修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究.pdf
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1、第 卷第期石家庄铁道大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a lo fS h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)S e p 修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究徐浩,代玮武,周双喜,张浩东,谢铠泽(广州航海学院 土木与工程管理学院,广东 广州 ;石家庄铁道大学 安全工程与应急管理学院,河北 石家庄 ;华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 )摘要:分析了框架板式无砟轨道板角离缝原因,建立了含维修材料的框架板式无
2、砟轨道有限元模型,研究了维修材料弹性模量对无砟轨道受力和变形的影响规律,提出了板角离缝维修材料建议.研究结果表明,施工因素、服役环境和长期列车荷载作用是导致单元框架板式无砟轨道发生板角离缝的主要原因;钢轨和轨道板的垂向位移、C A砂浆层压应力随板角离缝面积的增大而增大,轨道板的拉应力则先增大后减小;正温度梯度作用下轨道板的拉应力随维修材料弹性模量的增大而增大,轨道结构位移则随维修材料弹性模量的增大而减小;当维修材料弹性模量从 MP a增加至 MP a时,列车荷载作用下维修材料的压应力增大了 倍;从维修材料受力角度考虑,建议框架板式无砟轨道板角离缝维修材料采用树脂材料,且弹性模量宜为 MP a.
3、关键词:框架板式轨道;板角离缝;维修材料;力学性能;材料性能指标中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:责任编辑:车轩玉D O I:/j c n k i s j z t d d x x b z r b 基金项目:中国科协青 年人才托举工程(QN R C );国家自然科 学基金();广东省重点建设 学科科研能力 提 升 项 目(Z D J S );河北省自然科学基金(E )作者简介:徐浩(),男,高级工程师,研究方向为高速重载轨道结构及其动力学.E m a i l:x h a o c o m徐浩,代玮武,周双喜,等修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究J石家庄铁道大学学报
4、(自然科学版),():引言板式无砟轨道以其少维修、强耐久性和高平顺性的优点 ,在国内外高速铁路和城际铁路上广泛应用.为降低轨道结构自重和工程造价,在原单元板式无砟轨道的基础上优化形成了非预应力的框架板式无砟轨道 ,在遂渝、广珠城际等铁路上应用.框架板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆(C A砂浆)层主要采用模筑法施工,起着调整、传载及减隔振作用,是框架板式无砟轨道的关键结构层之一 .然而由于温度梯度引起的轨道板翘曲变形、列车荷载长期作用下C A砂浆的塑性变形及施工因素等综合作用,轨道板与C A砂浆层之间易产生离缝,在轨道板的板角及板边表现尤其明显,如图所示.当C A砂浆离缝发展严重,将影响无砟轨道的
5、服役寿命、行车平稳性和安全性 .为此国内外学者针对板式无砟轨道C A砂浆离缝对板式无砟轨道静力和动力特性的影响开展了理论和试验研究 ,并提出了相应的维修标准.章健华等 则针对C A砂浆离缝处理材料,从施工性、适应性等方面进行了研究.然而,尚未见专门针对维修材料性能对框架型板式无砟轨道板角离缝的影响及维修材料性能要求的研究报道.针对框架板式无砟轨道出现的板角离缝问题,以路基上框架板式无砟轨道为例,分析板角离缝原因,建立含板角离缝维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,研究板角离缝及板角离缝修补后维修材料力学性能对框架板式无砟轨道系统受力的影响,最后提出框架板式无砟轨道板角离缝维修材料性能要求及建议
