温度荷载作用下纵连板式无砟轨道台后锚固结构受力变形特性

刘 浩，江 成，姜子清，郑新国，张志远，赵 磊

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.中国铁路上海局集团有限公司工务部，上海 200071）

纵连板式无砟轨道修建过程中，会在路桥过渡段设置由摩擦板、端刺及过渡板组成的台后锚固结构。台后锚固结构承受桥梁轨道结构传递的纵向荷载，实现轨道结构的连续铺设和路桥刚度的过渡，该结构相继在京津城际、京沪、沪杭等高铁线路中应用［1-3］。然而，运营期锚固结构承受由于气候变化产生的极端温度荷载，导致端刺、摩擦板与路基填料间脱空、离缝［4］，甚至出现轨道板上拱变形，影响轨道结构的稳定性和线路的平顺性，给高速列车安全运行带来巨大威胁。

台后锚固结构依据端刺结构可分为倒T 型和Ⅱ型2 种，国内外学者采用模型试验、理论分析和数值仿真等方法对台后锚固结构的力学行为进行了大量研究。姜子清等［5］研究表明带肋摩擦板可有效增加锚固结构的纵向刚度，减小荷载作用下倒T型端刺的纵向位移；董亮等［6］对比分析了倒T型和Ⅱ型端刺结构在温度荷载和制动力作用下的受力变形特征，提出工程使用建议；魏强等［7］采用非线性弹簧描述土体与端刺结构之间的相互作用关系，从结构变形、周围土压力等方面提出了端刺结构优化方法；贺欣等［8］基于等效线性的原理，构建了倒T 型端刺的动力学分析模型，并进行端刺结构低动力优化设计；梅大鹏等［9］基于“m”法，以非线性弹簧表征土体与端刺结构之间的相互作用，分析了端刺结构对无缝线路力学行为的影响，提出了短路基端刺结构的加强方案；赵磊等［10］对温度荷载作用下的无砟轨道整体纵向力传递规律及锚固结构的力学行为进行分析，发现主端刺位置应力较大，并且其上轨道板与底座板会产生差异变形。已有研究成果主要关注锚固结构在纵向力作用下的力学行为，对考虑温度荷载、填筑土体性能劣化等因素作用下的锚固结构力学特性研究尚不充分。

基于纵连板式无砟轨道结构体系传力特征，建立桥梁-轨道结构-锚固结构-路基的三维有限元模型，模拟分析温度荷载作用下和填筑材料劣化条件下的台后锚固结构受力变形特性。

1 锚固结构服役状态

对某高铁无砟轨道台后锚固结构服役状态进行跟踪调研，结果表明：在温度荷载作用下，台后锚固结构过渡板与路基支承层连接处会产生离缝，且呈现出季节性变化的特征，冬季低温时离缝增大，随着温度的升高，离缝减小并逐渐闭合，并造成支承层混凝土发生挤压破裂，如图1所示。

图1 过渡板与路基支承层间离缝变化情况

根据路桥过渡段范围内锚固结构变形观测结果，过渡板与路基支承层间离缝变化值与温度荷载关系明显，低温条件下的离缝量较大，锚固结构水平位移朝向桥台，当温度降低9 ℃时（气温从8 ℃下降至-1 ℃），离缝量从3.8 mm 增大至7.2 mm；温度升高至35 ℃以上时，产生接触挤压现象。由于支承层存在横向切缝，且考虑到路基和砂浆层的约束，故温度荷载下的变形量很小［11］。由此可见，过渡板与支承层之间的离缝主要是由于锚固结构纵向位移引起的。文献［6］和［12］研究表明，纵连板式无砟轨道需严格控制台后锚固结构变形，锚固结构最大纵向位移设计限值要求为3 mm。可知，温度荷载作用下锚固结构变形已超出规范要求。此外，锚固结构变形可能会导致端刺与土体界面处产生脱空，由于脱空属于内部隐蔽性伤损，目前难以通过检测手段获得脱空位置及范围，有必要对其进行深入研究，控制锚固结构变形。

