CRTSⅢ型无砟轨道宽接缝裂缝及修补材料性能分析

黄慧超，徐 坤，任娟娟

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国研究开发的一种新型板式无砟轨道结构，吸收了CRTSⅠ，CRTSⅡ型板式无砟轨道以及双块式无砟轨道的优点，具有良好的受力性能、经济性、施工性、可维修性及耐久性。CRTSⅢ型无砟轨道包括单元板式和纵连板式无砟轨道两种主要类型。路基地段通常采用施工较为方便、整体性较高的纵连板式无砟轨道。

CRTSⅢ型纵连板式无砟轨道从上往下由钢轨、扣件、轨道板(带承轨槽)、自密实混凝土层、支承层及板间连接系统等组成［1-3］。两块无砟轨道板间的空隙为宽接缝。为放散纵连轨道板的温度应力并保护无砟轨道板间预应力钢筋，宽接缝处浇筑弹性材料——树脂砂浆。在外界荷载作用下(主要是温度荷载)，板间树脂砂浆应力超过抗拉极限后会产生表面裂纹。当宽接缝处出现开裂后，如果不进行及时修补，树脂砂浆表面裂缝将不断扩大，雨水进入后可使板间预应力钢筋锈蚀，从而降低无砟轨道的耐久性［4-5］，因此必须对宽接缝处树脂砂浆表面裂纹采取修补措施。目前使用的砂浆裂缝修补材料为环氧树脂，其特点为材料强度高、粘结力强、收缩小，可在常规室温下固化;其缺点是黏度高，当配方不当时脆性大［6-9］。

本文通过建立含树脂砂浆表面裂缝及修补材料的ABAQUS有限元分析模型，分析了裂缝深度一定的条件下，开裂树脂砂浆、纵向预应力钢筋以及修补材料在温度荷载作用下所受的纵向应力，可为裂纹的修补提供参考。

1 模型建立及参数选取

依据弹性地基梁体有限元理论，通过ABAQUS有限元软件建立含预应力钢筋的CRTSⅢ型纵连板式无砟轨道实体模型。钢轨、预应力钢筋采用梁单元模拟，轨道板、水硬性支承层、自密实混凝土层、板间树脂砂浆以及修复材料均采用实体单元模拟;钢轨与轨枕之间的扣件连接采用线性弹簧单元来模拟。计算时取3个单元板长度，其中一个板间树脂砂浆上表面中央产生横向裂缝，裂缝中填充修补材料。水硬性支承层底面施加垂向弹性地基约束，并施加纵、横向位移约束;支撑层两端施加纵、横向的位移及转角约束;钢轨两端施加三向位移及转角约束;预应力钢筋两端施加固定约束，其与整个轨道结构采用内置区域连接，并通过降温处理模拟施加预应力。模型中轨道板与自密实混凝土层间，自密实混凝土与水硬性支撑层间，轨道板、自密实混凝土、水硬性支撑层与板间树脂砂浆间，板间树脂砂浆与修复材料间接触全采用粘结命令进行粘结。

本文以路基上CRTSⅢ型纵连板式无砟轨道结构为例进行分析。板间树脂砂浆裂缝如图1所示。

图1 板间树脂砂浆裂缝示意

计算模型的主要参数包括:钢轨断面采用CHN60轨;扣件垂向刚度取为70 kN/mm，扣件纵向间距取为0.65 m;轨道板弹性模量取为3.65×104MPa，长度×厚度×宽度=5.40 m×0.19 m×2.50 m;自密实混凝土弹性模量取为3.4×104MPa，长度×厚度×宽度=5.4 m×0.1 m×3.0 m;板间树脂砂浆弹性模量取为300 MPa，厚度×宽度=0.29 m×2.50 m;水硬性支承层弹性模量取为1.8×104MPa，厚度×宽度=0.24 m×3.00 m;路基基床面刚度120 MPa/m;纵向预应力钢筋张拉应力为122 kN。

2 计算结果与分析

2.1 计算工况

荷载采用将轨道结构整体降温50℃。维修材料弹性模量分别选取为 200，700，1 000，3 000，5 000，7 000，10 000 MPa，裂缝深度取为0.1 m，恰使裂缝超过上层预应力钢筋。裂缝宽度分别取为0.2，0.3，1.0，2.0和3.0 mm。

2.2 计算结果分析

2.2.1 板间树脂砂浆受力分析

为排除预应力钢筋作用所造成的应力集中影响，选取树脂砂浆、修补材料上表面中心位置分析其受力情况。

通过计算分析得到，远端未开裂板间树脂砂浆上表面中心在裂缝未填充修补材料时，砂浆所受纵向拉应力稳定在1.29 MPa左右，裂缝填充修补材料后，未开裂树脂砂浆所受纵向拉应力稳定在1.31 MPa左右，修补材料弹性模量、裂缝宽度和裂缝是否修补均对未开裂板间树脂砂浆影响较小。

