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摘 要：该文介绍了CRTS II型无砟轨道病害的主要类型，论述了轨道板脱空病害的特征、成因和发展机理；采用有限元软件建立了轨道板脱空状态下轨道结构的三维空间模型，计算得到了不同脱空长度和高度下轨道板的竖向位移和纵横向拉应力，结果表明，脱空程度的不同会对轨道结构性能产生一定影响，且相比于脱空高度，脱空长度对轨道结构的受力性能影响更大，建议在日常养护维修中以减缓脱空长度的发展作为首要工作。
关键词：CRTS II型无砟轨道 轨道板脱空 特征 成因 轨道板 竖向位移 拉应力
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0075-02
1 CRTS II型板式轨道病害的主要类型
随着国内外高速铁路的发展和客运专线的大范围修建，无砟轨道的病害日益显现。由于我国高铁正式投入运营的时间尚短，相关病害的研究工作开展相对滞后。我国的无砟轨道线路类型主要有3种：CRTS I型、CRTS II型和CRTS III型，京津线、京沪线、沪杭线、石武线大都采用CRTS II型板式轨道，根据现场调研发现，CRTS II型板式轨道病害主要有：承轨台破损、轨道板裂纹、宽接缝开裂；砂浆层裂纹、破损、掉块；轨道板与砂浆层离缝；底座开裂、侧向挡块破损、桥面防水层破坏；轨道板上拱和轨道整体下沉等病害。该文重点研究轨道板脱空的病害特征、成因及其影响。
2 轨道板脱空病害的发展机理
2.1 轨道板脱空的病害特征
板式轨道结构是由轨道板、CA砂浆支承层以及混凝土底座板组成的层状结构，在理想状态下，各层之间相互密贴，协同受力，层与层之间是不存在离缝的，轨道板处于完全支撑状态。由于轨道结构各部件力学特性不同，在材料差异、温度、列车荷载、收缩徐变、施工影响等多种因素作用下，轨道板与CA砂浆层之间往往存在离缝，使轨道板处于不完全支撑的状态。当离缝区域较大时，结构整体性遭到破坏，并影响轨道结构的受力性能，这种现象即为轨道板脱空病害。实地调研和分析表明轨道板脱空的主要特征为：轨道板板底与CA砂浆表层结合不密实，存在1 mm及以上的缝隙，且缝隙长度大于5 cm。
2.2 轨道板脱空的病害成因
根据现场调研以及理论分析认为，导致轨道板脱空的原因主要有以下几方面。
（1）前期灌浆施工不规范。CA砂浆主要靠沥青砂浆和水泥水化两种过程作用形成，其施工工艺好坏直接影响后期质量。如封边的水泥砂浆及精调限位装置去除不及时，轨道板受力约束，无法与CA砂浆共同释放温度应力，导致相互运动，产生离缝。另外，灌注速度不当，会使砂浆层排气不畅，产生气泡，砂浆凝固后，就会在轨道板与砂浆层间出现空洞。
（2）材料特性。CA砂浆与轨道板主要由乳化沥青与混凝土构成。沥青在高温与低温时，会分别呈现粘滞性与脆性，这也导致了CA砂浆在温度过高或过低时抗压性和韧性下降。另外，砂浆达到一定温度后，会产生高温收缩现象，而混凝土是热胀冷缩材料，高温时，砂浆和混凝土将分别发生收缩和膨胀，导致结合处产生张力，使轨道板与砂浆层相对伸缩，从而易使其脱离、剥落。
（3）温度梯度。根据相关研究，无论在夏季还是冬季，晴天或是阴天，轨道板内不同深度处的温度是不同的，由此引起轨道板的竖向变形也随之不同。理论计算表明，在正温度梯度条件下，容易形成轨道板中部离缝；负温度梯度条件下，容易引发轨道板端部离缝。
（4）列车荷载作用。CRTS Ⅱ型无砟轨道中，轨道板、CA砂浆层及底座板为整体连接承载系统。其中，CA砂浆属于高弹性材料，抗压缩能力强，且容易老化变形，是轨道结构中的最薄弱层。在长期列车荷载作用下，轨道板会发生翘曲变形，使其与砂浆在端部产生脱粘，再经雨雪的侵袭，及列车荷载的耦合作用，砂浆层会从边缘向内部开裂，甚至掉块，最终形成轨道板脱空病害。
