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(yùn)營里程已達(dá)近萬公里，無砟軌道以其高平順性、高穩(wěn)定性和少維修的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，采用無砟軌道的線路已達(dá)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(yōu)點(diǎn)更為突出，表現(xiàn)為軌道幾何尺寸的高精度容易得到保證，現(xiàn)場施工量少，軌道精調(diào)量少，因此，我國無砟軌道線路中，鋪設(shè)板式軌道的比例達(dá)到近80%。

研究認(rèn)為，無砟軌道作為混凝土結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析，研究其在施工過程中軌道板的受力特性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工控制提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型和參數(shù)

CRTSⅡ型軌道板由10個(gè)承軌臺構(gòu)成，每個(gè)承軌臺中心間距為650 mm。軌道板為橫向單向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，鋼筋布置7層，每個(gè)承軌臺范圍內(nèi)布置6根φ10的橫向預(yù)應(yīng)力筋，沿軌道板中性軸以下10 mm布置，施加預(yù)應(yīng)力870 MPa;縱向設(shè)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(jì)算模型如圖1所示。劃分單元近20萬個(gè)，其中軌道板混凝土采用實(shí)體Solid45單元模擬;普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元模擬，預(yù)應(yīng)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(shí)環(huán)境，對軌道板模型兩端施加鏡像約束進(jìn)行模擬。圖2為局部模型，側(cè)面黑點(diǎn)為內(nèi)部鋼筋端部。軌道板混凝土強(qiáng)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(qiáng)度為2.04 MPa，抗壓強(qiáng)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(shù)為0.90×10－5/℃，密度為1 950 kg/m3;混凝土和鋼筋的線膨脹系數(shù)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(jì)算結(jié)果及分析

軌道板從工廠預(yù)制完成后，需要運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場存放，然后起吊到已施工底座板或支承層上粗鋪，經(jīng)過精調(diào)后進(jìn)行CA砂漿灌注，待CA砂漿達(dá)到9 MPa及以上時(shí)可進(jìn)行軌道板縱連，形成完整的CRTSⅡ型板式軌道體系。在整個(gè)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(diào)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(diǎn)在3號和8號承軌臺兩側(cè)。在向上起吊過程中瞬時(shí)加速度可以達(dá)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(fā)生在起吊點(diǎn)及附近承軌臺范圍內(nèi)，最大可達(dá)0.58 mm。同時(shí)，在起吊點(diǎn)附近產(chǎn)生最大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，內(nèi)部普通鋼筋軸向應(yīng)力較小，最大值僅為20.2 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋抗拉強(qiáng)度;板面和板底橫向應(yīng)力都為壓應(yīng)力，最大值分別為3.6 MPa和0.6 MPa，遠(yuǎn)低于混凝土抗壓強(qiáng)度;板底縱向應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值為1.9 MPa;但板面縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，在 0.9 MPa左右，局部可達(dá)2.4 MPa，已超過混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，如果起吊過程中出現(xiàn)掉點(diǎn)偏移和瞬時(shí)加速度過大現(xiàn)象，容易造成內(nèi)部橫向微裂縫。該裂縫在線路開通運(yùn)營后，容易發(fā)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(diào)支撐

軌道板粗鋪完成后，需要進(jìn)行精調(diào)作用。如圖5所示，一般情況下，在軌道板前、后兩端測量標(biāo)架Ⅰ和標(biāo)架Ⅲ承軌臺下各設(shè)1對可以進(jìn)行平面及高程雙向調(diào)節(jié)的千斤頂，中間標(biāo)架Ⅱ承軌臺下設(shè)1對僅具高程調(diào)節(jié)能力的千斤頂。精調(diào)時(shí)首先調(diào)整標(biāo)架Ⅰ兩側(cè)千斤頂，然后調(diào)整標(biāo)架Ⅲ千斤頂，再調(diào)整標(biāo)架Ⅱ千斤頂，最后四角測量完畢后調(diào)整6個(gè)千斤頂。可以看出，在精調(diào)過程中，最不利的情況是標(biāo)架Ⅰ、標(biāo)架Ⅲ對應(yīng)的兩對千斤頂支撐，中間千斤頂不受力。計(jì)算結(jié)果表明，最大變形發(fā)生在軌道板中間，其最大值為0.45 mm;最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在精調(diào)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(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，在軌道板內(nèi)部容易出現(xiàn)隱性橫向裂縫。

