crs型無(wú)軌道板端裂縫成因分析

crs型無(wú)軌道板端裂縫成因分析

crts-u型板帶的結(jié)構(gòu)是一種高密度、高穩(wěn)定性、低維護(hù)的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，存在一些問題。CRTSⅡ型板在用于我國(guó)北方地區(qū)鐵路建設(shè)時(shí),由于冬季溫度低,會(huì)導(dǎo)致軌道板板端與填縫的現(xiàn)澆混凝土之間產(chǎn)生裂縫,寬度甚至?xí)_(dá)到5mm以上,這種裂縫的出現(xiàn)會(huì)對(duì)鋼軌及橋墩產(chǎn)生較大影響,對(duì)列車行駛安全造成了嚴(yán)重威脅,而國(guó)內(nèi)外對(duì)于這種裂縫的研究較少,這種裂縫對(duì)軌道以及橋墩的影響和處理措施是目前亟待解決的問題。本文旨在利用ANSYS有限元分析軟件模擬連續(xù)梁橋以及板端寬裂縫,對(duì)有縫、無(wú)縫情況下的鋼軌應(yīng)力和橋墩縱向力進(jìn)行了比較和分析,并對(duì)灌漿填縫修補(bǔ)措施進(jìn)行分析。1模型建立及參數(shù)選取根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)的觀察,由于CRTSⅡ型板新舊混凝土交界面薄弱,低溫致混凝土收縮,導(dǎo)致板端出現(xiàn)寬裂縫,并伴隨寬裂縫處底部CA砂漿脫粘,CA砂漿與軌道板交界處沿線路縱向發(fā)展脫粘裂縫。本文根據(jù)文獻(xiàn)提供數(shù)據(jù),應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件模擬實(shí)際情況,就升降溫時(shí),裂縫對(duì)鋼軌應(yīng)力和橋墩縱向力的影響做了分析。為在ANSYS中模擬該現(xiàn)象,考慮三方面影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度力影響:板端裂縫寬度、CA砂漿脫粘長(zhǎng)度、脫粘部分CA砂漿與軌道板底部的摩擦系數(shù)(以下簡(jiǎn)稱CA砂漿摩擦系數(shù))。本文采用32m+(48+80+48)m+32m連續(xù)梁橋建立模型,溫度變化對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響僅限于線路縱向,且不考慮撓曲力、制動(dòng)力等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。模型設(shè)計(jì)4層單元,從下到上依次為橋梁梁體、底座板、軌道板、鋼軌。梁體設(shè)計(jì)截面積為5m2,簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁之間設(shè)置0.5m縫寬。全橋拉通連接至端刺為止,端刺處設(shè)置縱向彈簧約束,在三座固定支座橋墩處設(shè)置與底座板連接剛度較大的縱向彈簧,模擬保證底座板與橋梁可靠連接的預(yù)設(shè)齒槽和錨固螺栓。鋼軌全橋拉通。各層之間連接縱向彈簧,分別模擬兩布一膜滑動(dòng)層、CA砂漿、扣件。1)橋梁梁體與底座板之間的兩布一膜滑動(dòng)層設(shè)計(jì)為非線性彈簧。2)底座板與軌道板之間的CA砂漿取兩種非線性彈簧。未脫粘的CA砂漿縱向剛度取為CA砂漿粘結(jié)阻力63.8kN/m(極限位移為0.5mm)。脫粘的CA砂漿縱向剛度取為CA砂漿摩擦系數(shù)與上部單位重量之積。彈簧間隔根據(jù)每塊軌道板的長(zhǎng)度6.45m以及為對(duì)應(yīng)上部鋼軌扣件,取為每塊軌道板中部間隔0.65m,共10根,并在軌道板兩端設(shè)置兩根彈簧,每根彈簧的實(shí)際剛度根據(jù)是否脫粘和以間隔為權(quán)的單位剛度來(lái)決定。3)軌道板與鋼軌之間設(shè)置非線性彈簧模擬扣件,間隔取為0.65m。橋臺(tái)路基上摩擦板設(shè)計(jì)50m,端刺外端延伸65m并沿線路縱向約束模擬邊界條件。