6、材料,从而为框架板式无砟轨道板角离缝养护维修提供理论依据.第期徐浩等:修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究(a)板端离缝(b)板角离缝图砂浆层与轨道板间离缝 板角离缝原因分析板角离缝的形成受多种因素影响,主要可归纳为施工因素、服役环境影响和列车荷载作用.施工因素主要指施工技术水平和施工质量,框架板式无砟轨道C A砂浆在施工过程中若C A砂浆沥青乳化不完全、C A砂浆灌注不饱满均会导致在后期运营过程中出现轨道板与C A砂浆层离缝.同时,若施工完成后相邻轨道板之间存在高度差,扣件紧固过程中也将导致高程较低的轨道板板角出现离缝.服役环境影响指温度和雨水交替作用下,轨道板会出现反复翘曲变形
7、,由于板角约束较小,在温度梯度作用下板角变形更为明显,由于C A砂浆是一种典型的温度敏感性材料,在温度过高或过低时,C A砂浆易出现高温收缩现象,同时雨水渗入C A砂浆后将进一步降低C A砂浆的性能和强度,使其粉化.列车荷载作用指列车荷载长期作用,C A砂浆充填层作为框架板式无砟轨道的薄弱层,在列车荷载长期作用下,C A砂浆出现塑性变形,从而导致轨道板与C A砂浆产生脱黏.分析模型及参数 分析模型通过AN S Y S建立板角含离缝维修材料的框架板式无砟轨道模型,钢轨采用b e a m 梁单元模拟,扣件和路基表层采用c o m b i n 弹簧阻尼单元模拟,框架板、C A砂浆层、维修材料和底座板
8、都根据实际尺寸采用s o l i d 实体单元模拟,考虑框架板与砂浆层间的接触和摩擦,采用接触单元模拟,摩擦系数取 .为消除边界效应,建立块轨道板长度的模型,模拟路基表层的弹簧单元底部采用全约束,底座板端部约束纵横向位移,建立的有限元模型如图所示.一般在C A砂浆维修时,需要把离缝处砂浆凿除,然后采用维修材料填充,因此建模时假定维修材料的厚度与原C A砂浆层的厚度相同,板角离缝如图所示,其中,lz为纵向离缝长度,lh为横向离缝长度.图框架板式无砟轨道有限元模型砂浆板角脱空状态lzlh图板角位置砂浆层伤损示意图 计算参数框架板式无砟轨道有限元模型参数如表所示.石家庄铁道大学学报(自然科学版)第
9、卷表框架板式无砟轨道有限元模型主要参数部件项目单位取值断面CHN 钢轨弹性模量MP a 泊松比 扣件刚度k N/mm 扣件间距m 弹性模量MP a 泊松比 轨道板长度宽度厚度mmm 长度宽度(框架孔)mm 板缝m 厚度m C A砂浆层弹性模量MP a 泊松比 长度宽度mm 维修材料厚度m 弹性模量MP a 弹性模量MP a 底座板泊松比 宽度厚度mm 路基表层面刚度MP a/m 板角离缝及维修材料力学分析 板角离缝对轨道力学性能的影响由于无砟轨道在服役过程中承受温度和列车荷载的耦合作用,因此本节主要研究了正温度梯度和列车荷载耦合作用下板角离缝面积对轨道系统力学性能的影响规律.其中,正温度梯度取
10、值采用常用温度梯度/m,列车荷载取 k N/轮,作用在板端第一个扣件处,板角离缝面积lzlh分别取为 m m(无伤损)、m m、m m、m m、m m、m m、m m,分别对应板角离缝工况工况.在正温度梯度和列车荷载耦合作用下,不同板角离缝面积下轨道系统力学性能如图所示.轨道垂向位移/mm板角离缝工况钢轨位移轨道板位移1234567-0.5-1.0-1.5-2.0纵向横向板角离缝工况1234567板角离缝工况12345672.552.502.452.40700600500400轨道板拉应力/MPa砂浆垂向压应力/MPa(b)轨道板受力(c)砂浆层受力(a)轨道结构位移图板角离缝对轨道力学性能的
11、影响从图可见,在正温度梯度和列车荷载耦合作用下,随着板角离缝面积的增大,钢轨和轨道板的垂向位移、C A砂浆层压应 力随之增 大,而轨道板 纵、横向拉应 力先增大后 减小.当板角离缝 面积达到第期徐浩等:修复材料性能对框架板式无砟轨道板角离缝的影响研究 m m时,轨道板的垂向位移达到 mm,为正常状态下的 倍;C A砂浆的垂向压应力为 k P a,为正常状态下的 倍.一旦轨道板与C A砂浆层出现离缝,在环境和列车荷载的共同作用下,将出现轨道板反复翘曲,导致轨道板与C A砂浆层离缝扩展的恶劣循环,最终引起轨道不平顺,影响行车安全.因此,当轨道板与C A砂浆层出现离缝后,需及时进行修复.板角离缝维修
