摘 要：在濕度影響下，混凝土的力學(xué)性能會(huì)隨其內(nèi)部不均勻的濕度場(chǎng)產(chǎn)生不同程度的變化，故水環(huán)境中的雙塊式無(wú)砟軌道各混凝土部件(軌枕、道床板及支承層)內(nèi)部的材料性能存在差異，在長(zhǎng)期荷載作用下易產(chǎn)生傷損。因此，探明由濕度導(dǎo)致材料性能變化對(duì)水環(huán)境中無(wú)砟軌道局部力學(xué)行為及損傷所帶來(lái)的影響，對(duì)研究無(wú)砟軌道水致?lián)p傷形成和發(fā)展機(jī)理具有一定參考價(jià)值。通過(guò)建立雙塊式無(wú)砟軌道有限元實(shí)體模型，對(duì)水環(huán)境中雙塊式無(wú)砟軌道道床板新舊混凝土界面位置處的應(yīng)變分布及疲勞損傷情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：考慮濕度影響后，水環(huán)境中雙塊式無(wú)砟軌道道床板新舊混凝土界面位置處的變形性能與抗疲勞特性均有一定程度的削弱，長(zhǎng)邊接觸面所受影響最為顯著，其最大主拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)了 31.6%，剪切疲勞壽命減短了 30.4%，出現(xiàn)在該面中上方位置，該處將是裂紋較早萌生的位置。

　　關(guān)鍵詞：高速鐵路;雙塊式無(wú)砟軌道;水環(huán)境;道床板新舊混凝土界面;濕度;應(yīng)變分布;疲勞損傷

　　引言

　　在排水不暢地段或降水量較大的地區(qū)，雙塊式無(wú)砟軌道在服役期間出現(xiàn)了不同程度的水損害現(xiàn)象，常見(jiàn)類(lèi)型主要包括積水、軌枕松動(dòng)和離縫冒漿[1-2]。西南交通大學(xué)楊榮山教授的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該類(lèi)問(wèn)題高度關(guān)注并開(kāi)展大量研究。周珂[3]基于斷裂力學(xué)的方法，對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道在列車(chē)荷載與水耦合作用下的裂紋擴(kuò)展機(jī)理以及枕邊裂紋內(nèi)部的水流動(dòng)力特性進(jìn)行探究。李耀東[4]針對(duì)列車(chē)荷載與水耦合作用下雙塊式無(wú)砟軌道的軌枕松動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究，并計(jì)算分析軌枕脫空情況下動(dòng)水壓強(qiáng)和流速等的作用特性。

　　曹世豪等[5 6]探究了在列車(chē)荷載作用下無(wú)砟軌道層間裂紋與存在少量空氣的不飽和含水裂縫內(nèi)的動(dòng)水壓力分布規(guī)律，并成功得到了基于控制體積法的分布解析式。楊榮山等[7]綜合動(dòng)水壓力和裂紋擴(kuò)展的兩階段研究，結(jié)合實(shí)際荷載的分布形式得到列車(chē)荷載與水耦合作用下無(wú)砟軌道的水力劈裂機(jī)理。以上關(guān)于無(wú)砟軌道水損害的研究重點(diǎn)大多集中在列車(chē)荷載與水耦合作用下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展及其內(nèi)部的動(dòng)水壓力、水流特性等方面。本質(zhì)上，結(jié)構(gòu)的任何損傷和破壞都與材料性能緊密相關(guān)。

　　本文從材料角度出發(fā)，將水環(huán)境中雙塊式無(wú)砟軌道內(nèi)部的濕度分布與相應(yīng)各濕度狀態(tài)混凝土的力學(xué)性能相結(jié)合，分別建立考慮濕度影響與不考慮濕度影響的雙塊式無(wú)砟軌道有限元實(shí)體模型，探究由于濕度不同導(dǎo)致軌道出現(xiàn)材料性能差異對(duì)水環(huán)境中雙塊式無(wú)砟軌道道床板新舊混凝土界面位置處的變形性能及疲勞特性的影響，對(duì)分析無(wú)砟軌道水致病害形成機(jī)理和演變規(guī)律具有一定指導(dǎo)意義，同時(shí)也對(duì)潮濕多雨地區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型的合理選擇提供一定的參考價(jià)值。

　　1 計(jì)算模型及參數(shù)

　　1.1 計(jì)算模型

　　本文在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提下，為節(jié)省計(jì)算資源，同時(shí)考慮到邊界效應(yīng)的影響，在未設(shè)置假縫位置處選取相鄰 3 塊軌枕塊建立模型，以中間軌枕塊與道床板的交界面為分析對(duì)象，模型縱向總長(zhǎng)為 1.95m。同時(shí)，本文只考慮直線段的軌道結(jié)構(gòu)，忽略曲線地段及軌道結(jié)構(gòu)超高，在縱向上亦不考慮鋼軌的伸縮區(qū)。列車(chē)荷載主要考慮其在鋼軌上的豎向作用力，采用單軸雙輪的加載方式，作用于模型中第 2 位扣件正上方的鋼軌頂面。

