CRTSⅡ型板式軌道施工過程中軌道板受力特性分析

史克臣

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅蘭州 730000)

目前，我國高速鐵路運營里程已達近萬公里，無砟軌道以其高平順性、高穩定性和少維修的優勢得到廣泛應用，采用無砟軌道的線路已達50%以上。我國高速鐵路的無砟軌道主要有板式軌道和雙塊式無砟軌道兩大類，其中板式軌道的優點更為突出，表現為軌道幾何尺寸的高精度容易得到保證，現場施工量少，軌道精調量少，因此，我國無砟軌道線路中，鋪設板式軌道的比例達到近80%。

研究認為，無砟軌道作為混凝土結構，初始傷損是其長期服役過程中劣化破壞的主要原因。在國內CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ型板式軌道中，軌道板的尺寸(長×寬×厚)分別為4.96 m×2.40 m×0.19 m，6.45 m×2.55 m×0.20 m和5.60 m×2.50 m×0.21 m，CRTSⅡ型軌道板尺寸相對較大，施工過程中受起吊、支撐及溫度作用的影響較大。因此，本文以CRTSⅡ型板式軌道為研究對象，通過建立有限元計算模型進行計算分析，研究其在施工過程中軌道板的受力特性，為優化設計和施工控制提供依據。

1 計算模型和參數

CRTSⅡ型軌道板由10個承軌臺構成，每個承軌臺中心間距為650 mm。軌道板為橫向單向預應力結構，鋼筋布置7層，每個承軌臺范圍內布置6根φ10的橫向預應力筋，沿軌道板中性軸以下10 mm布置，施加預應力870 MPa;縱向設6根φ20精軋螺紋鋼筋(HRB500)，用于軌道板縱連;其余為φ8普通鋼筋。采用ANSYS軟件建立的計算模型如圖1所示。劃分單元近20萬個，其中軌道板混凝土采用實體Solid45單元模擬;普通鋼筋和預應力鋼筋采用Link8單元模擬，預應力的施加采用降溫法，軌道板下的彈性墊層采用Solid45單元模擬。由于CRTSⅡ型板式軌道是典型的縱連板，為使單塊軌道板受力條件更加趨于縱連板真實環境，對軌道板模型兩端施加鏡像約束進行模擬。圖2為局部模型，側面黑點為內部鋼筋端部。軌道板混凝土強度等級為C60，彈性模量為36 000 MPa，泊松比為 0.2，密度為2 500 kg/m3，抗拉強度為2.04 MPa，抗壓強度為27.5 MPa;鋼筋彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3;板下CA砂漿厚度為30 mm，彈性模量為7 000～10 000 MPa，泊松比為0.20，線膨脹系數為0.90×10－5/℃，密度為1 950 kg/m3;混凝土和鋼筋的線膨脹系數為1.00×10－5/℃ 。

圖1 CRTSⅡ型軌道板模型

圖2 軌道板局部模型

2 計算結果及分析

軌道板從工廠預制完成后，需要運輸到工地現場存放，然后起吊到已施工底座板或支承層上粗鋪，經過精調后進行CA砂漿灌注，待CA砂漿達到9 MPa及以上時可進行軌道板縱連，形成完整的CRTSⅡ型板式軌道體系。在整個施工過程中，直接影響軌道板受力特性的工序有軌道板起吊、軌道板精調支撐和軌道板縱連前后的溫度翹曲。

2.1 軌道板起吊

軌道板典型的起吊工具為專用吊架，如圖3所示，起吊點在3號和8號承軌臺兩側。在向上起吊過程中瞬時加速度可以達到1.5倍重力，因此采用1.5×9.8 m/s2作為重力加速度。

圖3 軌道板起吊

圖4為軌道板豎向變形情況，最大變形發生在起吊點及附近承軌臺范圍內，最大可達0.58 mm。同時，在起吊點附近產生最大的壓應力和拉應力，內部普通鋼筋軸向應力較小，最大值僅為20.2 MPa，遠小于鋼筋抗拉強度;板面和板底橫向應力都為壓應力，最大值分別為3.6 MPa和0.6 MPa，遠低于混凝土抗壓強度;板底縱向應力為壓應力，最大值為1.9 MPa;但板面縱向應力為拉應力，在 0.9 MPa左右，局部可達2.4 MPa，已超過混凝土設計抗拉強度，如果起吊過程中出現掉點偏移和瞬時加速度過大現象，容易造成內部橫向微裂縫。該裂縫在線路開通運營后，容易發展成為肉眼可見的橫向裂縫。

圖4 軌道板豎向變形(單位:mm)