12、材料对轨道力学性能的影响由于正温度梯度作用下,轨道板仅在板角位置与砂浆层接触,板角处砂浆层承受较大的垂向压应力,此时对维修材料力学性能要求较高.因此,通过建立含板角离缝维修材料的框架板式无砟轨道有限元模型,分析了正温度梯度、列车荷载、列车荷载与正温度梯度耦合作用下不同弹性模量维修材料对无砟轨道系统受力的影响规律.假定板角离缝面积为 m m,板角离缝维修材料的弹性模量分别取为、MP a.正温度梯度作用正温度梯度作用下,不同弹性模量维修材料对无砟轨道系统受力和变形的影响如图图所示.维修材料弹性模量/MPa轨道板拉应力/MPa轨道板纵向轨道板横向02004006008001 0002.01.81.6
13、1.41.21.0图轨道板受力维修材料弹性模量/MPa02004006008001 000轨道板板中位置轨道板板角位置砂浆维修材料0.10-0.1-0.2-0.3-0.4轨道结构垂向位移/mm图轨道部件位移维修材料弹性模量/MPa02004006008001 000700600500400300200100垂向压应力/kPa砂浆层砂浆维修材料图正温度梯度下砂浆及维修材料垂向压应力从图图可知,正温度梯度作用下,轨道板纵、横向拉应力均随维修材料弹性模量的增大有增大趋势.当维修材料弹性模量为 MP a时,轨道板纵、横向拉应力分别为 MP a和 MP a,维修材料弹性模量增大至 MP a时,轨道板纵、
14、横向拉应力分别为 MP a和 MP a,分 别 增 大 和 .当维修材料弹性模量增大时,轨道板板中垂向位移变化不明显,而轨道板板角位置和维修材料的垂向位移先减小后趋于平缓.当维修材料弹性模量为 MP a时,轨道板板角和维修材料的垂向位移为 mm和 mm,当维修材料弹性模量为 MP a时,轨道板板角和维修材料的垂向位移分别为 mm和 mm,分别减小了 和 .随着维修材料弹性模量增大,C A砂浆层的垂向压应力基本不变,而维修材料垂向压应力逐渐增大.当维修材料弹性模量为 MP a时,C A砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为 k P a和 k P a,维修材料弹性模量增大至 MP a时,C A砂浆层和
15、维修材料的垂向压应力分别为 k P a和 k P a,分别增大 和 .可见,维修材料弹性模量越大对减小轨道结构位移有利,但对维修材料本身的受力不利.列车荷载作用由于维修材料对轨道板的支承作用,列车荷载作用下,维修材料弹性模量对钢轨垂向位移、轨道板及 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷底座板受力影响较小,而对砂浆层及维修材料垂向压应力影响较大.列车荷载作用于板端第一个扣件处,不同弹性模量维修材料对轨道结构受力的影响如图、图所示.轨道板砂浆维修材料维修材料弹性模量/MPa02004006008001 0000.600.560.520.480.44垂向位移/mm图列车荷载作用下轨道板及修复材料垂
16、向位移砂浆层砂浆维修材料维修材料弹性模量/MPa02004006008001 000500400300200100垂向压应力/kPa图列车荷载下砂浆及修复材料垂向压应力在列车荷载作用下,轨道板和维修材料的垂向位移逐渐减小.当维修材料弹性模量为 MP a时,轨道板和维修材料的垂向位移分别为 mm和 mm;维修材料弹性模量增大至 MP a时,轨道板和维修材料的垂向位移分别为 mm和 mm,分别减小 和 .C A砂浆层的垂向压应力随维修材料弹性模量的增大而减小,维修材料的垂向压应力则随弹性模量的增大而增大.当维修材料弹性模量为 MP a时,C A砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为 k P a和 k
17、P a,当维修材料弹性模量为 MP a时,C A砂浆层和维修材料的垂向压应力分别为 k P a和 k P a,砂浆维修材料弹性模量/MPa02004006008001 000砂浆层砂浆维修材料垂向压应力/kPa800700600500400300200图 耦合作用下砂浆及维修材料垂向压应力其中C A砂浆层的垂向压应力减小了 ,维修材料的垂向压应力增大了 .正温度梯度与列车荷载耦合作用在正温度梯度与列车荷载耦合作用下,列车荷载仍作用于板端第一个扣件处,C A砂浆层和维修材料的垂向压应力随维修材料弹性模量的变化如图 所示.从图 可知,正温度梯度和板端列车荷载共同作用下,C A砂浆层的垂向压应力随维
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