高速鐵路預(yù)制軌道板合理水養(yǎng)方法研究

潘自立 王安琪 李保友 康維新

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031；2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

無砟軌道以其高平順、高穩(wěn)定及少維修在世界高速鐵路上廣泛應(yīng)用[1]。CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國自主研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，也是未來我國高速鐵路的主要發(fā)展方向[2]。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道已在我國成灌鐵路上成功完成鋪設(shè)，有關(guān)CRTSⅢ型板式無砟軌道的施工技術(shù)也在不斷總結(jié)中日益完善[3-8]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保證CRTSⅢ型軌道板的預(yù)制質(zhì)量和投資成本，通常采用沿線工廠集中預(yù)制的規(guī)模化生產(chǎn)模式。

預(yù)制軌道板大多采用高標(biāo)號混凝土，其干燥收縮較為嚴(yán)重，同時(shí)放熱量也很大，一旦養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，極有可能使得軌道出現(xiàn)嚴(yán)重的初始缺陷。為提高預(yù)制質(zhì)量，現(xiàn)通常在混凝土具有一定強(qiáng)度后立即將軌道板脫模浸入水中養(yǎng)護(hù)，緩解軌道板干縮，降低軌道溫度。由此可見合適的拆模入水養(yǎng)護(hù)時(shí)間及水養(yǎng)溫度對軌道板預(yù)制質(zhì)量有重要影響，而目前對這方面的研究還較少，現(xiàn)場主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工。為此，本文結(jié)合CRTSⅢ型普通鋼筋混凝土軌道板現(xiàn)場生產(chǎn)過程，布置相應(yīng)傳感器，對軌道板澆筑、脫模、入水養(yǎng)護(hù)全過程的軌道溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行全程監(jiān)控，明確軌道板預(yù)制過程中承受的溫度荷載，采用有限元方法對軌道板應(yīng)力變化進(jìn)行全程分析，為CRTSⅢ型軌道板的施工優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)概況

如圖1所示，在四川省樂山制板廠開展了普通鋼筋混凝土軌道板從預(yù)制澆筑到水養(yǎng)過程中水化熱變化情況的監(jiān)測試驗(yàn)，試驗(yàn)采用C50混凝土預(yù)制軌道板，板長為 5 600 mm，寬為 2 500 mm，厚度為200 mm。

圖1 軌道板入水養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)采用溫度傳感器pt100鉑電阻測溫元件，測量量程-20 ℃～80 ℃，測量精度±(0.15+0.002|t|) ℃

(|t|為實(shí)測溫度的絕對值)。溫度傳感器在軌道板上的布置，如圖2所示，沿軌道板中部寬度方向上對稱布置3個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)在厚度方向上從底部(門型筋側(cè))依次向上布置3個(gè)溫度傳感器，分別用于測量軌道板芯部混凝土和表面混凝土的溫度變化情況。

圖2 軌道板溫度傳感器布置示意圖(mm)

2 水養(yǎng)過程軌道板整體溫降規(guī)律

軌道板混凝土在澆筑完約15 h后脫模，進(jìn)行水養(yǎng)。試驗(yàn)記錄軌道板混凝土從2017年7月29日下午2：30開始水養(yǎng)，到8月2日上午10：30結(jié)束水養(yǎng)，共經(jīng)歷了約4 d的水養(yǎng)。

圖3 水養(yǎng)期間軌道板溫度變化規(guī)律

從圖3可以看出，在水養(yǎng)進(jìn)行約5 h后，軌道板的整體溫度幾乎與外界水溫達(dá)到一致，并在此后4 d的水養(yǎng)過程中一直與外界水溫保持著動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于下降到同外界水溫相同溫度所用的時(shí)間相對于軌道板整個(gè)養(yǎng)護(hù)時(shí)長來說很短，可以看作軌道板在水養(yǎng)過程中產(chǎn)生了溫度驟然降低，稱之為整體溫降。

在水養(yǎng)進(jìn)行約2.5 h后，軌道板芯部混凝土溫度從水養(yǎng)時(shí)的起始溫度下降至表面混凝土的水養(yǎng)起始溫度，并在此后2.5 h時(shí)間里同表面混凝土一起與外界水溫逐漸達(dá)到平衡。所以，軌道板的整體溫降幅值可以看作水養(yǎng)起始時(shí)表面混凝土的溫度與水養(yǎng)結(jié)束時(shí)表面混凝土溫度的差值，脫模時(shí)軌道板溫度越高，這種整體溫降表現(xiàn)的越明顯。