下面详细分析开裂的板件树脂砂浆受到的影响。图2表示轨道整体降温50℃时，板间裂缝宽度、修补材料的弹性模量对开裂树脂砂浆受力的影响。

由图2(a)可知，在轨道结构整体降温50℃时，各个裂缝宽度条件下，随着修补材料的弹性模量增大，开裂的板间树脂砂浆上表面中心的纵向拉应力逐渐增大，并且裂纹宽度较小时树脂砂浆所受的纵向拉应力增大速率小于裂纹宽度较大时。

由图2(b)可知，在轨道结构整体降温50℃时，修补材料弹性模量不同的条件下，开裂的板间树脂砂浆上表面中心均受到纵向拉应力，并且拉应力随着裂缝宽度的逐渐增大先增大后减小。从图中可以清晰地看出当树脂砂浆出现裂缝，未填充修补材料时，板间树脂砂浆上表面中心受到的纵向拉应力约为1.44 MPa，远大于裂缝修补后树脂砂浆的受力，此时，裂缝更容易扩展，因此当裂缝发展到一定程度时，需要尽快修复，否则将使裂缝继续扩展，降低整个轨道结构的耐久性。

图2 轨道结构整体降温50℃时开裂树脂砂浆纵向应力变化情况

2.2.2 预应力钢筋受力分析

CRTS Ⅲ型纵连板式无砟轨道纵向预应力钢筋分为2层，共16根。本文通过降温处理模拟施加钢筋预应力。为了方便分析，选取受力变化最剧烈的钢筋，即位于开裂区、靠板结构中心的预应力钢筋进行分析。

通过计算分析得到:位于未开裂树脂砂浆处预应力钢筋的受力不受裂缝宽度以及是否修补的影响，其应力值稳定在509 MPa左右。而开裂处预应力钢筋受到的纵向力随裂缝宽度以及是否修补有一定的变化。

图3 轨道结构整体降温50℃时预应力钢筋纵向应力随裂纹宽度的变化情况

如图3所示，在轨道结构整体降温50℃时，开裂处预应力钢筋在树脂砂浆裂缝未修补时，其纵向拉应力值缓慢减小;当预应力砂浆修补后，钢筋所受纵向拉应力小于未修补时应力，除在裂缝宽度为2 mm处明显增大，其余位置基本保持不变。由此可以看出预应力钢筋受到裂纹是否修补影响较大，而修补材料弹性模量的变化对预应力钢筋影响相对较小。

2.2.3 修补材料受力分析

图4表示轨道整体降温50℃时板间裂缝宽度和修补材料的弹性模量对修复材料受力的影响。

图4 轨道结构整体降温50℃时修补材料纵向应力变化情况

由图4(a)可知，在轨道结构整体降温50℃时各个裂缝宽度条件下，随着修补材料的弹性模量增大，修补材料上表面中心的纵向拉应力逐渐减小直至出现纵向压应力，且纵向压应力逐渐增加。裂缝宽度较大时修补材料的纵向压应力增速明显小于裂缝宽度较小时。

由图4(b)可知，在轨道结构整体降温50℃、修复材料的弹性模量≤1 000 MPa时，修复材料上表面中心受到纵向拉应力，并且纵向拉应力随着裂缝宽度增大而减小，并且弹性模量越大，材料所受纵向拉应力减小速度越快。当修复材料弹性模量＞1 000 MPa时，修复材料上表面中心受到纵向压应力，其纵向压应力先随着裂缝宽度增大而增大，之后又随着裂缝宽度的增大而减小。

3 结论

本文建立了路基上CRTSⅢ型纵连板式无砟轨道有限元计算模型，对宽接缝处树脂砂浆表面裂纹存在时在温度荷载作用下树脂砂浆、预应力钢筋以及修补材料的受力予以分析。主要结论如下:

1)在轨道结构整体降温50℃时，修补材料弹性模量、裂缝宽度和裂缝是否修补均对未开裂板间树脂砂浆影响较小;开裂板间树脂砂浆纵向拉应力随修补材料的弹性模量增大而增大，随着裂缝宽度的增大先增大后减小。

2)当树脂砂浆出现裂缝未进行修补时，板间树脂砂浆受到的纵向拉应力大于裂缝修补后树脂砂浆所受的力，裂缝更容易扩展，因此当裂缝发展到一定程度时，需要尽快修复，否则将使裂缝继续扩展，降低轨道结构的耐久性。

3)在轨道结构整体降温50℃时，修补材料的纵向拉应力先随着其弹性模量的增大逐渐减小直至出现纵向压应力，之后纵向压应力逐渐增加;当修复材料的弹性模量≤1 000 MPa时，修补材料受到的纵向拉应力随着裂缝宽度增大而减小。当修补材料弹性模量＞1 000 MPa时，修复材料受到的纵向压应力先随着裂缝宽度增大而增大，之后又随着裂缝宽度的增大而减小。

4)在轨道结构整体降温50℃时，未开裂树脂砂浆处预应力钢筋的受力不受裂缝宽度以及裂缝是否修补影响;开裂树脂砂浆处预应力钢筋受到裂缝是否修补影响较大，而受修补材料弹性模量变化的影响相对较小。

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