CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构上拱变形原因分析

刘振宇邓逆涛李泰灃陈锋王李阳

1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；
2.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

CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构是指设置在路桥过渡段上由摩擦板、端刺、过渡板等部件组成的结构，一般分为倒T形和π形。台后锚固体系主要功能是承担桥梁上传来的纵向力，保证路基段轨道系统的稳定性，以及通过降低不同结构间刚度差，确保结构间协调变形及纵向刚度平顺过渡［1］。

已有众多学者针对台后锚固结构在纵向力作用下引起的变形及应力变化作了研究。董亮等［1］采用数值模拟和现场监测手段，分析了端刺结构在温度力和制动力条件下应力分布及纵向位移变化规律。刘玮玮［2］采用数值模拟方法计算分析了倒T形和π形断刺结构的动力响应特征，表明主端刺处竖向加速度较大、竖向位移较小。曹智腾［3］建立了端刺区路基不均匀沉降条件下无砟轨道-锚固结构-路基有限元模型，计算分析了不同沉降参数影响下端刺结构静力学特性，路基沉降波长一定时，无砟轨道受力和变形随幅值的增大而增大；
幅值一定时，受力和变形随波长先增大后减小。袁玲妍［4］建立了端刺区路基不均匀沉降条件下列车-轨道-路基有限元模型，计算分析了不同沉降参数影响下端刺结构动力学特性，根据动力学特性提出了路基沉降幅值应小于20 mm/20 m。魏强等［5-6］采用现场试验的方式得到了端刺结构在设计荷载条件下纵向位移和纵向力分布特点；
同时提出了无砟轨道台后锚固结构的解析计算方法，并采用现场试验验证了其正确性。刘浩等［7-8］建立三维有限元分析模型，计算分析了温度场对台后锚固结构竖向变形的影响；
同时对运营期高速铁路台后锚固体系展开年际变形监测和现场调研，纵连式台后锚固结构温度效应明显，端刺锚固结构变形会影响过渡板与支承层连接部位附近的宽窄接缝状态。

沪昆高速铁路自2014年竣工以来，部分区段出现上拱变形，轨道线形受到明显影响。其中，K385+084地段位于平塘特大桥大里程端桥墩台与路基结合处附近；
K385+340地段位于上山溪特大桥小里程端桥墩台与路基结合处附近，两地段之间为路基结构。

2014年与2020年区段上行线左轨线形垂向偏差对比见图1。可知，在K385+091处累计最大抬升量达29.3 mm；
K385+088与K385+352处线形变化趋势相同，均是在路桥结合处垂向变形较大，K385+088处平均垂向偏差24.1 mm，K385+352处27.1 mm；
在过渡段处垂向偏差有较大程度回落，K385+088处平均垂向偏差12.0 mm，K385+352处5.5 mm。这是由于台后锚固结构作为大体积混凝土结构，有效抑制了路基上拱对轨道垂向偏差的影响所致。由此可知，路基上拱对路桥结合处影响较大，但对由台后锚固结构组成的过渡段影响较小。

图1 2014年与2020年上行线左轨垂向偏差对比

K385+361断面路基高度约2.7 m，在路桥过渡段桥台附近埋设4个单点位移计，深度为1.0、2.0、3.5、5.6 m。某时间段路基分层变形见图2。可知，最大上拱变形为4.63 mm，平均变形速率为0.35 mm/月，近一个月变形速率为0.30 mm/月。路基0~1.0 m深度内累积上拱变形在0左右，0~2.0、0~3.5、0~5.6 m深度内累积上拱变形均在4 mm以上，可知路基上拱变形主要发生于1~2 m深土层内，桥台附近路基上拱变形随温度的周期性变化影响不显著。

图2 不同深度路基变形时程曲线

沿摩擦板纵向布置的7个静力水准仪，间隔6～7 m，表面温度时程曲线及上拱变形时程曲线见图3。可知：靠近桥台的监测点1和2上拱变形对温度的周期性变化影响不显著，最大上拱变形为4.71 mm，与分层变形时程曲线数据基本吻合，2020年10月末上拱变形与最大上拱变形之差仅为0.93 mm。监测点3—6上拱变形与温度呈现明显的正相关性，最大上拱变形均在2021年7月中旬地表温度最高时达到，为2.04~2.83 mm，2021年10月末上拱变形基本为0。监测点7与温度呈现一定的相关性，在-1~1 mm振荡。

图3 摩擦板表面温度和上拱变形时程曲线

综上，CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构在靠近桥台处上拱变形由路基上拱引起，这与轨道垂向偏差数据体现的规律相吻合；
在其中部的上拱变形主要由桥上温度纵向力引起，在年度温度的周期性变化条件下随之呈现周期性变化；
在靠近大端刺处的变形总体上与温度的相关性不强。

K385+361过渡段混凝土结构产生了多种裂缝，如图4所示。其中，横向挡块本是约束轨道结构横向位移和竖向位移的装置，可以将温度纵向力向大端刺方向传递，但在本次调研中发现多处横向挡块未有纵向滑动痕迹，且横向挡块表面产生明显的拉裂缝（图5），可知横向挡块本身在年度温度的周期性变化条件下产生了很大的应力，推知横向挡块约束了温度纵向力的传递，进而导致轨道结构和台后锚固结构产生上拱变形。