　　為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，本文對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，即將鋼軌視為彈性點(diǎn)支承梁，扣件系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性彈簧，且僅考慮其在垂向上的彈性支撐作用。由于不研究基礎(chǔ)受力，故將支承層以下部分簡(jiǎn)化為地基彈簧，采用 Winkler 地基假設(shè)。此外，假設(shè)軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在滑移開(kāi)裂等現(xiàn)象，雙塊式軌枕、道床板、支承層和路基服役狀態(tài)良好，彼此之間始終緊密接觸。

　　1.2 參數(shù)選取

　　(1) 列車(chē)荷載參數(shù)基于 TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]以及客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道再創(chuàng)新理論的研究成果，本文列車(chē)軸重采用 17t，動(dòng)載系數(shù)取 3.0。

　　(2) 軌道結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及材料特性參數(shù)參照我國(guó)已鋪設(shè)的路基地段雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料[9 14]的建議值，本文所建模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和材料特性參數(shù)的具體取值。在不考慮濕度影響時(shí)，雙塊式軌枕、道床板和支承層均為材料性能均一的軌道結(jié)構(gòu)部件。

　　(3)力學(xué)參數(shù)對(duì)于考慮濕度影響的軌道結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)ANSYS 有限元軟件的熱分析模塊[16 17]獲得的軌道浸水 90 天后的濕度場(chǎng)分布。將浸水 90 天后的雙塊式無(wú)砟軌道(軌枕區(qū)域與枕間區(qū)域)內(nèi)部的濕度場(chǎng)劃分為 9 個(gè)濕度區(qū)間，并取各區(qū)間的中間值作為代表值用于計(jì)算分析。采用非飽和混凝土兩級(jí)均勻化計(jì)算得到軌道結(jié)構(gòu)軌枕區(qū)域與枕間區(qū)域中各混凝土部件不同濕度區(qū)間的力學(xué)參數(shù)。

　　2 有限元模型

　　為了便于分析軌道局部的力學(xué)行為，本文利用有限元軟件建立了路基地段雙塊式無(wú)砟軌道的梁體模型。模型的建立主要包括鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板以及支承層等結(jié)構(gòu)。其中，鋼軌采用BEAM188 自定義截面梁?jiǎn)卧�模擬;雙塊式軌枕、道床板和支承層均采用實(shí)體單元 SOLID45 予以建立;鋼軌與軌枕之間的扣件連接以及路基的豎向支承作用均選用線性彈簧單元 COMBIN14 進(jìn)行模擬。

　　雙塊式軌枕與道床板、道床板與支承層以及支承層與地基之間的接觸界面均采用粘接處理。考慮到模型的計(jì)算效率和復(fù)雜性等問(wèn)題，暫且忽略軌道結(jié)構(gòu)的原始裂紋，各部件均按線彈性材料考慮，道床板混凝土與雙塊式軌枕之間始終保持緊密連接，模型中對(duì)鋼筋未加考慮。

　　基于軌道結(jié)構(gòu)與荷載的對(duì)稱(chēng)性，本文以線路中心線為對(duì)稱(chēng)軸，取其一半進(jìn)行模型的建立，并在模型中線平面上施加對(duì)稱(chēng)位移約束。考慮到連續(xù)的雙塊式無(wú)砟軌道在縱向上必然受到相鄰結(jié)構(gòu)的約束，故對(duì)道床板與支承層兩端施加縱向?qū)ΨQ(chēng)位移約束。同時(shí)，在支承層側(cè)邊施加橫向位移約束，對(duì)模擬彈性地基的 COMBIN14 單元下端節(jié)點(diǎn)以及鋼軌兩端節(jié)點(diǎn)施加三向約束。

　　3 力學(xué)特性及疲勞損傷分析

　　3.1 變形性能分析

　　選取文獻(xiàn)[15]的研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果基本一致，說(shuō)明模型合理有效，可用于后續(xù)分析。通過(guò)有限元計(jì)算，可分別得到考慮濕度影響與不考慮濕度影響軌道模型中間軌枕塊與道床板交界面的縱、橫、垂向應(yīng)變以及第一主應(yīng)變的分布情況。為更清晰直觀地顯示各接觸面應(yīng)變分布情況，同時(shí)便于對(duì)兩模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析。

　　兩模型交界面的最大應(yīng)變所處位置基本一致，但數(shù)值上存在一定差異，且拉應(yīng)變的變化幅度較壓應(yīng)變更為明顯。考慮濕度影響后，底部接觸面中心位置處的縱、橫向最大拉應(yīng)變以及最大主拉應(yīng)變均出現(xiàn)顯著提升，而位于長(zhǎng)邊接觸面上方中部以及短邊接觸面上方近角點(diǎn)處的橫向壓應(yīng)變和垂向拉壓應(yīng)變的最大值卻出現(xiàn)了明顯的降低趨勢(shì)。這是由于軌道浸水后，交界面上方的彈性模量較大，剛度較大，約束較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)不易變形，而底部接觸面彈模較小，約束較弱，故此處易產(chǎn)生較大形變。