圖5 軌道板精調(diào)作業(yè)順序

為降低軌道板出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，可將標(biāo)架Ⅰ、標(biāo)架Ⅲ及相應(yīng)千斤頂位置內(nèi)移到鄰近的承軌臺上。計(jì)算結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力仍出現(xiàn)在精調(diào)點(diǎn)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(chǎn)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(jié)作用外，處于無約束狀態(tài)。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(xiàn)拉應(yīng)力，最大達(dá)到2.1 MPa;角邊下壓CA砂漿，出現(xiàn)壓應(yīng)力，最大達(dá)到21.3 MPa;靠近四角區(qū)域最大翹曲變形為0.42 mm。在負(fù)溫度梯度作用下，軌道板角邊上翹，四角區(qū)域翹曲拉應(yīng)力最大達(dá)到3.5 MPa，最大翹曲變形0.03 mm;中部區(qū)域下壓，靠近四角區(qū)域最大壓應(yīng)力為0.43 MPa?？梢钥闯?，在正溫度梯度下，軌道板四角區(qū)域處的壓應(yīng)力超過了CA砂漿的抗壓強(qiáng)度(15 MPa)，容易引起CA砂漿破壞;在負(fù)溫度梯度下，四角區(qū)域處最大拉應(yīng)力超過CA砂漿抗拉強(qiáng)度，引起其進(jìn)一步破碎。實(shí)測結(jié)果表明，軌道板在正常陽光輻射下，夏季和冬季每天都要經(jīng)歷正負(fù)梯度的交替變化，從而在軌道板邊角區(qū)域，特別是軌道板四角區(qū)域每天都要經(jīng)歷壓拉應(yīng)力變化，最容易發(fā)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(tài)與縱連前相同，最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和翹曲變形值分別為 1.0 MPa，6.8 MPa，0.41 mm;在負(fù)溫度梯度下，軌道板翹曲變形形態(tài)與縱連前也相同，最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和翹曲變形值分別為1.5 MPa，0.2 MPa，0.01 mm。正負(fù)溫度梯度下應(yīng)力和變形最大值均小于縱連前的值，且均在容許范圍內(nèi)，極大地降低了軌道板與CA砂漿層離縫的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在軌道板鋪設(shè)完成后，CA砂漿強(qiáng)度達(dá)到9 MPa后及時(shí)進(jìn)行縱連是控制軌道板離縫的重要措施。

3 結(jié)論

通過建立CRTSⅡ型板式軌道有限元模型，對軌道板鋪設(shè)過程中的受力特性進(jìn)行了分析。得到以下結(jié)論:

1)在軌道板起吊過程中，起吊點(diǎn)附近軌道板面局部拉應(yīng)力最大達(dá)到2.4 MPa，已超過C60混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，容易引起軌道板橫向裂紋，在施工過程中應(yīng)當(dāng)控制吊點(diǎn)位置和起吊速度。

2)在軌道板精調(diào)過程中，在最不利支撐情況下，精調(diào)千斤頂處軌道板表面出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力達(dá)到1.9 MPa，已經(jīng)接近C60混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)裂紋的幾率增大，應(yīng)優(yōu)化千斤頂位置。

3)在正溫度梯度100℃/m和負(fù)溫度梯度－50℃/m情況下，軌道板縱連前最大拉、壓應(yīng)力都比較大，且主要出現(xiàn)在軌道板四角附近區(qū)域，最大壓應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到21.33 MPa，超過了CA砂漿層抗壓強(qiáng)度，是軌道板四角區(qū)域發(fā)生離縫的主要原因;軌道板縱連后溫度翹曲效應(yīng)大為降低，最大應(yīng)力在極低水平上。表明軌道板及時(shí)縱連是控制軌道板與CA砂漿層離縫的重要措施。

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