兩端摩擦板及外伸邊界條件與固定支座用縱向彈簧連接模擬路基連接。簡(jiǎn)支梁橋墩縱向剛度取為3.0×104kN/m,連續(xù)梁橋墩縱向剛度取為1.2×104kN/m。其他彈簧同前所述。模型各參數(shù)選取參考文獻(xiàn)。橋墩從左至右依次編號(hào)為1#橋墩,2#橋墩,3#橋墩。如圖1所示。2分析2.1彈簧縱向剛度研究縫寬對(duì)結(jié)構(gòu)影響時(shí),把CA砂漿摩擦系數(shù)和CA砂漿脫粘長(zhǎng)度取為定值,根據(jù)不同的縫寬,列表比較鋼軌應(yīng)力和橋墩縱向力的變化,并畫圖分析。軌道板之間連接用非線性彈簧單元模擬裂縫。由ΔL=FL/(EA)(1)知k=F/ΔL=EA/L(2)式中,L為裂縫的寬度;A為裂縫中材料的截面積;E為裂縫中材料的彈性模量;k為模擬彈簧縱向剛度。即通過材料的彈性模量、截面積和剛度可以換算出相應(yīng)的彈簧縱向剛度。模擬寬縫的彈簧縱向剛度分為兩階段:第一階段彈簧縱向剛度主要由軌道板內(nèi)的6根精軋螺紋鋼筋承擔(dān),參數(shù)選取如文獻(xiàn)。當(dāng)彈簧壓縮量達(dá)到縫寬時(shí),寬縫的兩邊混凝土面接觸,此時(shí)進(jìn)入第二階段,即彈簧縱向剛度主要由混凝土承擔(dān),E取C55混凝土彈性模量,A取軌道板截面積。2.2ca砂漿抗壓強(qiáng)度研究CA砂漿摩擦系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響時(shí),把CA砂漿脫粘長(zhǎng)度和縫寬取為定值,以同一增量(0.1)連續(xù)選取CA砂漿摩擦系數(shù),列表比較鋼軌應(yīng)力和橋墩縱向力的變化。2.3ca砂漿脫粘試驗(yàn)研究CA砂漿脫粘長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí),把縫寬和CA砂漿摩擦系數(shù)取為定值,通過從外到內(nèi)依次修改未脫粘CA砂漿彈簧為脫粘CA砂漿彈簧來(lái)模擬不同脫粘長(zhǎng)度,列表比較鋼軌應(yīng)力和橋墩縱向力的變化。3有板端寬縫對(duì)橋墩縱向力的影響現(xiàn)僅考慮當(dāng)橋梁升降溫20℃、底座板升降溫40℃及軌道板升降溫15℃對(duì)鋼軌應(yīng)力以及橋墩縱向力的影響。各關(guān)鍵位置橫坐標(biāo)如表1所示。圖2為軌道板無(wú)裂縫和有板端裂縫的鋼軌應(yīng)力對(duì)比,板端裂縫縫寬為1cm,CA砂漿摩擦系數(shù)為0.5,CA砂漿脫粘長(zhǎng)度為1.6m。出現(xiàn)寬縫時(shí),鋼軌上對(duì)應(yīng)寬縫處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力尖峰。無(wú)寬縫時(shí),最小鋼軌附加溫度應(yīng)力處的應(yīng)力為-1.3572MPa。寬縫出現(xiàn)時(shí),最小應(yīng)力降低到-1.5671MPa。溫度作用下鋼軌最大附加應(yīng)力絕對(duì)值增大了15.47%。表2為無(wú)板端寬縫和有板端寬縫情況下3座橋墩的縱向力。由表2可知當(dāng)出現(xiàn)板端寬縫時(shí),3座橋墩的縱向力分別變化了-1.98%,-5.49%,-3.65%,可見板端寬縫對(duì)橋墩縱向力的影響很小且偏于安全。當(dāng)出現(xiàn)板端寬縫時(shí),3座橋墩縱向力分別減小了-0.172kN,-3.530kN,-0.482kN。1縫寬與鋼軌附加溫度應(yīng)力現(xiàn)用無(wú)寬縫時(shí)的鋼軌附加溫度應(yīng)力與縫寬1cm,CA砂漿摩擦系數(shù)0.5,CA砂漿脫粘長(zhǎng)度1.6m時(shí)的鋼軌附加溫度應(yīng)力做差,得到各位置處鋼軌附加溫度應(yīng)力的變化,如圖3所示。由圖3可以看出,寬縫為1cm時(shí),鋼軌附加溫度應(yīng)力最大減小量發(fā)生在距左端刺113.4m非寬縫處,變化量為-0.2141MPa。