CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角裂縫成因分析

李浩宇

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，從上到下主要由鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土、中間隔離層（土工布）及鋼筋混凝土底座等部分組成［1-2］。其中底座具有限位結(jié)構(gòu)，其限位方式主要是在底座上設(shè)置凹槽，與每塊軌道板對應(yīng)的自密實混凝土層設(shè)置的凸臺相互結(jié)合，即通過凸臺凹槽的相互咬合進(jìn)行軌道限位［3］，如圖 1所示。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道限位結(jié)構(gòu)

CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角開裂現(xiàn)象是高速鐵路建設(shè)過程中比較普遍的問題，但是經(jīng)過查閱，相關(guān)的研究資料較少。根據(jù)京沈鐵路客運專線無砟軌道底座施工的現(xiàn)場調(diào)研可知，一般情況下底座凹槽四角處首先開裂，如圖2所示。我國《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》（以下簡稱維修規(guī)則）中對無砟軌道底座裂縫寬度分3個評定等級，分別為Ⅰ級（0.2 mm）、Ⅱ級（0.3 mm）、Ⅲ級（0.5 mm），對于Ⅰ級裂縫不進(jìn)行修復(fù)，Ⅱ級和Ⅲ級分別采用“表面封閉法”和“低壓注漿法”進(jìn)行修復(fù)［4］。雖然維修規(guī)則中規(guī)定底座Ⅰ級裂縫可不進(jìn)行修復(fù)，但隨著時間的推移，尤其是在荷載的作用下或者是大溫差環(huán)境下，Ⅰ級裂縫有可能發(fā)展成為Ⅱ級或Ⅲ級，甚至是貫通裂縫。而且，底座凹槽處容易積水，凹槽四角一旦開裂，積水就會輕易地滲入底座內(nèi)部，加速鋼筋銹蝕，影響混凝土的耐久性，降低其使用壽命，進(jìn)而就會加大無砟軌道結(jié)構(gòu)的維修成本。一旦形成貫通裂縫，則有可能影響軌道結(jié)構(gòu)受力，降低軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

基于此，本文依托京沈鐵路客運專線軌道工程項目，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角開裂問題進(jìn)行深入的研究，揭示其產(chǎn)生裂縫的原因，進(jìn)而確定防控措施。

圖2 CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角開裂現(xiàn)象

2 底座凹槽四角裂縫成因分析

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因大概可分為兩類：一是荷載引起的裂縫，主要是列車荷載；二是非荷載因素引起的裂縫，主要包括溫度變化、混凝土收縮等。CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角裂縫是在短期內(nèi)且未受列車荷載作用產(chǎn)生的，故其裂縫主要是由溫度變化和混凝土收縮引起的。

2.1 溫度變化類型

溫度變化類型一般可分為年溫度變化和日溫度變化兩種［5］。對于無砟軌道結(jié)構(gòu)來說，年溫度變化主要引起軌道結(jié)構(gòu)的整體溫度變化，日溫度變化主要引起軌道結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度梯度。

2.1.1 整體溫度變化

整體溫度變化指的是氣溫隨季節(jié)發(fā)生周期性的變化，由于其變化是長期的、緩慢的，使得混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體的升溫和降溫，即沿結(jié)構(gòu)厚度方向溫度分布均勻，進(jìn)而就有產(chǎn)生溫度伸縮應(yīng)力的可能。

2.1.2 溫度梯度

由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能差，白天在陽光的照射下，底座上表面溫度要高于下表面，促使其沿厚度方向上形成正溫度梯度；在強冷空氣的侵襲或其他突然降溫的情況下，底座上表面溫度驟然降低，呈現(xiàn)出上表面溫度低于下表面的情況，即沿厚度方向出現(xiàn)負(fù)溫度梯度。溫度梯度的出現(xiàn)會使底座產(chǎn)生翹曲變形和翹曲應(yīng)力［6］。

綜上可知，底座在不同溫度變化的作用下，會出現(xiàn)相應(yīng)的變形，比如翹曲、伸長、收縮等。由于底座與其下部基礎(chǔ)是緊密相連的，所以下部基礎(chǔ)會阻止底座變形，進(jìn)而就會形成相應(yīng)的溫度應(yīng)力。當(dāng)形成的溫度應(yīng)力大于底座混凝土抗拉強度時，底座就會出現(xiàn)裂縫，尤其是底座凹槽四角處，由于應(yīng)力集中的影響，將首先達(dá)到混凝土抗拉強度。由于底座凹槽四角開裂是短期內(nèi)（自密實混凝土澆筑之前）出現(xiàn)的，所以不考慮年溫度變化，即不考慮底座的整體升溫和降溫。