2 锚固结构仿真

2.1 有限元模型

参照某工程纵连板式无砟轨道台后锚固结构设计图［13］，本文仿真中锚固结构具体尺寸如图2所示。

图2 台后锚固结构（单位：m）

台后锚固结构布置在整个路桥过渡段范围，每个端刺垂直线路方向的宽度为12.0 m，主端刺与次端刺中心间距为9.0 m，次端刺与相邻小端刺中心间距为8.5 m；小端刺按照其高度分为2 类，其中1.0 m 高小端刺纵向中心间距为3.5 m，1.5 m高小端刺纵向中心间距为4.5 m。锚固结构靠近桥台范围采用掺水泥的级配碎石进行填筑，而远离桥台部分则同普通路基一致，采用AB 组填料进行填筑，其中掺水泥的级配碎石与AB 组填料分界面坡度为1∶2，分界面顶部距离桥台20.85 m。

采用有限元软件ANSYS 建立台后锚固结构仿真分析模型，如图3所示。模型分为路基段、路桥过渡段和桥梁段3 部分。模型总长143.5 m，其中路基段长20.0 m，路桥过渡段长59.5 m，桥梁段长64.0 m。实际结构关于路基中心对称，模型宽度取为6.0 m。

图3 台后锚固结构仿真分析模型

为了更好地模拟桥梁侧传递至锚固结构的纵向位移与荷载，按照纵连板上无砟轨道无缝线路计算，考虑桥台侧2 跨32 m 简支梁作为边界条件。模型中摩擦板、端刺、过渡板及锚固结构范围土体均采用实体单元模拟；锚固结构表面与填筑材料之间采用非线性接触的方式模拟荷载的传递；简支梁与钢轨采用空间梁单元；桥墩刚度、扣件阻力及砂浆层的约束均采用弹簧单元；桥上轨道板、底座板采用壳单元。因桥台刚度远大于土体，会约束土体变形，模型中将桥台作为土体边界条件考虑。

锚固结构混凝土采用线弹性材料本构模型；填料土体采用弹塑性本构模型，并满足Drucker-Prager 屈服准则（简称“DP 屈服准则”）［5-6］。既有数值模拟研究中均将AB 组填料体简化为连续介质，虽然满足DP 屈服准则，但是仍会造成土体承受拉应力，从而高估AB 组填料的约束作用。模型中采用迭代的方法确定AB 组填料拉应力较大的界面，并以面面接触的方式重新定义此界面的传力方式，避免AB 组填料间过大拉应力的存在。但该方法仅适用于AB 组填料内部，并不适用于AB 组填料与锚固结构接触面。

轨道结构及桥梁结构材料的计算参数参考文献［11］取值。锚固结构、AB 组填料及级配碎石的计算参数汇总见表1。

表1 模型主要计算参数

2.2 温度荷载

桥梁温度改变会使得桥梁范围轨道板、底座板等承受附加荷载，并传递至锚固结构。桥梁温度变化幅度参考文献［11］取值，为±30 ℃。

参考已有关于无砟轨道温度场分布特征的研究成果［14］，按照文献［11］中提出将混凝土收缩徐变应变简化为降温考虑，底座板温度变化幅度为-60～30 ℃，轨道板变化幅度-30～40 ℃。

锚固结构是隐蔽于路基填料中，与暴露在外界环境中的轨道结构相比，锚固结构温度变化幅度在高温季节较低，低温条件下则较高，其温度场分布研究较少。参考路基温度监测结果［15］，锚固结构温度变化幅度取-40～10 ℃，其中降温幅度中也包含了混凝土收缩徐变的影响。

后续分析中均以纵连板式无砟轨道结构的锁定板温作为整个模型的初始温度，并设置为0 ℃，从而简化温度荷载的施加，模型中所有混凝土结构的线膨胀系数均相同，取为1.0×10-5℃-1。由于无缝线路钢轨处于固定区，其温度变化不会引起锚固结构的附加荷载，因此计算中不考虑钢轨温度变化。

3 台后锚固结构受力变形

采用前文所建立的有限元模型，分别考虑温度荷载作用于锚固结构，温度荷载作用于模型整体，温度循环荷载和填筑材料劣化4 种工况，模拟分析路桥过渡段锚固结构受力特性。其中，温度循环荷载工况及材料劣化工况中温度荷载均作用于模型整体。