鋼軌附加溫度應(yīng)力最大增大量發(fā)生在距左端刺142.65m寬縫處,變化量為0.3063MPa。為具體研究縫寬與鋼軌附加溫度應(yīng)力的關(guān)系,現(xiàn)取CA砂漿摩擦系數(shù)0.5和CA砂漿脫粘長(zhǎng)度1.6m為定值,列表并畫圖分析縫寬從1mm開始,以1mm增量增大至10mm時(shí),鋼軌附加溫度應(yīng)力變化最大處,即距左端刺113.4m,142.65m處的鋼軌應(yīng)力,如圖4所示。由圖4可以看出,縫寬在1～10mm之間時(shí),非寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力與縫寬基本呈線性正相關(guān),平均每增加1mm,鋼軌附加溫度應(yīng)力最大增加0.0111MPa,寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力與縫寬基本呈線性負(fù)相關(guān)。平均每增加1mm,鋼軌附加溫度應(yīng)力最大減少0.0075MPa。結(jié)構(gòu)升溫時(shí),軌道板寬縫處剛度較其他地方小。根據(jù)ΔL=αLΔt(其中,α為軌道板線膨脹系數(shù);L為每塊軌道板長(zhǎng)度;Δt為軌道板升降溫度;ΔL為軌道板伸長(zhǎng)長(zhǎng)度),軌道板升溫會(huì)向兩側(cè)寬縫處延伸,帶動(dòng)了上部扣件沿線路縱向向?qū)捒p處移動(dòng),故非寬縫處彈條對(duì)鋼軌的摩擦力是指向?qū)捒p處鋼軌的,寬縫處鋼軌受到兩側(cè)的壓力,而非寬縫處鋼軌受到寬縫處鋼軌的拉力。隨著縫寬的增長(zhǎng),軌道板能延伸的位移越大,帶動(dòng)扣件位移越大,非寬縫處鋼軌受到的應(yīng)力隨之增大,寬縫處鋼軌受到的應(yīng)力隨之減小。2鋼軌附加溫度應(yīng)力場(chǎng)現(xiàn)取定縫寬1cm,CA砂漿脫粘長(zhǎng)度1.6m,CA砂漿摩擦系數(shù)從0開始,以增量0.1變化至1.0時(shí),比較分析距左端刺113.4m非寬縫處和142.65m寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力的變化,如圖5所示。可以看出,非寬縫處CA砂漿摩擦系數(shù)與鋼軌附加溫度應(yīng)力呈負(fù)相關(guān),寬縫處CA砂漿摩擦系數(shù)與鋼軌附加溫度應(yīng)力呈正相關(guān)。CA砂漿摩擦系數(shù)從0增大至1時(shí),寬縫處和非寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力最大變化分別僅有-0.0324MPa,0.0721MPa。CA砂漿與軌道板之間的摩擦力會(huì)在一定程度上為軌道板的升溫伸長(zhǎng)提供縱向阻力。隨著CA砂漿摩擦系數(shù)的增大,能提供的縱向阻力增加,軌道板能向兩側(cè)寬縫外伸的位移減小,帶動(dòng)扣件的位移減小,故非寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力減小,寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力增大。3鋼軌附加溫度應(yīng)力場(chǎng)現(xiàn)取定縫寬1cm,CA砂漿摩擦系數(shù)0.5時(shí),CA砂漿脫粘長(zhǎng)度從0變化至3.225m,即CA砂漿裂縫貫通軌道板時(shí),列表比較并畫圖分析距左端刺113.4m非寬縫處和142.65m寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力變化,如圖6所示。由圖6可以看出,非寬縫處CA砂漿脫粘長(zhǎng)度與鋼軌附加溫度應(yīng)力呈正相關(guān),寬縫處CA砂漿脫粘長(zhǎng)度與鋼軌附加溫度應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)CA砂漿脫粘長(zhǎng)度由0增大至3.225m時(shí),非寬縫處和寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力最大變化分別為0.4013MPa,-1.2920MPa。