A點(diǎn)～C點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，水養(yǎng)起始時(shí)軌道板混凝土表面溫度在35 ℃～38 ℃之間，在水養(yǎng)進(jìn)行約5 h后，軌道板的整體溫度下降至與外界水溫一致的28 ℃～29 ℃，由此可以得出水養(yǎng)過程中軌道板的整體溫降差值范圍為7 ℃～10 ℃。

3 水養(yǎng)過程軌道板溫度梯度規(guī)律

受施工時(shí)水養(yǎng)環(huán)境溫度、軌道板脫模后起始溫度及溫降速率等因素的影響，在水養(yǎng)過程中，軌道板芯部混凝土與表面混凝土將產(chǎn)生溫差(即溫度梯度)，由于溫差變化在水養(yǎng)初始階段較為明顯，所以只取軌道板水養(yǎng)30 min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 水養(yǎng)過程軌道板垂向溫差規(guī)律

從圖4可以看出，澆注、脫模完之后的軌道板混凝土由于水泥水化作用的影響具有很高的初始溫度，芯部混凝土在進(jìn)行水養(yǎng)時(shí)溫度在48 ℃左右，表面混凝土溫度在35 ℃～38 ℃左右。在水養(yǎng)進(jìn)行約15～20 min后，軌道板混凝土的表面溫度下降至接近于外界水溫的溫度，芯部混凝土卻仍處于很高的溫度，此時(shí)，軌道板芯部混凝土與表面混凝土之間達(dá)到水養(yǎng)過程中的溫差極值。

A點(diǎn)～C點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，A點(diǎn)在水養(yǎng)進(jìn)行15 min后，芯部混凝土與表面混凝土之間達(dá)到最大溫差值10.333 ℃，B點(diǎn)在水養(yǎng)進(jìn)行17 min后，芯部混凝土與表面混凝土之間達(dá)到最大溫差值11.394 ℃，C點(diǎn)在水養(yǎng)進(jìn)行16 min后，芯部混凝土與表面混凝土之間達(dá)到最大溫差值12.493 ℃，由此可得，水養(yǎng)過程中軌道板溫度梯度在10 ℃～13 ℃之間。

4 水養(yǎng)過程軌道板受力分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)軌道板的結(jié)構(gòu)特性，利用Ansys有限元分析軟件，對水養(yǎng)過程中軌道板的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬。其中，軌道板采用實(shí)體單元SOLID45進(jìn)行模擬，與水養(yǎng)池接觸的底面采用固定位移約束，考慮軌道板自重、水壓力、整體降溫和溫度梯度的作用。

由于在施工過程中軌道板從澆筑完成到脫模水養(yǎng)所用的時(shí)間較短(軌道板混凝土的齡期約為1 d)，軌道板混凝土的強(qiáng)度及彈性模量都很低，采用規(guī)范規(guī)定的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算顯然不合適，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]，可以得到普通C50混凝土齡期1 d時(shí)的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

4.2 荷載及工況

由于在實(shí)際的現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)中，無法精確測得軌道板上每個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況，所以在計(jì)算溫度梯度荷載時(shí)，假定軌道板芯部到表面方向上的溫度梯度呈線性分布，在考慮整體溫降荷載時(shí)，忽略溫降過程中混凝土各部位溫差的影響。

表1 軌道板計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)分析可知，軌道板的整體溫降變化范圍在7 ℃～10 ℃，溫降步長取值1 ℃，相應(yīng)的溫降計(jì)算值為7 ℃、8 ℃、9 ℃和10 ℃。水養(yǎng)過程中軌道板芯部和表面溫度溫度差的極值在10 ℃～13 ℃之間，計(jì)算時(shí)取1 ℃作為一個(gè)梯度，相應(yīng)的計(jì)算溫度梯度為100 ℃/m、 110 ℃/m 、120 ℃/m 和130 ℃ /m，具體工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況表

圖5 整體溫降作用下軌道板的各向應(yīng)力

4.3 整體溫降作用下軌道板應(yīng)力變化

取整體溫降為7 ℃，計(jì)算得到軌道板的橫向應(yīng)力和最大拉應(yīng)力云圖，如圖5所示。當(dāng)整體溫降取值變化時(shí)，軌道板應(yīng)力云圖分布相似但量值不同。

如圖5所示，在整體溫降荷載作用下，軌道板橫向應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，壓應(yīng)力分布范圍廣但數(shù)值較小，在軌道板寬度方向中下部區(qū)域至軌道板底部開始逐漸出現(xiàn)拉應(yīng)力，并在板底達(dá)到橫向最大拉應(yīng)力0.98 MPa。在軌道板最大拉應(yīng)力云圖中，拉應(yīng)力分布與橫向應(yīng)力類似，軌道板板底端部出現(xiàn)拉應(yīng)力極值1.27 MPa，這是由于在自重及水壓力的作用下，軌道板底部應(yīng)力最大，在此施加整體溫降荷載，將放大軌道板的底部應(yīng)力，從而產(chǎn)生最大板底拉應(yīng)力。

