复杂温度下Ⅱ型板式无砟轨道宽窄接缝病害影响及维修措施研究

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无砟轨道无缝线路是我国高速铁路的核心技术,其中CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路应用较为广泛。我国地域广阔,气候差异大使得Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路承受较为复杂的温度作用。已有研究表明在复杂温度作用下Ⅱ型板式无砟轨道存在多种病害,如砂浆层离缝、轨道板上拱、宽窄接缝拉开、底座板开裂等,其中宽窄接缝病害尤为突出。本文在研究温度条件下Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路受力变形规律的基础上,重点研究了宽窄接缝开裂及压溃上拱的形成原因,分析了两种病害对轨道受力变形的影响规律,并提出有效的养护维修时机及措施,主要工作内容如下:  (1)利用有限元软件ANSYS,基于生死单元、重启动分析等方法,在总结结构参数的基础上,建立了完好状态下Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路空间精细化耦合模型;并根据板间接缝界面开裂及宽窄接缝缺损等病害特点,建立了轨道结构的伤损模型。  (2)基于完好状态下的轨道模型,分析温度梯度、整体温度及极端温度作用下无砟轨道无缝线路的受力变形规律。计算表明轨道板温度梯度对轨道板垂向相对位移影响较大,而对轨道板、砂浆层和支承层应力影响较小。整体温度主要影响轨道结构纵向应力,对垂向应力和横向应力的影响较小,温降幅度过大时,轨道板纵向应力超过混凝土抗拉强度而被拉裂。极端高温地区,轨道板纵向压应力为23.7MPa,接近混凝土的抗压强度,极端严寒地区,轨道板纵向拉应力为18.0MPa,超过混凝土的抗拉强度,轨道板被拉裂。所以极端温度作用下,轨道结构受力变形较大,结构容易破坏。  (3)基于宽窄接缝界面开裂的伤损轨道模型,研究温度梯度及温降荷载下,裂缝宽度及深度对轨道力学行为的影响。结果表明,温度条件下,裂缝宽度对轨道受力变形影响较小,裂缝深度影响较大。温度梯度下,轨道板纵向压应力最大达到39.9MPa(裂缝深度为0.15m),大于混凝土的抗压强度35.5MPa,裂缝会继续加深,砂浆层的纵向压应力达到了23.0MPa(裂缝深度为0.20m),砂浆层被挤坏。温降荷载下,裂缝深度为0.1m,裂缝宽度≥0.1 mm时,轨道板、砂浆层纵向应力均超过极限强度而破坏,裂缝继续扩展。裂缝宽度为0.2mm,裂缝深度≥0.06m时,轨道板被拉裂,砂浆层也会产生连带破坏。基于上述分析结果,建议以裂缝深度为控制条件,当裂缝深度≥0.06m时应及时采取无压注浆法等措施进行修补。  (4)基于宽窄接缝缺损的伤损轨道模型,研究分析高温及持续高温条件下,轨道板压溃上拱的形成原因以及宽窄接缝缺损对轨道结构的影响。研究表明宽窄接缝缺损造成钢轨受力和变形增大,钢轨的垂向不平顺较为明显;宽窄接缝缺损处两侧轨道板与砂浆层脱粘,轨道板上拱,并在持续高温作用下脱粘范围向板中蔓延,上拱位移不断增大,其中,宽接缝完全破损时轨道板与砂浆层脱粘长度可达1.438m,且在0.87m后脱粘速率增大,上拱位移达到0.612mm,窄接缝完全破损时脱粘长度时可达1.625m,且在0.65m后脱粘速率增大,上拱位移达到1.438mm;破损宽窄接缝处的纵向压应力较大,超过混凝土抗压强度,导致混凝土被挤碎,破损情况加剧。基于上述研究,为避免病害加剧,建议在板端与砂浆层脱粘长度大于0.65m之前,及时采取凿除、重新浇筑等整治方法对宽窄接缝缺损进行维修。
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