2.2 混凝土收縮

混凝土的收縮與外荷載無關(guān)，是混凝土在空氣中結(jié)硬時其體積縮小的一種現(xiàn)象。一般認(rèn)為混凝土的收縮主要由以下兩方面的原因引起：一是凝膠體本身的體積收縮（凝縮）；二是混凝土因失水而產(chǎn)生的體積收縮（干縮）［7］?；炷潦湛s變形早期發(fā)展較快，兩周已完成全部收縮變形的25%左右，一般情況下，混凝土的最終收縮應(yīng)變?yōu)椋?～5）×10-4，而混凝土開裂時的拉應(yīng)變?yōu)椋?.5～2.7）×10-4，可見收縮應(yīng)變?nèi)羰艿郊s束，則很容易導(dǎo)致混凝土開裂［8］。所以在底座施工時要盡量控制混凝土收縮，尤其在混凝土養(yǎng)護(hù)時要到位，要根據(jù)現(xiàn)場實際情況制定相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施。

2.3 底座凹槽四角裂縫有限元分析2.3.1 有限元模型建立

本文采用大型通用有限元仿真軟件ABAQUS［9-10］對CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角開裂問題進(jìn)行計算分析，建立了鋼筋混凝土底座三維有限元模型，如圖3所示。底座采用實體單元模擬，鋼筋采用桁架單元模擬，鋼筋嵌入（emb約束）底座中。

2.3.2 材料特性

底座混凝土強度等級為C35，彈性模量為3.15×104MPa，抗拉強度為2.2 MPa，線膨脹系數(shù)為1×10-5。鋼筋采用CRB550鋼筋，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強度為550MPa，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5。

2.3.3 邊界條件

底座通過L型鋼筋與橋梁連接，模擬分析時有限元模型底座的底面采用全約束。

2.3.4 溫度取值

假定溫度梯度沿底座厚度方向呈線性分布［11］，底座分4層（每層50 mm）進(jìn)行加載溫度荷載。其中負(fù)溫度梯度分別取值 -15℃／m、-25℃／m、-35℃／m。計算負(fù)溫度梯度作用時，底座板面至板底分別按-3～0℃（線性級差1℃）、-5～0℃（線性級差1.6℃）、-7～0℃（線性級差2.3℃）依次加載；正溫度梯度取我國規(guī)定的最大正溫度梯度90℃／m［12］，根據(jù)底座的厚度（200 mm）情況，取溫度梯度修正系數(shù)為1.05，即正溫度梯度取值為94.5℃／m；計算正溫度梯度作用時，底座板面至板底按18.9～0℃（線性級差6.3℃）加載；混凝土收縮按整體降溫考慮。

2.3.5 溫度梯度作用下底座受力分析

（1）負(fù)溫度梯度作用下底座受力分析（見圖4～圖9）

由底座凹槽四角混凝土應(yīng)力圖可知，負(fù)溫度梯度為-15℃／m、-25℃／m時，凹槽四角處的混凝土拉應(yīng)力處于上升趨勢，最大值分別為1.38 MPa、2.20 MPa，而且在 -25℃／m時正好達(dá)到C35混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，處于混凝土開裂的極限狀態(tài)；在負(fù)溫度梯度為-35℃／m時，底座凹槽四角處拉應(yīng)力值為1.97 MPa，相比-25℃／m時有下降趨勢，說明此時混凝土已開裂。

圖3 底座有限元模型

由底座上層鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力圖可知，在負(fù)溫度梯度分別為 -15℃／m、-25℃／m、-35℃／m時，鋼筋網(wǎng)片的最大應(yīng)力值分別為9.34 MPa、15.64 MPa、25 MPa。說明隨著負(fù)溫度梯度的增加，鋼筋網(wǎng)片的最大應(yīng)力值也增加，并且發(fā)生在靠近凹槽四角的防裂鋼筋處，亦可以推斷出底座凹槽四角處已發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。此結(jié)果進(jìn)一步證明了負(fù)溫度梯度對底座凹槽四角開裂的影響。