轨道系统一旦出现轨道板脱空现象，在受到温度梯度荷载和列车动荷载的反复作用，脱空区域与非脱空区域交界处的受力最不利，很容易使脱空区域增大。同时列车荷载的作用会强化轨道板对砂浆层的拍打效应，使砂浆层性能逐渐劣化，导致轨道板脱空现象日益加剧。
3 轨道板脱空对轨道结构性能的影响
3.1 计算参数
轨道板脱空后轨道结构整体性减弱，并对轨道结构的受力性能和列车运行安全产生不利影响。该文将以京沪高铁采用的CRTS II型板式轨道为例分析脱空状态下轨道板的受力特点，轨道结构的具体参数如下所述。
（1）标准轨道板总体尺寸为6.45 m×2.55 m×0.2 m，混凝土强度等级为C55，弹性模量取为36 GPa，泊松比为0.2，密度为2500 kg/m3；
（2）CA砂浆层厚0.05 m，弹性模量为300 MPa；
（3）混凝土底座板宽度3.0 m，高度0.3 m；混凝土强度等级为C30，弹性模量为32 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3。
另外，轨道板横向设置60根直径为10 mm的预应力钢筋，张拉应力为870 MPa，纵向通过6根直径为20 mm的精轧螺纹钢筋连接成整体。
3.2 模型的建立
该文采用大型有限元软件ANSYS建立CRTS II型板式轨道结构的三维空间模型，轨道板、CA砂浆层和混凝土底座板均采用solid45实体单元模拟，轨道板横向力筋和纵向螺旋筋均采用link8杆系单元模拟，并通过ANSYS软件中的约束方程将轨道板与钢筋连接为一体，轨道板与CA砂浆层间的脱空区域通过非线性弹簧单元模拟。轨道结构的有限元模型见图1所示。
3.3 计算结果分析
根据前述对脱空病害的分析可知，轨道板脱空位置主要出现在板端和板中，脱空长度一般为1 m左右，脱空高度1 mm以上，在此仅分析板中脱空状态下轨道板的受力特点，分两种情况进行分析，具体如下所述。
第一种情况，分析脱空长度0.6 m时，不同脱空高度下轨道板的竖向位移和应力变化情况，计算结果如表1所示。由表1可知，随着脱空高度的增加，轨道板的竖向位移和拉应力略有增加，但增幅不大，这说明脱空高度对轨道板的受力影响不大。
第二种情况，分析脱空高度为1 mm时，不同脱空长度下轨道板的竖向位移和应力变化情况，计算结果如表2所示。由表2可知，脱空长度小于1 m时，轨道板竖向位移应力变化不大，纵、横向拉应力值增幅很小，都在结构限值范围之内，对正常使用不会有太大影响。当脱空长度≥1 m时，轨道板的下沉位移和纵横向拉应力增幅较大，甚至超过了容许限制，易导致轨道板表面出现开裂，并影响结构正常使用，因此必须控制脱空长度的纵向扩展。
综合对比表1、表2可知，脱空区域的不同，会不同程度的影响轨道板的受力性能，同时相比于脱空高度，脱空长度对轨道板的竖向位移和受力影响更大，建议在日常的养护维修中，应把减缓和避免脱空长度的发展作为工作重点。
4 结语
（1）轨道板脱空是无砟轨道的常见病害之一，脱空长度一般为1 m左右，高度在1 mm以上；
（2）造成轨道板脱空原因很多，主要包括：前期灌浆施工不规范，材料特性，温度梯度和列车荷载等因素；
（3）脱空程度的不同，会对轨道结构的受力产生一定影响，且脱空长度变化较高度变化对结构受力性能的影响要大，应把控制脱空长度的发展作为养护维修的重点。
参考文献
[1] 杨俊斌，刘学毅，刘永孝，等.Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响[J].西南交通大学学报，2014，49（3）：432-436，512.
[2] 姬寒尽，贾鹏.CRTS II型板式无砟轨道砂浆离缝原因分析及整治措施[J].上海铁道科技，2015（1）：89，92-93.