图4 路桥过渡段处轨道结构破损

图5 横向挡块拉裂缝

采用有限元软件建立K385+361过渡段台后锚固结构数值分析模型，总长度为62.73 m，高度为4.4 m，如图6所示。其中桥台长度为6.73 m，路桥过渡段长度为56 m，由于实际结构关于路基中心对称，所以取模型宽度为4.5 m，摩擦板厚度为0.4 m，其下设置11个高度为1 m的小端刺。倒T形主端刺上部竖墙厚度为1 m，高度为2.75 m，下部底板沿线路纵向为8 m。锚固结构范围内土体由级配碎石掺水泥填筑。

图6 倒T形台后锚固结构有限元模型

模型各组成部分均采用八节点减缩积分六面体单元模拟。轨道结构、底座板、摩擦板等混凝土结构采用线弹性模型，级配碎石层采用Mohr-Coulomb非线性模型。底座板与摩擦板之间滑动摩擦因数为0.5；
摩擦板与级配碎石层采用库伦摩擦理论，摩擦因数为0.5。模型主要结构计算参数见表1。

表1 模型主要结构计算参数

在摩擦板上每隔5.7 m设置1对横向挡块，第1对横向挡块距离路桥结合处1.6 m，共设置8对。实际计算中每次绑定1对挡块的纵向位移，用以模拟挡块限制温度纵向力向大端刺传递的工况。轨道结构承担的温度力荷载以分布力的形式进行模拟，加载位置位于桥台顶面轨道板和底座板横截面上，作用于轨道板和底座板横截面上的温度力为5.5 MN［9］。

贝叶斯网络是一种典型的图形化概率模型，可以结合故障当中所出现的各类型定量信息以及定性信息，同时还是可以实现故障出现之前的信息与故障发生时的信息的有效整合，进行统一化的利用，所以利用这一方法去诊断车门故障的时候，现场信息不够完善是不会对诊断结果产生很大的影响的。与此同时，利用这一方法，可以有效预测车门故障的出现概率，这也是该方法的最大优势。

各横向挡块阻挡温度纵向力传递工况下最大纵向变形分布规律见图7。可知：最大纵向变形出现于被绑定挡块处，表明在该处其温度应力达到最大。随着被绑定横向挡块向大端刺方向移动，最大纵向变形量线性减小，绑定1#、8#横向挡块时其最大纵向变形分别为1.80、0.31 mm，表明底座板与摩擦板之间的滑动摩擦在该过程中发挥了显著作用。不论绑定哪一对横向挡块，摩擦板的纵向变形均没有超过3 mm，表明在该工况下摩擦板的纵向变形满足要求。

图7 最大纵向变形规律

各横向挡块阻挡温度纵向力传递工况下摩擦板上拱变形曲线见图8。可知，最大上拱变形出现于被绑定挡块位置处。在最大上拱变形过后摩擦板会出现一段下沉变形，之后是一段波长较长且幅值较小的上拱变形，这是由于摩擦板的变形协调条件所致，此规律与现场监测数据中监测点7规律基本吻合。同时，在大端刺顶面处出现一个幅值较小的上拱变形值，这是由于大端刺处刚度过大所致。

图8 摩擦板上拱变形规律

各横向挡块阻挡温度纵向力传递条件下最大上拱变形分布规律见图9。可知，最大上拱变形呈现先增大后减小的趋势。在绑定3#横向挡块时最大上拱变形达到极大值5.23 mm，已超过5 mm。在绑定4#—6#横向挡块时最大上拱变形分别为4.52、3.33、2.61 mm，与现场监测中监测点3—6数据基本吻合。

图9 最大上拱变形规律

各横向挡块阻挡温度纵向力传递条件下上拱变形波长分布规律见图10。可知，在绑定1#—4#横向挡块时，上拱变形波长线性增大，最大可至25 m左右；
在绑定4#—8#横向挡块时，摩擦板上拱变形波长稳定在25 m左右。

图10 上拱变形波长规律

本文采用轨道线形测量、现场监测、现场调研及数值分析等手段，分析了沪昆高速铁路K385+361过渡段上拱变形的原因，得到以下结论：

1）自竣工以来该区段路基存在上拱现象，路基上拱变形主要发生于路基1~2 m深度土层内，且在路桥结合处上拱现象较为显著，但在过渡段靠近大端刺方向由路基引起的上拱现象得到有效抑制。

2）靠近路桥结合处摩擦板上拱变形与温度变化相关性不强，在过渡段中部的摩擦板上拱变形与温度变化相关性较为显著，靠近大端刺处摩擦板上拱变形与温度变化有一定相关性。

3）现场调研发现过渡段处混凝土结构多处出现横向裂缝，横向挡块处未发现纵向滑动的痕迹，且横向挡块多处出现斜向拉裂缝，表明横向挡块在温度纵向力作用下应力较大。

4）横向挡块阻挡温度纵向力传递工况下摩擦板最大纵向位移不超过3 mm，且随着绑定挡块由桥头向大端刺方向移动线性减小；
在绑定4#—6#横向挡块时与现场监测中监测点3—6数据基本吻合，可推测过渡段中部随温度变化引起的上拱量主要是由上述3对横向挡块传递温度纵向力不畅导致。