圖4 負(fù)溫度梯度15℃／m時凹槽四角混凝土應(yīng)力最大值

圖5 負(fù)溫度梯度15℃／m時上層鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力分布

圖6 負(fù)溫度梯度25℃／m時凹槽四角混凝土應(yīng)力最大值

圖7 負(fù)溫度梯度25℃／m時上層鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力分布

圖8 負(fù)溫度梯度35℃／m時凹槽四角混凝土應(yīng)力最大值

圖9 負(fù)溫度梯度35℃／m時上層鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力分布

由此可知，隨著負(fù)溫度梯度的增加，底座凹槽四角處的混凝土由于發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，將首先退出工作，即裂縫出現(xiàn)。

（2）正溫度梯度作用下底座受力分析（見圖10）

圖10 正溫度梯度為94.5℃／m時底座底面混凝土應(yīng)力分布

由以上仿真結(jié)果可知，當(dāng)正溫度梯度取我國規(guī)定的最大值時，最大拉應(yīng)力發(fā)生在底座底面邊緣處，其值為2.191 MPa，未達(dá)到C35混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，且底座頂面凹槽四角處產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，其最大值為0.319 MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到C35混凝土的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。由此可知，正溫度梯度對底座凹槽四角開裂的影響小，可以忽略不計。

2.3.6 混凝土收縮作用下底座受力分析

我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB 10002.1-2005）規(guī)定［13］：混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計算，其降溫幅度可根據(jù)表1按結(jié)構(gòu)類型取值。根據(jù)CRTSⅢ型板式無砟軌道底座的結(jié)構(gòu)可知，其對應(yīng)表1中的分段灌注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類型。

_表1 混凝土收縮降溫幅度

我國《高速鐵路軌道工程施工技術(shù)指南》規(guī)定［14］：無砟軌道底座養(yǎng)護(hù)時間為7晝夜，根據(jù)京沈鐵路客運專線項目調(diào)查，底座凹槽四角開裂一般在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后7 d左右開裂，所以對14 d混凝土的收縮進(jìn)行仿真計算，而兩周已完成全部收縮變形的25%左右，所以混凝土收縮量按整體降溫2.5℃（10℃×25%）考慮。其仿真計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 整體降溫2.5℃時底座頂面混凝土應(yīng)力分布

由以上仿真結(jié)果可知，最大拉應(yīng)力為1.425 MPa，發(fā)生在凹槽四角處，雖然未達(dá)到C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度，但對開裂有一定的促進(jìn)作用，所以在施工時要注意加強底座養(yǎng)護(hù)，減少混凝土收縮。

3 底座凹槽四角裂縫防控措施

在溫度變化和（或）混凝土收縮時，CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角處由于應(yīng)力集中極易產(chǎn)生裂縫，所以在施工時要有針對性地采取有效措施防止裂縫產(chǎn)生。

（1）待底座養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，仍然要注意控制底座的溫度變化，使其在合理的范圍內(nèi)。比如，待底座滿足設(shè)計強度要求后，可及時鋪設(shè)軌道板，并澆筑自密實混凝土，以達(dá)到控制底座溫度變化的目的。

（2）優(yōu)化底座凹槽四角設(shè)計，可由直角做成圓弧型，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）優(yōu)化底座凹槽四角配筋，減少裂紋寬度的發(fā)展和長度的延伸，使其保持在0.2 mm以內(nèi)。

（4）摻加對拌合物性能影響較小的纖維，提高混凝土的極限抗拉強度。

（5）按相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求從水泥的品種和用量，骨料的性質(zhì)、粒徑和含量，施工環(huán)境以及養(yǎng)護(hù)條件等方面嚴(yán)格控制混凝土收縮。

4 結(jié)論

CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角開裂現(xiàn)象在高速鐵路建設(shè)過程中較為普遍，且相關(guān)的研究資料較少，本文依托京沈鐵路客運專線軌道工程項目，從溫度變化和混凝土收縮兩方面對其進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)負(fù)溫度梯度超過25℃時，即底座頂面溫度低于底面溫度5℃時，凹槽四角處就達(dá)到混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，有開裂的可能。所以在底座養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，仍需注意底座的溫度變化，尤其是在晝夜溫差較大的環(huán)境中，應(yīng)加強控制。

（2）正溫度梯度（按國家規(guī)定的最大正溫度梯度計算）對底座凹槽四角開裂的影響較小，可以忽略不計。

（3）混凝土收縮對底座凹槽四角開裂有一定的促進(jìn)作用，應(yīng)嚴(yán)格控制影響混凝土收縮的因素，尤其要保障混凝土的原材料質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件，減少混凝土收縮。

（4）采用優(yōu)化底座凹槽四角形狀、配筋和摻加合適纖維等措施控制凹槽四角開裂。