CRTS Ⅲ型先張預應力軌道板設計及制造技術

王夢，王繼軍，趙勇，施成

（1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081）

CRTS Ⅲ型先張預應力軌道板設計及制造技術

王夢1，2，王繼軍1，2，趙勇1，2，施成1，2

（1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081）

為進一步完善板式無砟軌道預應力混凝土軌道板體系和無砟軌道系統(tǒng)技術，開展CRTSⅢ型先張法預應力軌道板的系統(tǒng)研究。從CRTSⅢ型先張預應力軌道板型式尺寸、預應力體系選擇、預應力鋼筋選型和結構及接口設計方面進行論述和分析。闡述軌道板“矩陣單元法”生產(chǎn)工藝流程，以及鋼筋骨架入模、連接器安裝、預應力鋼筋張拉、混凝土澆筑及養(yǎng)護和預應力放張及軌道板脫模主要生產(chǎn)工序。為降低建場成本、提高軌道板生產(chǎn)機械化程度和實現(xiàn)關鍵工裝設備的可重復利用，提出應進一步深化軌道板制造技術研究。

CRTSⅢ型板；無砟軌道；軌道板；先張法；預應力鋼筋；制造技術；矩陣單元法

1 研發(fā)背景

預應力技術作為提高混凝土結構耐久性的重要技術措施，在無砟軌道結構設計中普遍采用?；炷翗嫾┘宇A應力的方法有先張法和后張法，板式無砟軌道結構中的預應力混凝土軌道板采用這2種方法均可。

我國自20世紀末對雙向后張法預應力軌道板進行了系統(tǒng)研究，在秦沈客運專線無砟軌道試驗段、遂渝線無砟軌道綜合試驗段、武廣高速鐵路武漢無砟軌道試驗段的工程實踐和無砟軌道技術再創(chuàng)新研究基礎上，形成了后張法預應力軌道板成套技術。該技術在哈齊線、哈大線、滬寧線、廣深港線、海南東環(huán)線等CRTSⅠ型和成灌線、盤營線、沈丹線、武漢城市圈等CRTSⅢ型板式無砟軌道線路推廣應用[1-4]，為我國高速鐵路建設提供了有力支撐。工程中，因個別生產(chǎn)廠家在鋼棒母材、熱處理及無粘結工藝等方面存在質量缺陷，導致部分線路出現(xiàn)預應力鋼棒斷裂現(xiàn)象，影響軌道板的承載能力及耐久性。因此，為豐富板式無砟軌道預應力混凝土軌道板體系，完善無砟軌道系統(tǒng)技術，開展了CRTSⅢ型先張法預應力軌道板的系統(tǒng)研究。

2 設計技術

2.1 型式尺寸

我國高速鐵路橋梁區(qū)段所占比例相對較大，以32m和24m簡支梁為主，基于常用跨度簡支梁橋上軌道板布置、扣件型式及結構受力特性分析，確定CRTSⅢ型板式無砟軌道的標準軌道板為P5600、P4925和P4856三種型式，對應軌道板長度分別為5600mm、4925mm和4856mm，軌道板寬2500mm、厚200mm。

2.2 預應力體系選擇

基于CRTSⅢ型軌道板結構受力，結合CRTSⅠ、Ⅱ型及意大利IPA軌道板設計技術，提出了“縱向單向先張”“縱橫雙向先張”和“縱向先張橫向后張”3種預應力軌道板設計方案并進行對比分析。

2.2.1 承載力

3種設計方案均能滿足軌道結構承載力要求。針對“縱向單向先張”預應力方案，在縱向施加預應力同時，由于泊松效應導致軌道板橫向存在拉應力（見圖1）。數(shù)據(jù)表明在列車荷載和溫度荷載共同作用下，軌道板存在縱向（平行于預應力鋼筋方向）開裂的可能。

圖1 軌道板橫向拉應力

2.2.2 耐久性

縱橫雙向預應力方案能夠較好地抑制裂紋產(chǎn)生，并可控制裂紋發(fā)展，降低預應力鋼筋腐蝕的可能性；“縱向單向先張”預應力方案導致軌道板混凝土開裂和發(fā)生預應力鋼筋腐蝕破壞的可能性較大，影響軌道板承載能力和耐久性。

2.2.3 施工性

意大利IPA軌道板曾采用過“縱向先張橫向后張”預應力方案，我國橋梁預制時也曾進行過嘗試，但其需要先張法和后張法2套工裝設備，投入大，工藝相對復雜。

2.2.4 設計使用經(jīng)驗

預應力混凝土軌枕和預制“梯子形”軌枕均按梁進行設計，截面尺寸較小，為單向預應力配筋。CRTSⅡ型軌道板設計采用軌枕模式和“橫向單向先張”預應力方案；CRTSⅠ型和意大利IPA軌道板均按板結構進行設計，采用縱橫雙向預應力方案。

預應力鋼筋的高應力狀態(tài)要求結構具有更嚴格的裂縫控制標準，在ACI318《美國混凝土結構設計規(guī)范》中，將預應力雙向板體系定義為U級，在計算工作荷載作用下，按照非開裂斷面進行設計。因此，考慮預應力結構對混凝土開裂的敏感性，預應力軌道板宜按不容許開裂設計，采用雙向預應力體系，并配置普通鋼筋，限制局部開裂和裂紋寬度發(fā)展。

軌道板作為一種薄板結構，混凝土預應力過大將增加軌道板面平整度的控制難度，增加端部因應力集中而導致混凝土破壞的可能性；預應力鋼筋的大量采用將增加軌道板的制造難度和成本。因此，軌道板宜采用設計荷載作用下允許截面出現(xiàn)一定拉應力的部分預應力體系。