CA砂漿由粘結(jié)受力到脫粘后僅靠摩擦受力,CA砂漿層能為軌道板外伸提供的縱向阻力會(huì)大幅下降,故隨著脫粘長(zhǎng)度的增長(zhǎng),CA砂漿層能給上部軌道板提供的縱向阻力減小,軌道板由于溫度的影響而產(chǎn)生的力更多地通過扣件傳到了上部鋼軌中,故非寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力隨之增大,寬縫處鋼軌附加溫度應(yīng)力隨之減小。4鋼板附加溫度應(yīng)力場(chǎng)目前為了解決板端寬縫的問題,可以用混凝土重新將裂縫灌注填補(bǔ)。針對(duì)這種工況,本文將模擬板端寬縫的彈簧剛度改成了C55混凝土彈簧剛度,即通過公式(2)將用于填補(bǔ)軌道板的C55混凝土換算成彈簧剛度加入模型,考慮CA砂漿摩擦系數(shù)0.5、CA砂漿脫粘長(zhǎng)度1.6m時(shí)的鋼軌附加溫度應(yīng)力以及橋墩縱向力如圖7和表3所示。由圖7可以看出,用C55混凝土填補(bǔ)寬縫后,鋼軌的附加溫度應(yīng)力與未產(chǎn)生板端寬縫的鋼軌附加應(yīng)力基本相同,且偏于安全。鋼軌附加溫度應(yīng)力最小值由-1.3572MPa增大至-1.3027MPa,增大了0.0545MPa。由表3知:用C55混凝土填補(bǔ)寬縫后,橋墩縱向力分別有0.061kN,2.736kN,0.129kN的增大,分別占無(wú)板端寬縫時(shí)橋墩縱向力的0.70%,4.26%,0.98%。當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度降低,板端出現(xiàn)寬縫,灌混凝土進(jìn)行維修,這對(duì)上部鋼軌的附加溫度應(yīng)力會(huì)有類似于應(yīng)力重分布的效果,鋼軌的附加溫度應(yīng)力會(huì)有向平均值靠攏的趨勢(shì),在鋼軌附加溫度應(yīng)力圖上表現(xiàn)為最大、最小以及各極值點(diǎn)相較于無(wú)寬縫時(shí)向x軸靠攏。而這一變化的影響沿著扣件、軌道板、CA砂漿、底座板、固結(jié)結(jié)構(gòu)以及兩布一膜滑動(dòng)層、橋梁,一直傳遞至橋墩,3座橋墩的縱向力均有所增大。5板端寬縫處理根據(jù)以上分析,當(dāng)連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板板端出現(xiàn)寬縫時(shí)有以下結(jié)論:1)CRTSⅡ型板板端寬縫在溫度力作用下,在鋼軌溫度應(yīng)力壓應(yīng)力最大處會(huì)有相當(dāng)于鋼軌附加溫度應(yīng)力壓應(yīng)力15.47%的增大?？p寬為1cm時(shí),鋼軌附加溫度應(yīng)力在非寬縫處最多變化了-0.2141MPa,在寬縫處最多變化了0.3063MPa。2)CRTSⅡ型板板端寬縫在溫度力作用下,鋼軌附加溫度力會(huì)減小橋墩縱向力大小,分別減小了0.172kN,3.530kN,0.482kN,分別占無(wú)板端寬縫時(shí)橋墩縱向力的1.98%,5.49%,3.65%,偏于安全。3)寬縫寬度在1～10mm之間變化時(shí),寬縫的寬度與鋼軌附加溫度應(yīng)力在非寬縫處基本呈線性正相關(guān),每毫米增加鋼軌附加溫度應(yīng)力0.0111MPa,寬縫處基本呈線性負(fù)相關(guān),每毫米降低鋼軌附加溫度應(yīng)力0.0075MPa。4)摩擦系數(shù)從0增至1時(shí),CA砂漿摩擦系數(shù)與鋼軌附加溫度應(yīng)力在非寬縫處呈負(fù)相關(guān),鋼軌附加溫度應(yīng)力最多變化了-0.0324MPa,寬縫處呈正相關(guān),鋼軌附加溫度應(yīng)力最多變化了0.0721MPa。5)CA砂漿從不脫粘至完全脫粘,C