［14］建议的离缝宽度限值2.5 mm；销钉拉拔力为50.6 kN，小于其极限承载力。计算得到支承层上拔应力最大值为0.80 MPa，小于C15混凝土抗拉强度标准值1.27 MPa。可见，主要是轨道板变形超限。④对于工况10，植入销钉后，在整体温度和正温度梯度的耦合作用下，轨道板垂向位移、销钉抗拔力与工况9相比都略有减小。这说明在窄接缝缺损情况下，仅考虑整体温度比叠加考虑正温度梯度更为不利。

如果以轨道板最大变形2.5 mm为控制指标，则轨道板整体升温需控制在30.9℃以下，此时销钉拉拔力最大值为21.4 kN，具有一定安全富余量。综上，考虑窄接缝完全缺损的最不利情况时，植筋方案适应的升温幅度为30.9℃。

3 参数影响规律

植筋方案是常规的每块轨道板4根销钉，植筋数量的增加是否能有效增加锚固性能值得进一步分析。另外，轨道系统稳定性主要受轨道板变形是否超限的制约，销钉承载力并未充分利用，而提高销钉刚度可

以提高销钉的变形控制能力。因此，有必要对植筋数量和销钉刚度的影响规律进行分析。

3.1 植筋数量的影响

借鉴文献［4，9］，在每块轨道板4根销钉的基础上，阶梯递增4根，形成8、12根销钉两种方案进行对比分析。接缝状态和荷载条件与工况9一致。不同植筋数量下轨道板垂向位移和销钉拉拔力见图7。可知：增加植筋数量的改善效果并不明显，尤其8根和12根两种方案的差异非常小。这是由于每排2根销钉，后增加的销钉距离端部越来越远，起到的限位作用也越小。另外，销钉数量增加会导致轨道板开孔数增加，对轨道系统的长期耐久性不利。因此，建议保持原有的每块轨道板4根销钉的植筋方案。

图7 不同植筋数量下轨道板垂向位移和销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线

3.2 销钉刚度的影响

虽然销钉受拉拔和剪切复合作用，但其限位能力主要受拉拔性能影响，因此主要分析销钉抗拔刚度的影响。现场应用的销钉抗拔刚度约13 kN∕mm［11］。设置销钉抗拔刚度分别为13、20、35、55、80、100 kN∕mm，其他参数保持不变。接缝状态和荷载条件与工况9一致。不同销钉抗拔刚度下轨道板垂向位移及销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线见图8。

图8 不同销钉刚度下轨道板垂向位移和销钉拉拔力随轨道板升温幅度的变化曲线

由图8可知：①随着销钉抗拔刚度增大，轨道板垂向位移逐渐减小，而销钉拉拔力逐渐增大。②销钉抗拔刚度增至100 kN∕mm时，轨道板垂向位移在整体升温60℃时仍能满足2.5 mm的限值要求，此时销钉拉拔力为94.9 kN，非常接近抗拔极限承载力。计算可知，此时支承层上拔应力最大值为1.48 MPa，超过C15混凝土抗拉强度标准值1.27 MPa。因此，销钉抗拔刚度不宜大于100 kN∕mm，即不采用刚度太大的植筋胶。

若考虑无砟轨道实际最高升温幅度为50℃［10，13］，对比不同销钉抗拔刚度下轨道板垂向位移和支承层上拔应力（图9），可得销钉抗拔刚度适宜范围为55～100 kN∕mm。在此范围内，整体升温50℃下可满足轨道板垂向位移在2.5 mm限值内，且销钉拉拔力和支承层受力都满足要求。

图9 升温幅度50℃时适宜的销钉刚度范围

4 结论

1）轨道系统无宽窄接缝损伤情况下，即使存在轨道板初拱变形，每块轨道板4根销钉的植筋方案可保障轨道系统的稳定性，且适应的升温幅度较广。

2）考虑窄接缝完全缺损的最不利情况时，既有植筋方案适应的升温幅度约为30.9℃。

3）增加植筋数量对锚固性能的提高效果不明显，因此保持现有每块轨道板4根销钉的植筋方案。

4）应选择合理的销钉抗拔刚度，太大可能导致支承层混凝土拉裂，太小则限位能力不足。建议销钉抗拔刚度控制在55～100 kN∕mm，且尽量偏小。

本文考虑的是窄接缝完全缺损的最不利情况，实际运营维护中应加强对宽窄接缝的检查，避免出现明显伤损，可保障现有植筋锚固方案具有较高适应的升温幅度，保持轨道结构的安全和稳定。