3.1 温度荷载作用于锚固结构

由于锚固结构混凝土体积较大，温度变化会对其变形产生较大影响。考虑锚固结构中端刺、摩擦板和过渡板整体温度变化，分析不同升、降温荷载对锚固结构受力变形的影响。

1）升温

锚固结构升温值分别取10，20，30 和40 ℃，锚固结构顶面中心位置的纵向位移分布如图4所示。图中，横坐标为距锚固结构左端点的距离（左端点为锚固结构过渡板与路基支承层结合处），纵坐标为锚固结构顶面纵向位移，向右为正。由图4可知：升温工况下的锚固结构呈现出朝向路基侧的变形规律，最大位移位于过渡板和路基支承层处，因桥台纵向刚度大，靠近桥台处的摩擦板纵向位移相对要小；升温20 ℃时，最大纵向位移已经达到3.7 mm，已经超过限值3.0 mm，并且随升温幅度的增加而增加。

图4 升温工况下锚固结构位移计算结果

土体对端刺变形的约束作用使得土体承受较大的压应力，升温20 ℃时土体应力分布如图5所示，以拉应力为正。由图5 可知：锚固结构升温20 ℃时，土体承受的最大压应力为89.9 kPa，位于主端刺位置处；而摩擦板范围内小端刺处土体受力较为均匀。此外，土体所承受的压应力最大值与端刺结构温度之间近似呈线性关系，升温值从10 ℃增加至40 ℃，应力增大约17.8%。

图5 升温20 ℃时路基土体主应力云图（单位：Pa）

锚固结构变形过程中，在靠近主端刺位置处与土体界面处产生竖向脱空，其长度范围约为3 m，如图6所示。由图6 可知：随着锚固结构升温幅度的增加，脱空值随之增大，当锚固结构升温幅度为40 ℃时，最大竖向脱空值达1.72 mm。

图6 竖向脱空

2）降温

锚固结构降温值分别取10，20，30 和40 ℃，锚固结构顶面中心位置的纵向位移分布如图7所示。由图7 可知：降温条件下锚固结构朝向桥台侧移动，最大位移同样位于过渡板和路基支承层连接处，降温20 ℃时的最大位移为3.6 mm（升温20 ℃时为3.7 mm）。

图7 降温工况下锚固结构顶面纵向位移

此外，锚固结构温降荷载工况下，主端刺与土体界面间出现纵向和竖向脱空，纵向和竖向脱空值与降温值关系曲线如图8所示。由图8 可知：降温工况下，无论是竖向还是纵向脱空，均随着降温幅度的增加而近似呈线性增大；当降温幅度为40 ℃时，主端刺靠近路基侧最大纵向脱空值达1.38 mm，最大竖向脱空值可达3.9 mm。

图8 脱空值与降温值关系

综上，锚固结构的受力变形特征受自身温度变化的影响较为明显，且低温条件对结构的锚固性能更为不利。无论是升温或降温工况，当温度变化幅度超过20 ℃，锚固结构最大的位移量均超过3.0 mm，并造成端刺与土体接触界面存在脱空，使得锚固结构处于一种不稳定的锚固状态。

3.2 温度荷载作用于模型整体

对于纵连板式无砟轨道台后锚固结构，其变形过程是受自身温度应力、桥梁及轨道结构温度应力共同作用的结果。基于2.2 节的温度取值参数，开展温度荷载作用于模型整体（桥梁、轨道、锚固结构及路基填料）时锚固结构受力变形特性分析，各结构部位的温度荷载均取2.2 节中的最大值。升温工况中，桥梁、底座板、轨道板、锚固结构的升温值分别为30，30，40 及10 ℃；降温工况中，其对应的降温值分别为30，60，30及40 ℃。

图9 为升、降温工况中锚固结构顶面沿纵向的位移分布图。由图9可知：温度荷载作用于模型整体时，端刺纵向位移规律与温度荷载仅作用于锚固结构时的变化规律一致，但是数值上有一定的差异；升、降温工况下最大位移分别为2.99 mm 与8.27 mm，相对单独考虑锚固结构温度变化时结果最高增幅为64.3%。可见，桥梁、轨道结构温度荷载与锚固结构温度荷载叠加造成的影响更大。因此，在锚固结构受力变形分析中需同时考虑整体结构的温度变化。