2.2 軌道板精調支撐

軌道板粗鋪完成后，需要進行精調作用。如圖5所示，一般情況下，在軌道板前、后兩端測量標架Ⅰ和標架Ⅲ承軌臺下各設1對可以進行平面及高程雙向調節的千斤頂，中間標架Ⅱ承軌臺下設1對僅具高程調節能力的千斤頂。精調時首先調整標架Ⅰ兩側千斤頂，然后調整標架Ⅲ千斤頂，再調整標架Ⅱ千斤頂，最后四角測量完畢后調整6個千斤頂。可以看出，在精調過程中，最不利的情況是標架Ⅰ、標架Ⅲ對應的兩對千斤頂支撐，中間千斤頂不受力。計算結果表明，最大變形發生在軌道板中間，其最大值為0.45 mm;最大拉應力產生在精調千斤頂處的軌道板表面，其最大值為1.9 MPa，已接近混凝土設計抗拉強度，在軌道板內部容易出現隱性橫向裂縫。

圖5 軌道板精調作業順序

為降低軌道板出現裂紋的風險，可將標架Ⅰ、標架Ⅲ及相應千斤頂位置內移到鄰近的承軌臺上。計算結果表明，最大拉應力仍出現在精調點附近，減小到1.6 MPa，能夠保證軌道板不會因千斤頂頂起而產生裂紋。

2.3 軌道板縱連前后溫度翹曲

軌道板縱連前除CA砂漿對其有粘結作用外，處于無約束狀態。在溫度梯度100℃/m和 －50℃/m情況下，軌道板翹曲變形如圖6所示。在正溫度梯度作用下，軌道板中部上拱，出現拉應力，最大達到2.1 MPa;角邊下壓CA砂漿，出現壓應力，最大達到21.3 MPa;靠近四角區域最大翹曲變形為0.42 mm。在負溫度梯度作用下，軌道板角邊上翹，四角區域翹曲拉應力最大達到3.5 MPa，最大翹曲變形0.03 mm;中部區域下壓，靠近四角區域最大壓應力為0.43 MPa。可以看出，在正溫度梯度下，軌道板四角區域處的壓應力超過了CA砂漿的抗壓強度(15 MPa)，容易引起CA砂漿破壞;在負溫度梯度下，四角區域處最大拉應力超過CA砂漿抗拉強度，引起其進一步破碎。實測結果表明，軌道板在正常陽光輻射下，夏季和冬季每天都要經歷正負梯度的交替變化，從而在軌道板邊角區域，特別是軌道板四角區域每天都要經歷壓拉應力變化，最容易發生與CA砂漿層的離縫。

圖6 軌道板溫度翹曲變形

軌道板縱連以后，形成了板間的相互約束。在正溫度梯度下，軌道板翹曲變形形態與縱連前相同，最大拉應力、壓應力和翹曲變形值分別為 1.0 MPa，6.8 MPa，0.41 mm;在負溫度梯度下，軌道板翹曲變形形態與縱連前也相同，最大拉應力、壓應力和翹曲變形值分別為1.5 MPa，0.2 MPa，0.01 mm。正負溫度梯度下應力和變形最大值均小于縱連前的值，且均在容許范圍內，極大地降低了軌道板與CA砂漿層離縫的風險。因此，在軌道板鋪設完成后，CA砂漿強度達到9 MPa后及時進行縱連是控制軌道板離縫的重要措施。

3 結論

通過建立CRTSⅡ型板式軌道有限元模型，對軌道板鋪設過程中的受力特性進行了分析。得到以下結論:

1)在軌道板起吊過程中，起吊點附近軌道板面局部拉應力最大達到2.4 MPa，已超過C60混凝土設計抗拉強度，容易引起軌道板橫向裂紋，在施工過程中應當控制吊點位置和起吊速度。

2)在軌道板精調過程中，在最不利支撐情況下，精調千斤頂處軌道板表面出現的最大拉應力達到1.9 MPa，已經接近C60混凝土設計抗拉強度，出現裂紋的幾率增大，應優化千斤頂位置。

3)在正溫度梯度100℃/m和負溫度梯度－50℃/m情況下，軌道板縱連前最大拉、壓應力都比較大，且主要出現在軌道板四角附近區域，最大壓應力已經達到21.33 MPa，超過了CA砂漿層抗壓強度，是軌道板四角區域發生離縫的主要原因;軌道板縱連后溫度翹曲效應大為降低，最大應力在極低水平上。表明軌道板及時縱連是控制軌道板與CA砂漿層離縫的重要措施。

［1］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］劉鈺，趙國堂.CRTSⅡ型板式無砟軌道結構層間早期離縫研究［J］.中國鐵道科學，2013，34(4):1-7.

［3］劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設計理論與方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2010.