基于混凝土弹塑性模型的轨道层间离缝维护时机评估方法与流程

本发明涉及无砟轨道无缝线路领域。更具体地，涉及一种CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板离缝养护维修的评估方法。

背景技术：

无砟轨道材料构成繁杂，由混凝土、砂浆、乳化沥青、土工布及弹性缓冲垫层等多种材料组成；同时，其结构型式极其复杂，设置了不同型式的无砟轨道板、限位结构、连接部件、底座、滑动层及粘结层等；其受力又受到了上部无缝线路、下部路基、桥隧基础等的制约，各层间应力传递关系复杂。这种材料、结构型式庞杂的无砟轨道结构体系，在复杂温度作用下，其受力特性更为复杂。现场调研表明，部分无砟轨道如CRTSⅡ型板式无砟轨道在服役期早期，大量出现了砂浆层与底座板、轨道板间的离缝病害问题。

离缝问题不同于一般的混凝土结构开裂，无砟轨道层间离缝多为粘结层脱离所致，是弱不连续和强不连续问题的混合，在接触面区域内，由于材料的不连续以及工后接触不良，在不同的几何界面即层间会产生离缝现象。而混凝土开裂所致裂纹，具有更强的不可预测性，其裂缝一般仅在一种材料中萌发、发展，最终造成该材料力学性能的变化。而层间离缝，一般是两种及以上不同材料或同种材料不同施工顺序的结构所形成的结合面发生脱粘。由此可见，离缝和裂缝是完全不同的两个概念，其发生发展机理也是完全不相同的。

层间离缝问题会引起轨道板大范围的脱空，这种脱空一方面在高速车辆激励下，相互间反复的高频冲击，结构层间伤损加速。离缝区域内含水时，高频荷载下的高频水压对无砟轨道冲蚀作用加剧，极易引起砂浆层离析冒浆问题，扩大脱空范围。另一方面，轨道板大范围的脱空会对高速列车的行车安全性带来重大影响。

如上所述，CRTSⅡ型板式无砟轨道层间离缝问题在轨道运营过程中比较突出，其产生原因多被认为是由于温度梯度引起的翘曲变形、温度升降造成的剪切效应、轨道板与底座板之间砂浆层材质粘结性能的劣化及砂浆层施工质量较差等诸多因素。其中，目前引起板间离缝较为公认的原因是轨道结构层温度荷载效应，而造成层间离缝发展的主要原因则被归结为由温度梯度所引起轨道板的翘曲变形。

目前，由于运营经验的欠缺加之养护维修缺乏科学的理论指导，养护维修部门对上述无砟轨道因温度变形失调而出现的离缝、上拱等病害问题的处理多是采用“头痛医头、脚痛医脚”的方式，对复杂荷载组合情况下轨道受力机理及破坏机制了解不明，导致维修方式、维修时机等方面有一定欠缺，以致于会出现夏季整治的线路在冬季会出现更为严重的病害、局部整治的线路出现相邻区域或更大范围的病害、前一年整治的病害第二年仍然出现甚至加剧等。所以极有必要研究离缝发展机理，确定离缝发展指标，提出一种无砟轨道轨道板离缝养护维修时机的评估方法，以完善养护维修相关理论，为日后无砟轨道轨道板离缝整治等工程实践提供科学指导及理论支撑。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于混凝土弹塑性模型的轨道层间离缝维护时机评估方法，该评估方法能对无砟轨道轨道板离缝整治等工程实践提供科学指导及理论支撑。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种基于混凝土弹塑性模型的轨道层间离缝维护时机评估方法，包括以下步骤：

根据现场实测的轨道结构几何尺寸和物理属性，建立无砟轨道的有限元模型；

根据现场环境条件及实测数据确定温度荷载幅值和温度梯度分布，对所述无砟轨道的有限元模型的轨道板施加不同工况的温度荷载，提取所述无砟轨道的有限元模型中应力集中区域等效塑形变形的最大值，并根据所划分单元的大小，求得塑形变形，分析无砟轨道的有限元模型的受力变形规律；

根据计算出的无砟轨道的有限元模型的受力及变形结果，结合云图中累计塑性变形最大的区域的位置，确定离缝出现的位置；

计算分析离缝区域离缝宽度、深度随温度变化的发生发展情况，与规范中规定的离缝宽度、离缝深度管理标准进行对比，得出伤损等级；

基于上述伤损等级，确定温度变化幅值及其所对应时间节点。

优选地，所述轨道结构几何尺寸包括钢轨尺寸、轨道板尺寸、宽窄接缝尺寸、水泥乳化沥青砂浆层尺寸和支承层尺寸。

优选地，所述物理属性包括轨道结构的密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、屈服强度和屈服应变。

优选地，所述温度荷载包括极端温度和温度梯度。

优选地，所述离缝宽度为变形后轨道板下表面到水泥乳化沥青砂浆层上表面的垂直距离。

优选地，所述离缝深度为变性后轨道板一侧与水泥乳化沥青砂浆层离缝脱层区域的横向距离。

优选地，所述温度变化幅值为最不利温度荷载工况下，离缝发展到必须及时维修时所允许的温度变化范围最大值。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了基于混凝土弹塑性模型的轨道层间离缝维护时机评估方法，该方法不仅可以应用于无砟轨道轨道板离缝伤损上，也可以延伸到其它形式的无砟轨道伤损整治上，如宽窄接缝破损；本发明提供的方法，可以确定离缝发生起始区域，判断离缝发展演变的情况，通过控制温度变化幅度限值及时间节点，提出合理的养护维修时机。区别于以往只对轨道结构的线弹性阶段进行受力分析，利用弹塑性硬化模型突破了以往有限元分析方法中不能考虑累积塑性变形及材料损伤的局限。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出了本发明流程框图。