[3] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：33-55.
[4] 杨俊斌，刘学毅，梁东，等.CRTSⅠ型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究[J].铁道标准设计，2013（6）：22-24，64.
关键词：CRTS II型无砟轨道 轨道板脱空 特征 成因 轨道板 竖向位移 拉应力
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0075-02
1 CRTS II型板式轨道病害的主要类型
随着国内外高速铁路的发展和客运专线的大范围修建，无砟轨道的病害日益显现。由于我国高铁正式投入运营的时间尚短，相关病害的研究工作开展相对滞后。我国的无砟轨道线路类型主要有3种：CRTS I型、CRTS II型和CRTS III型，京津线、京沪线、沪杭线、石武线大都采用CRTS II型板式轨道，根据现场调研发现，CRTS II型板式轨道病害主要有：承轨台破损、轨道板裂纹、宽接缝开裂；砂浆层裂纹、破损、掉块；轨道板与砂浆层离缝；底座开裂、侧向挡块破损、桥面防水层破坏；轨道板上拱和轨道整体下沉等病害。该文重点研究轨道板脱空的病害特征、成因及其影响。
2 轨道板脱空病害的发展机理
2.1 轨道板脱空的病害特征
板式轨道结构是由轨道板、CA砂浆支承层以及混凝土底座板组成的层状结构，在理想状态下，各层之间相互密贴，协同受力，层与层之间是不存在离缝的，轨道板处于完全支撑状态。由于轨道结构各部件力学特性不同，在材料差异、温度、列车荷载、收缩徐变、施工影响等多种因素作用下，轨道板与CA砂浆层之间往往存在离缝，使轨道板处于不完全支撑的状态。当离缝区域较大时，结构整体性遭到破坏，并影响轨道结构的受力性能，这种现象即为轨道板脱空病害。实地调研和分析表明轨道板脱空的主要特征为：轨道板板底与CA砂浆表层结合不密实，存在1 mm及以上的缝隙，且缝隙长度大于5 cm。
2.2 轨道板脱空的病害成因
根据现场调研以及理论分析认为，导致轨道板脱空的原因主要有以下几方面。
（1）前期灌浆施工不规范。CA砂浆主要靠沥青砂浆和水泥水化两种过程作用形成，其施工工艺好坏直接影响后期质量。如封边的水泥砂浆及精调限位装置去除不及时，轨道板受力约束，无法与CA砂浆共同释放温度应力，导致相互运动，产生离缝。另外，灌注速度不当，会使砂浆层排气不畅，产生气泡，砂浆凝固后，就会在轨道板与砂浆层间出现空洞。
（2）材料特性。CA砂浆与轨道板主要由乳化沥青与混凝土构成。沥青在高温与低温时，会分别呈现粘滞性与脆性，这也导致了CA砂浆在温度过高或过低时抗压性和韧性下降。另外，砂浆达到一定温度后，会产生高温收缩现象，而混凝土是热胀冷缩材料，高温时，砂浆和混凝土将分别发生收缩和膨胀，导致结合处产生张力，使轨道板与砂浆层相对伸缩，从而易使其脱离、剥落。
（3）温度梯度。根据相关研究，无论在夏季还是冬季，晴天或是阴天，轨道板内不同深度处的温度是不同的，由此引起轨道板的竖向变形也随之不同。理论计算表明，在正温度梯度条件下，容易形成轨道板中部离缝；负温度梯度条件下，容易引发轨道板端部离缝。
（4）列车荷载作用。CRTS Ⅱ型无砟轨道中，轨道板、CA砂浆层及底座板为整体连接承载系统。其中，CA砂浆属于高弹性材料，抗压缩能力强，且容易老化变形，是轨道结构中的最薄弱层。在长期列车荷载作用下，轨道板会发生翘曲变形，使其与砂浆在端部产生脱粘，再经雨雪的侵袭，及列车荷载的耦合作用，砂浆层会从边缘向内部开裂，甚至掉块，最终形成轨道板脱空病害。
轨道系统一旦出现轨道板脱空现象，在受到温度梯度荷载和列车动荷载的反复作用，脱空区域与非脱空区域交界处的受力最不利，很容易使脱空区域增大。同时列车荷载的作用会强化轨道板对砂浆层的拍打效应，使砂浆层性能逐渐劣化，导致轨道板脱空现象日益加剧。
