温度梯度作用下板式轨道黏弹性和弹性分析的对比

第51卷第7期2020年7月

中南大学学报(自然科学版)

Journal of Central South University (Science and Technology)

V ol.51No.7

Jul.2020

温度梯度作用下板式轨道黏弹性和弹性分析的对比

张艳荣，吴楷，高亮，蔡小培，严熵(北京交通大学土木建筑工程学院，北京，100044)

摘要：考虑水泥乳化沥青(CA)砂浆层黏弹性，对CA 砂浆计算参数进行Prony 级数转化，然后通过复合试件试验与有限元建模分析验证引入黏弹性参数的合理性与准确性，进一步分析轨道结构受温度梯度作用产生的垂向应力和位移，同时结合内聚力模型研究层间脱黏发展规律，并与弹性模型的计算结果进行对比。研究结果表明：与弹性模型相比，黏弹性模型的模拟结果与试验结果更为接近；在正负温度梯度作用下，基于黏弹性模型计算的最大垂向应力和最大位移均比弹性模型的大；正温度梯度作用下层间脱黏由板边0.2~0.4m 处萌生并向板边和板中扩展，在负温度梯度作用下，层间脱黏由板边萌生并向板中扩展；与弹性模型相比，黏弹性模型中层间脱黏的贯通温梯较小，最大开口高度和扩展宽度较大且发展更加迅速，说明考虑CA 砂浆层黏弹性是必要的。

关键词：温度梯度；黏弹性；垂向应力；垂向位移；层间脱黏中图分类号：U213.2

文献标志码：A

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号：1672-7207（2020）07-2028-11

Comparison of viscoelastic and elastic analysis of slab track under

temperature gradient loading

ZHANG Yanrong,WU Kai,GAO Liang,CAI Xiaopei,YAN Shang

(School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract:Considering the typically viscoelastic properties of cement emulsified asphalt(CA)mortar,the computational parameters of CA mortar were firstly transformed into Prony series.Then the reasonableness and accuracy of introducing viscoelastic parameters were verified by comparing the measured results of composite specimens with the calculated ones of a viscoelastic finite element model.The vertical stresses and displacements of track structure caused by temperature gradient loading were further analyzed and compared with the calculation results of elastic model.The evolution of interlayer debonding was studied by a cohesive zone model.The results show that the simulation results of viscoelastic model are closer to the experimental values than those of elastic model.Under the action of positive and negative temperature gradient,the maximum vertical stresses and maximum displacements calculated by the viscoelastic model are larger than those by the elastic model.Under positive temperature gradient loading,the interlayer debonding initiates at 0.2−0.4m away from the edge of the

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.07.028

收稿日期：2019−09−03；修回日期：2019−12−03

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51608032，51578056)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

(2018JBM041)(Projects(51608032,51578056)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project (2018JBM041)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

通信作者：高亮，教授，从事轨道结构力学研究；E-mail:

*************.cn

第7期张艳荣，等：温度梯度作用下板式轨道黏弹性和弹性分析的对比

slab,and then extends to the middle and the edge of concrete slab.Under negative temperature gradient loading, the interlayer debonding initiates at the edge of the slab and extends to the middle of concrete pared with the results of elastic model,the penetration temperature gradient of debonding is lower in the viscoelastic model.

The maximum opening height and extension width of debonding present larger values and faster development in the viscoelastic model than those in the elastic model.

Key words:temperature gradient;viscoelasticity;vertical stress;vertical displacement;interlayer debonding

经过多年高速发展，我国高铁取得了举世瞩目的成就。截至2018年底，高铁运营里程已突破2.5万km，居世界第一位。无砟轨道凭借一系列优势逐渐取代传统的有砟轨道，成为我国高铁的主要结构形式。其中，CRTS II型板式轨道由于较好的性能和较为成熟的技术得到了广泛应用。CRTS II型板主要由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、底座板等组成。该结构中轨道板和底座板全线纵连，可实现连续跨过梁缝，不受桥梁外形结构与桥跨的限制，安装铺设便利。然而，当环境温度变化时，纵连的轨道结构在温度梯度下产生翘曲应力[1]，容易造成轨道板两端宽接缝处破坏，形成裂缝、离缝等损伤，进而严重危害轨道结构的平顺性、列车运行的舒适性与安全性。为了延缓并减少损伤的产生，进一步提高CRTS II型板的安全性、降低养护维修成本，研究人员对温度梯度分布及温度荷载下的轨道力学性能进行了大量研究。戴公连等[2]基于大量现场监测数据得到纵连板式轨道内温度分布规律及横、竖向温度梯度荷载模式。刘钰等[3]采用最小二乘法分析气温、轨道结构实测温度和结构深度的关系，并提出对轨道板温度及温度梯度的预估模型。王雪松等[4]提出纵连后的轨道板在温度梯度下的变形减小，板角和板边变形趋势一致，板端和板中变形趋势一致。陈龙等[5]结合推板试验选取黏结参数，基于黏结滑移模型分析了极限温度梯度荷载作用下CRTS II型轨道板与砂浆层间破坏规律。ZHU等[6]采用ABAQUS子程序模拟真实温度梯度变化，建立了非线性黏结模型分析CRTS II型板的界面破坏规律，并分析了层间破坏对板式轨道动力响应的影响。CA砂浆作为轨道板与混凝土道床之间的黏结层，起到支承、调节、隔振和传力的作用。在温度荷载下CA砂浆层与轨道板的变形协调性，对CRTS II型板式轨道多层结构的整体力学性能和伤损的发生有重要影响。在既有的无砟轨道仿真模型中，CA砂浆通常被简化为弹性材料来模拟轨道整体结构的力学性能，其明显的黏弹性被忽略。这种假设会使模型计算结果存在差异，从而可能导致模拟结果与真实情况存在较大偏差。为此，本文作者考虑CA砂浆的黏弹性，基于黏弹性理论和有限元方法建立含有黏弹性参数的CRTS II型轨道结构仿真模型，研究其在温度荷载下的力学性能。首先，通过复合试件试验与有限元建模分析，验证引入黏弹性参数的合理性与准确性；然后，基于该黏弹性模型分别计算正、负温度梯度下轨道结构沿横向的垂向应力和位移，并与弹性模型的计算结果进行对比；最后，结合内聚力模型对比分析CRTS II型板病害产生的原因及扩展过程，讨论考虑CA砂浆黏弹性的必要性。

1黏弹性基本理论

1.1Burgers本构模型

CA砂浆是由表现为弹性的水泥砂浆和表现为黏性的沥青构成的典型的黏弹性材料，其形变与时间的关系介于纯弹性体和纯黏性体之间。纯弹性体和纯黏性体的理想假设模型分别为弹簧和黏壶(如图1(a)和(b)所示)，将弹簧和黏壶进行组合(串联和并联)，即可建立黏弹性体的各种理论模型。

Maxwell模型和Kelvin–V oigt模型分别如图1 (c)和(d)所示，它们是描述黏弹性材料流变行为的基本模型，其中，Maxwell模型仅能够反映材料的应力松弛，而Kelvin–V oigt模型仅能反映材料的蠕变行为。结合这2种模型的优点，将Maxwell模型和Kelvin–V oigt模型串联构成Burgers模型，即图1(e)所示的四元件模型。不同沥青与水泥质量比(m

A

/m

C

)的CA砂浆均可用Burgers模型模拟[7]。

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