图9 锚固结构纵向位移

因模型整体温度变化引起的锚固结构纵向位移更大，因此端刺与土体接触面之间的脱空范围和脱空值也就会更大，图10 为升温、降温工况下接触界面的位移云图。由图10 可知：升温工况中主端刺左侧存在竖向脱空，对应的脱空值为0.81 mm，相对锚固结构单独升温时的脱空值（0.15 mm）有了显著增加；降温工况中主要表现为纵向脱空，位于主端刺侧边与土体接触面处，脱空值达到4.09 mm，相对锚固结构单独降温（1.38 mm）时的增幅高达196.7%。

图10 结构位移云图（单位：m）

3.3 温度循环荷载

以上研究是针对特定温度荷载下的锚固结构受力变形分析，而轨道及锚固结构温度会随着外界温度的周期变化而变化；同时，荷载历程下的土体可能会发生塑性累积变形，从而影响锚固结构的受力变形特性。因此，考虑整体结构温度“升-降-升”周期循环变化，取2.2 节中各结构最大升、降温幅度，分析温度循环荷载作用下的锚固结构变形特征。计算中以“升-降”为1个循环周期。

图11 为不同温度循环周期数对应的锚固结构纵向位移最大值计算结果。由图11可知：1次温度循环荷载作用下的锚固结构纵向位移最大值和界面脱空最大值均较大，随着循环周期数的增加，二者均趋于稳定；锚固结构正向（桥梁方向）位移最大值在8.5 mm 以内，负向（路基方向）位移最大值在3.0 mm 以内；循环过程中的竖向和纵向脱空最大值分别控制在0.9和4.0 mm范围内。

图11 温度循环荷载下锚固结构纵向位移及脱空值

可见，当路基填料的力学性能在线路运营过程中能够较好地保持时，锚固结构的纵向位移及结构与填料之间的脱空值均随温度变化发生周期性变化，但最大值基本稳定。这也与现场跟踪观测的结果一致。尽管台后锚固结构处于一种较稳定的变化状态中，但是应该重点关注结构变形引起的轨道结构次生病害。

3.4 填筑材料劣化

通过将路基填料参数折减为原设计值的0.7倍，来模拟其随服役时间延长而发生的力学性能退化。以单次整体温度荷载作用下的结构变形为例，计算填筑材料劣化的影响。计算结果汇总见表2，温度荷载同3.2节取值。

由表2 可知：路基填料性能的劣化会造成结构纵向位移及脱空值的增加；升温工况下，填料劣化引起的锚固结构纵向位移增加了0.57 mm，增加幅度为19.3%，竖向脱空值增加了0.25 mm，增加幅度达30.86%；降温工况下，填料劣化引起的纵向位移增加幅度为4.2%，纵向脱空值增加幅度为2%，竖向脱空值增加0.6 mm，增加幅度达31.9%。可以看出，填筑材料劣化对竖向脱空影响明显，端刺锚固性能保持的关键是保证填料的力学性能。

4 结论

（1）纵连板式无砟轨道台后锚固结构纵向位移及结构与填料界面之间的脱空均与温度荷载显著相关，并随着温度变化幅度的增加而增大；当考虑轨道、桥梁及锚固结构整体温度变化时，对应的纵向位移与脱空值相对温度荷载作用于锚固结构时的增幅分别高达64.3%和196.7%。

（2）台后锚固结构在经历多个温度循环荷载作用后，其纵向位移和脱空值会逐渐达到稳定状态，正、负向位移最大值分别稳定在8.5 和3.0 mm，竖向和纵向脱空最大值分别稳定在0.9和4.0 mm。

（3）路基填料力学性能的劣化会造成台后锚固结构纵向位移及结构与填料界面之间的脱空值有较大幅度的增加，当路基填料力学性能折减为原设计值的0.7 倍时，锚固结构位移及脱空值的增幅分别高达19.3%和31.9%。