3 轨道板脱空对轨道结构性能的影响
3.1 计算参数
轨道板脱空后轨道结构整体性减弱，并对轨道结构的受力性能和列车运行安全产生不利影响。该文将以京沪高铁采用的CRTS II型板式轨道为例分析脱空状态下轨道板的受力特点，轨道结构的具体参数如下所述。
（1）标准轨道板总体尺寸为6.45 m×2.55 m×0.2 m，混凝土强度等级为C55，弹性模量取为36 GPa，泊松比为0.2，密度为2500 kg/m3；
（2）CA砂浆层厚0.05 m，弹性模量为300 MPa；
（3）混凝土底座板宽度3.0 m，高度0.3 m；混凝土强度等级为C30，弹性模量为32 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3。
另外，轨道板横向设置60根直径为10 mm的预应力钢筋，张拉应力为870 MPa，纵向通过6根直径为20 mm的精轧螺纹钢筋连接成整体。
3.2 模型的建立
该文采用大型有限元软件ANSYS建立CRTS II型板式轨道结构的三维空间模型，轨道板、CA砂浆层和混凝土底座板均采用solid45实体单元模拟，轨道板横向力筋和纵向螺旋筋均采用link8杆系单元模拟，并通过ANSYS软件中的约束方程将轨道板与钢筋连接为一体，轨道板与CA砂浆层间的脱空区域通过非线性弹簧单元模拟。轨道结构的有限元模型见图1所示。
3.3 计算结果分析
根据前述对脱空病害的分析可知，轨道板脱空位置主要出现在板端和板中，脱空长度一般为1 m左右，脱空高度1 mm以上，在此仅分析板中脱空状态下轨道板的受力特点，分两种情况进行分析，具体如下所述。
第一种情况，分析脱空长度0.6 m时，不同脱空高度下轨道板的竖向位移和应力变化情况，计算结果如表1所示。由表1可知，随着脱空高度的增加，轨道板的竖向位移和拉应力略有增加，但增幅不大，这说明脱空高度对轨道板的受力影响不大。
第二种情况，分析脱空高度为1 mm时，不同脱空长度下轨道板的竖向位移和应力变化情况，计算结果如表2所示。由表2可知，脱空长度小于1 m时，轨道板竖向位移应力变化不大，纵、横向拉应力值增幅很小，都在结构限值范围之内，对正常使用不会有太大影响。当脱空长度≥1 m时，轨道板的下沉位移和纵横向拉应力增幅较大，甚至超过了容许限制，易导致轨道板表面出现开裂，并影响结构正常使用，因此必须控制脱空长度的纵向扩展。
综合对比表1、表2可知，脱空区域的不同，会不同程度的影响轨道板的受力性能，同时相比于脱空高度，脱空长度对轨道板的竖向位移和受力影响更大，建议在日常的养护维修中，应把减缓和避免脱空长度的发展作为工作重点。
4 结语
（1）轨道板脱空是无砟轨道的常见病害之一，脱空长度一般为1 m左右，高度在1 mm以上；
（2）造成轨道板脱空原因很多，主要包括：前期灌浆施工不规范，材料特性，温度梯度和列车荷载等因素；
（3）脱空程度的不同，会对轨道结构的受力产生一定影响，且脱空长度变化较高度变化对结构受力性能的影响要大，应把控制脱空长度的发展作为养护维修的重点。
参考文献
[1] 杨俊斌，刘学毅，刘永孝，等.Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响[J].西南交通大学学报，2014，49（3）：432-436，512.
[2] 姬寒尽，贾鹏.CRTS II型板式无砟轨道砂浆离缝原因分析及整治措施[J].上海铁道科技，2015（1）：89，92-93.
[3] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：33-55.
[4] 杨俊斌，刘学毅，梁东，等.CRTSⅠ型轨道板中部砂浆离缝对轨道竖向变形与受力研究[J].铁道标准设计，2013（6）：22-24，64.