　　此外， 可以看到，考慮濕度影響后，交界面的受拉區(qū)范圍有所擴(kuò)大。對(duì)于第一主應(yīng)變，由不考慮濕度影響時(shí)軌道模型交界面的受壓區(qū)變?yōu)榭紤]濕度影響后的受拉區(qū)。此時(shí)，整個(gè)交界面僅存在主拉應(yīng)變。考慮濕度影響后，面③的第一主應(yīng)變整體增大，最大增幅可達(dá) 31.6%，位于中心處;面①內(nèi)的第一主應(yīng)變也出現(xiàn)大范圍增加，增大范圍約占該面的84.4%，最大增幅達(dá)到 31.5%，位于頂部近中心位置處;面②內(nèi)大部分區(qū)域的應(yīng)變值出現(xiàn)降低趨勢(shì)，該面的最大主拉應(yīng)變下降了 35.3%。

　　可見(jiàn)，交界面最大主拉應(yīng)變位于長(zhǎng)邊接觸面，軌道浸水后，最大主拉應(yīng)變?cè)谠撁娴脑黾臃�度也十分顯著。此外，各接觸面內(nèi)第一主應(yīng)變的分布在材料參數(shù)分界處均出現(xiàn)明顯變化。因此本文對(duì)兩模型長(zhǎng)邊接觸面在材料參數(shù)分界處的應(yīng)變分布進(jìn)行了對(duì)比分析，并得到了該處正應(yīng)變、橫向剪應(yīng)變及垂向剪應(yīng)變的應(yīng)變差。

　　面①材料參數(shù)分界線位置處的應(yīng)變值在其中部區(qū)域增長(zhǎng)較為明顯。 這是由于面①分界線以下部分的材料彈性模量較上部小，約束減弱，故變形增大。其中 正應(yīng)變、垂向剪應(yīng)變?cè)诿姊俚呢Q向中心線處增加最為顯著，增幅可達(dá)10.1%(正應(yīng)變)、 36.9%(垂向剪應(yīng)變)。橫向剪應(yīng)變則在中心靠?jī)蓚?cè)位置處增幅最高，增幅高達(dá) 99.4%。為分析兩模型道床板新舊混凝土界面應(yīng)變分布的均勻性，基于文獻(xiàn)[18]的方法定義應(yīng)變不均勻系數(shù) UC以衡量各接觸面內(nèi)應(yīng)變分布的均勻程度。

　　可以看到，考慮濕度影響后，長(zhǎng)邊接觸面中上方位置處的應(yīng)變損傷增加最為顯著。在列車(chē)垂向荷載作用下，兩者雖均未達(dá)到界面破壞的條件，但考慮濕度影響后，應(yīng)變損傷的增幅高達(dá) 89.5%，位于長(zhǎng)邊接觸面頂部近中點(diǎn)處。因此，本文對(duì)長(zhǎng)邊接觸面上下邊緣位置處的損傷形式進(jìn)行了詳細(xì)分析。可見(jiàn)，長(zhǎng)邊接觸面內(nèi)的主要損傷形式為垂向剪切破壞。

　　兩模型交界面剪切疲勞壽命最小值位于長(zhǎng)邊接觸面中部，分別為 4.2×108次和 5.5×108 次，若設(shè)客運(yùn)專(zhuān)線每天每小時(shí)運(yùn)行 20 列 8 編組 CRH3 型動(dòng)車(chē)組[21]，對(duì)應(yīng)的壽命年限分約為 74年、97 年。二者在規(guī)定使用年限內(nèi)均不發(fā)生剪切疲勞破壞。但考慮濕度影響后，交界面的剪切疲勞壽命值減短了 30.4%，經(jīng)受一次荷載循環(huán)的損傷增大30.8%。兩模型最小安全系數(shù)均處于長(zhǎng)邊接觸面中部上方，在考慮濕度影響后，最小安全系數(shù)降低 2.1%。

　　4 結(jié)論

　　(1) 綜合交界面內(nèi)的應(yīng)變分布及損傷情況可得，長(zhǎng)邊接觸面所受影響最為顯著，在列車(chē)垂向荷載作用下，其上方中心位置處相對(duì)容易出現(xiàn)裂紋，且多為垂向剪切破壞。(2)在對(duì)水環(huán)境中無(wú)砟軌道混凝土界面位置處的力學(xué)性能及損傷情況進(jìn)行檢算分析時(shí)，應(yīng)考慮濕度影響，并留有一定的安全空間。(3)在潮濕多雨地區(qū)、排水不暢或易出現(xiàn)積水等地段，雙塊式無(wú)砟軌道的適用性較差。

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　　作者：劉佳