當(dāng)整體溫降從7 ℃～10 ℃變化時(shí)，軌道板板底最大拉應(yīng)力變化，如圖6所示。

圖6 整體溫降工況示意圖

由圖6可以看出，軌道板板底最大拉應(yīng)力隨整體溫降幅值的增大而逐漸增大。整體溫降為8 ℃時(shí)，板底最大拉應(yīng)力為1.45 MPa；整體溫降為9 ℃時(shí)，板底最大拉應(yīng)力為1.63 MPa；整體溫降為10 ℃時(shí)，板底最大拉應(yīng)力為1.80 MPa，拉應(yīng)力隨整體溫降得線性變化幅值約為0.18 MPa/℃。

當(dāng)整體溫降超過10 ℃時(shí)，此時(shí)，軌道板的最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過了齡期內(nèi)(1 d)軌道板拉應(yīng)力強(qiáng)度限值，板底的混凝土將產(chǎn)生裂縫甚至發(fā)生破裂，對生產(chǎn)過程中軌道板質(zhì)量將產(chǎn)生影響，因此需嚴(yán)格把控軌道板水養(yǎng)過程中溫度的變化。

4.4 溫度梯度作用下軌道板應(yīng)力變化

當(dāng)溫度梯度荷載為100 ℃/m時(shí)，在軌道板自重及水壓力的共同作用下，軌道板的橫向應(yīng)力和最大拉應(yīng)力云圖，如圖7所示，當(dāng)取值其他溫度梯度時(shí)，軌道板應(yīng)力云圖分布相似但量值不同。

圖7 溫度梯度作用下軌道板各向應(yīng)力

如圖7所示，軌道板橫向應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，并在軌道板表面中部偏下區(qū)域達(dá)到橫向拉應(yīng)力極值1.57 MPa。軌道板最大拉應(yīng)力也為1.57 MPa，出現(xiàn)在軌道板表面中部以下區(qū)域，這是由于在溫度梯度作用下，軌道板不同部位熱脹冷縮程度不同，內(nèi)外溫差使軌道板外部產(chǎn)生拉應(yīng)力，表面軌道板達(dá)到其拉應(yīng)力極值，是整個(gè)軌道板水養(yǎng)過程中最危險(xiǎn)的位置。

當(dāng)溫度梯度在100 ℃/m～130 ℃/m變化時(shí)，軌道板表面最大拉應(yīng)力變化，如圖8所示。

圖8 溫度梯度工況示意圖

由圖8可知，軌道板表面拉應(yīng)力的極值隨溫度梯度的增加而逐漸增大，溫度梯度為110 ℃/m時(shí)，拉應(yīng)力最大值為1.60 MPa；溫度梯度為120 ℃/m時(shí)，拉應(yīng)力最大值為1.63 MPa；溫度梯度為130 ℃/m時(shí)，拉應(yīng)力最大值為1.66 MPa。

軌道板最大拉應(yīng)力隨溫度梯度變化幅值約為0.03 MPa/(℃/m)，對比整體溫降作用下軌道板的最大拉應(yīng)力的變化幅值可以看出，當(dāng)處于相同水養(yǎng)條件時(shí)，整體溫降作用下軌道板最大拉應(yīng)力變化更快，但溫度梯度作用下軌道板拉應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域更廣。

生產(chǎn)過程中的混凝土裂縫是不可避免的，但過大的溫度應(yīng)力會(huì)降低軌道板的生產(chǎn)質(zhì)量，也會(huì)對軌道板的耐久性造成影響，因此需要控制軌道板生產(chǎn)過程中溫度應(yīng)力。

5 軌道板冬季水養(yǎng)研究

軌道板混凝土由于其自身特點(diǎn)，環(huán)境溫度對它的生產(chǎn)質(zhì)量影響極大。在進(jìn)行大規(guī)模工程建設(shè)時(shí)，通常需要考慮避免在冬季施工，但受工期制約，許多工程尤其高速鐵路行業(yè)的混凝土冬季施工往往是不可避免的。為此，掌握軌道板混凝土在冬季低溫下施工特點(diǎn)與規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上研究其施工控制方法具有重要意義。結(jié)合之前軌道板在溫度梯度和整體溫降荷載作用下計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在相同的水養(yǎng)環(huán)境下，相較于溫度梯度，整體溫降作用下軌道板產(chǎn)生的拉應(yīng)力極值及變化幅度更大。為此，以整體溫降作為控制條件，計(jì)算大幅度溫降作用下軌道板拉應(yīng)力變化情況。