图2示出了本发明一个实施例的无砟轨道有限元模型图。

图3示出了本发明一个实施例的材料本构关系的曲线图。

图4示出了本发明一个实施例的施加荷载示意图。

图5示出了本发明一个实施例的整体温度荷载下等效应力云图。

图6示出了本发明一个实施例的整体温度荷载下等效塑性应变云图。

图7示出了本发明一个实施例的温度梯度荷载下等效塑性应变云图。

图8示出了本发明一个实施例的离缝发展细部示意图。

图9示出了本发明一个实施例的离缝深度、宽度随温度变化曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，基于混凝土弹塑性模型的轨道层间离缝维护时机评估方法，包括如下步骤：

1.确定离缝起始区域

1.1采用ABAQUS有限元软件建立无砟轨道弹塑性硬化模型，模拟不同工况下温度荷载的作用，分析无砟轨道各部位的受力变形情况，从而根据等效应力云图、变形云图、等效塑性应变云图及屈服云图，确定离缝发生的起始区域。

与扩展有限元分析预测混凝土结构的裂缝有所不同，本发明的无砟轨道塑性硬化模型，无需添加预设条件，离缝的发生的起始区域完全未知，仅仅通过施加温度荷载后模型的实际受力变形状态及塑性伤损区域，从而确定出离缝发生起始区域。由于混凝土裂缝发展十分复杂，规律难寻，因此，目前基于扩展有限元的裂缝预测方法，往往需要在特定的已知位置预设裂缝，并给定预制裂缝发展的路径，从而研究裂缝的扩展情况。

1.2如图2所示，采集无砟轨道几何尺寸，利用ABAQUS软件建立无砟轨道有限元分析模型；无砟轨道轨道板的几何尺寸为长6450mm，宽2550mm，厚200mm，宽接缝宽210mm，深100mm，窄接缝宽50mm，深100mm，水泥乳化沥青砂浆层长6450mm，宽2550mm，厚30mm，支撑层长6450mm，宽2950mm，厚300mm。

1.3如图3所示，选取无砟轨道物理属性，包括轨道材料的密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、屈服强度、屈服应变，轨道板采用C55混凝土，其密度为2500kg/m³，弹性模量为3.55×10¹⁰Pa，泊松比取0.167，热膨胀系数取1.18×10^-5m/℃，屈服应力初始值取17MPa，屈服应变初始值取为0。水泥乳化沥青砂浆层其密度为1800kg/m³，弹性模量为7×10⁹Pa，泊松比取0.167，热膨胀系数取1.18×10^-5m/℃，屈服应力初始值取9MPa，屈服应变初始值取为0。支撑层采用C40混凝土，其密度为2400kg/m³，弹性模量为3.25×10¹⁰Pa，泊松比取0.167，热膨胀系数取1.18×10^-5m/℃，屈服应力初始值取15MPa，屈服应变初始值取为0。

本模型方法，基于材料的硬化效应，采用弹塑性分析理论，对离缝的发生发展机理进行研究，故材料属性定义需输入散点形式的真实应力与塑性应变，与ABAQUS扩展有限元模块，无论模型的原理，还是模型后处理的表征方式，均不相同。

1.4如图4所示，通过对轨道板施加预定义温度场，定义初始温度及温度传递方式，以模拟轨道板在整体温升、整体温降温降以及温度梯度作用下，无砟轨道的受力变形情况。具体分三种工况施加温度荷载，如下表1所示。

表1无砟轨道模型施加荷载工况表

1.5如图5所示，通过施加整体温度荷载，得出无砟轨道结构受力变形等效应力云图，结合所计算的等效应力数值及轨道结构等效塑性应变云图(图6所示)，可确定水泥乳化沥青砂浆层边缘附近为受力变形较大的部位，离缝应由此开始发生发展。

二.离缝指标随温度变化的发展演变情况

2.1基于不同温度作用下离缝的长度、宽度随之变化的情况，如下表2所示，确定温度变化幅度限值及时间节点。图7为温度梯度荷载下等效塑性应变云图。图8为离缝细部示意图。结合温度梯度荷载下变形位移云图、离缝细部示意图及水泥乳化沥青砂浆层位移的数值，可确定离缝的长度和宽度的具体数值。

与扩展有限元裂缝扩展情况不同的是，本方法的离缝各指标，均是量化的，而非定性分析或者表观预测，通过提取每一步离缝的指标数值，绘制成发展演变曲线，通过对数据定量分析，得出离缝发展演变规律，并基于此提出维护时机。

表2离缝深度、宽度随温度变化统计表

2.2如图9所示，基于2.1步骤，可绘制出离缝宽度，离缝深度随温度变化的曲线图。基于该曲线图并结合我国现行规范，可为无砟轨道轨道板离缝的养护维修时机提出评估方法。从表2和图9曲线中可以看出，当温度变化幅度达-45℃(即整体降温45℃)，离缝宽度为0.173mm，小于1mm，离缝深度可达30mm，属于规范中20～50mm范围，从而可将-45℃作为一个温度变化幅度限值。当温度变化幅度达-45℃(即整体降温45℃)+负温度梯度达到50℃(即轨道板上表面比下表面低10℃)时，离缝宽度为0.51mm，小于1mm，离缝深度可达60mm，属于规范伤损等级Ⅱ，可见，就本实例而言，结合伤损等级和出现不同温度所对应的时间，可确定本实例温度变化幅度限值约为-45℃，最不利温度组合工况为整体温降45℃+负温度梯度50℃，时间节点为对应出现各温度工况的时刻，即当环境条件达到本实例的温度变化幅度限值或最不利温度组合工况，便需开展养护维修工作。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。