整體溫降由10 ℃變化至26 ℃時(shí),軌道板拉應(yīng)力變化以及軌道板混凝土齡期-強(qiáng)度[11]關(guān)系,如圖9所示。

圖9 齡期、溫降與軌道板拉應(yīng)力關(guān)系圖

由圖9可以看出，當(dāng)整體溫降大于10 ℃時(shí)，軌道板最大拉應(yīng)力已經(jīng)大于此時(shí)齡期內(nèi)(1d)軌道板混凝土強(qiáng)度。整體溫降為14 ℃時(shí)的軌道板拉應(yīng)力極值約等于齡期3 d的混凝土強(qiáng)度平均值，當(dāng)整體溫降超過18 ℃時(shí)，軌道板最大拉應(yīng)力大于溫降28 ℃時(shí)的混凝土強(qiáng)度，軌道板混凝土?xí)l(fā)生破壞。

以四川省為例，該地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，冬季室外平均溫度在0 ℃～10 ℃，有相關(guān)試驗(yàn)[12]測得12月份四川省不供暖地區(qū)白天室內(nèi)平均溫度在12 ℃～14 ℃之間，夜間室內(nèi)平均溫度在8 ℃～11 ℃之間。若不采取相應(yīng)供暖保溫措施，冬季施工的室內(nèi)環(huán)境溫度可大致認(rèn)為在8 ℃～14 ℃之間浮動(dòng)。取冬季室內(nèi)平均溫度為11 ℃，此時(shí)水養(yǎng)池若沒有其它加熱措施，則水溫溫度約11 ℃，取脫模時(shí)軌道板表面溫度為37 ℃，此時(shí)直接入水會(huì)使得軌道板破壞。應(yīng)用前述模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如軌道板不出現(xiàn)病害至少需水溫在30 ℃以上，并持續(xù)3 d。3 d后軌道板強(qiáng)度提升能夠承受降溫10 ℃，此時(shí)可降低水養(yǎng)溫度為20 ℃繼續(xù)養(yǎng)護(hù)3 d，3 d后出水，在室內(nèi)空氣中降溫至室溫11 ℃左右。實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件，按照上述方法分析計(jì)算，采用水溫逐步降低法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并結(jié)合降低混凝土出倉溫度、棉布保溫等措施[13-14]實(shí)現(xiàn)冬季生產(chǎn)。

6 結(jié)論

本文針對高速鐵路無砟軌道預(yù)制軌道板合理水中養(yǎng)護(hù)問題，以CRTSⅢ型普通鋼筋混凝土軌道板為例，開展現(xiàn)場試驗(yàn)，埋設(shè)溫度傳感器，對水養(yǎng)過程中板溫度進(jìn)行了監(jiān)測，得出了軌道板承受的溫度荷載。利用有限元方法，對軌道板水養(yǎng)過程進(jìn)行受力分析，對冬季預(yù)制軌道板水養(yǎng)過程進(jìn)行了計(jì)算，提出了相應(yīng)的施工建議。

(1)樂山地區(qū)現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，受水泥水化放熱影響，軌道板脫模時(shí)表面溫度能達(dá)到37 ℃，板芯溫度47 ℃，入水后2～3 h內(nèi)承受約5 ℃～7 ℃的整體降溫及100 ℃/m的溫度梯度荷載，最大拉應(yīng)力達(dá)到1.27 MPa。整體溫降作用下軌道板最大拉應(yīng)力變化幅值為0.18 MPa/℃，軌道板的受拉區(qū)域大并集中在板面中下部區(qū)域，溫度梯度作用下軌道板最大拉應(yīng)力變化幅值為0.03 MPa/(℃/m)，軌道板受拉區(qū)域小且集中在板底。

(2)為保障軌道板質(zhì)量，在特殊情況下應(yīng)監(jiān)測軌道板溫度及水養(yǎng)池水溫。水養(yǎng)溫度應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度和軌道板溫度綜合考慮設(shè)置，但入水前后軌道板溫度降低值不應(yīng)超過10 ℃。拆模時(shí)間及入水時(shí)間應(yīng)綜合考慮軌道板干縮與水養(yǎng)池溫度確定，一般規(guī)定拆模后軌道板空氣中靜置時(shí)間不能超過4 h。

(3) 軌道板冬季施工時(shí)，考慮到軌道板齡期較低時(shí)強(qiáng)度較低，能承受的溫差較小，此時(shí)應(yīng)設(shè)置30 ℃以上水溫持續(xù)3 d以上。隨時(shí)間增加，要控制水養(yǎng)池水溫逐步降低，避免出水時(shí)軌道板溫度驟然降低到室溫，防止軌道開裂。