綜上所述，在CRTSⅢ型板式無砟軌道結構中，先張法預應力軌道板宜采用“縱橫雙向先張”的部分預應力體系。

2.3 預應力鋼筋選型

先張法預應力體系通過預應力鋼筋和混凝土之間的粘結實現(xiàn)結構預施應力，預應力鋼筋和混凝土之間粘結-滑移本構關系決定了預應力建立需要一定傳遞長度。高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道主型軌道板P5600的第一組扣件預埋套管中心距板端距離為280mm，此處混凝土的有效預應力能否建立直接影響板端結構的承載能力，因此選擇我國較為成熟的預應力混凝土軌枕用的φ7mm螺旋肋鋼絲、德國鐵路軌枕大量采用的φ9mm螺旋肋鋼絲和CRTSⅡ型板式無砟軌道混凝土軌道板φ10mm的螺旋肋鋼絲作為軌道板預應力鋼筋的備選方案并進行對比研究。

2.3.1 軌道板結構設計

φ7mm、φ9mm和φ10mm的螺旋肋鋼絲均可通過配筋設計，實現(xiàn)等效預施應力，滿足承載能力要求。直徑越小，預應力鋼筋數(shù)量越多，預應力分布越均勻。

2.3.2 施工性

施加相同的預應力，φ7mm螺旋肋鋼絲數(shù)量是φ10mm螺旋肋鋼絲數(shù)量的2倍以上。鋼筋數(shù)量的增加使軌道板預應力施工作業(yè)量增大，降低了軌道板的生產(chǎn)效率，預應力鋼絲之間張拉力的偏差控制難度加大，增加了預應力偏心、軌道板扭曲變形的可能性。

2.3.3 預應力傳遞長度

在先張法預應力構件中，預應力傳遞長度與預應力鋼筋的直徑成正比，鋼筋直徑越大，其傳遞長度越長，即較大的鋼筋直徑對預應力的建立更為不利。根據(jù)GB50010《混凝土結構設計規(guī)范》，φ7mm螺旋肋鋼絲對應預應力傳遞長度已大于350mm，難以保證板端結構的承載能力。因此，提出預應力傳遞長度縮減技術[5-6]，即在預應力鋼筋端部設置錨固板，將預應力傳遞長度縮減為200mm左右。φ10mm螺旋肋鋼絲預應力傳遞長度測試結果見圖2。

圖2 φ10 mm螺旋肋鋼絲預應力傳遞長度測試結果

基于上述分析，考慮φ10mm螺旋肋鋼絲在我國高速鐵路CRTSⅡ型軌道板中有成熟的實踐經(jīng)驗，且有利于提高預施應力作業(yè)效率及張拉力均勻性，并通過在預應力鋼筋端部設置錨墊板，可保證軌道板端部的承載能力，因此選用φ10mm螺旋肋鋼絲作為先張法軌道板的預應力鋼筋。

2.4 結構及接口設計

借鑒CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板普通鋼筋的設計經(jīng)驗，軌道板上下層縱橫向布置普通鋼筋形成鋼筋骨架，提高軌道板的整體性。為減少預應力鋼筋銹蝕，預應力鋼筋定長下料，且縱橫向預應力鋼筋長度分別小于軌道板的長度和寬度（即預應力鋼筋不露出軌道板側面），并采用封錨材料對其進行封閉，從而減少預應力鋼筋銹蝕。

為保證預制軌道板與后期澆筑自密實混凝土形成可靠的復合結構，軌道板底面預留與自密實混凝土層連接的“門”型鋼筋；為保證軌道電路的有效傳輸長度，普通鋼筋采用熱縮套管或環(huán)氧樹脂涂層進行絕緣處理；為實現(xiàn)高速鐵路綜合接地系統(tǒng)，軌道板內設置接地鋼筋與兩端接地端子相連，為其接地提供條件。

3 制造技術

目前，CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板主要采用“矩陣單元法”生產(chǎn)[7-8]，每個張拉臺座內設置8套（2×4）模板；預應力鋼筋定長下料且兩端不露出軌道板側面。為實現(xiàn)張拉梁與反力墻之間形成連續(xù)受力體系，預應力鋼筋兩端設置張拉桿，張拉梁與模板之間、相鄰模板之間、模板與反力墻之間對應張拉桿通過連接器相連；張拉臺座提供張拉反力，預應力鋼筋采用先單根后整體的張拉方式；軌道板混凝土逐模澆筑，逐模振動；矩陣單元整體養(yǎng)護；軌道板縱橫向預應力鋼筋同步放張；然后進行封錨、水養(yǎng)和存放。

軌道板模板分為原位型和隨動型，以隨動型模板為例，其生產(chǎn)工藝流程見圖3。軌道板生產(chǎn)主要工序如下：

（1）鋼筋骨架入模。在拆裝平臺上將預先編制完成的普通鋼筋骨架及預應力鋼筋吊入端側模內，并在每根預應力鋼筋端部安裝張拉桿；將鋼筋骨架與端側模整體吊入張拉臺座，放置軌道板底模上，采用螺栓將端側模與底模牢固連接。

（2）連接器安裝。在張拉臺座的張拉梁與模板之間、相鄰模板之間、模板與反力墻之間對應的張拉桿上安裝連接器，以實現(xiàn)張拉臺座內張拉端和固定端傳力的連續(xù)性。

（3）預應力鋼筋張拉，分初張拉和終張拉。初張拉采用單根張拉設備，逐根張拉預應力鋼筋至張拉控制值的30%，以消除張拉桿和連接器間的間隙，并為終張拉提供較為均勻的基準；終張拉采用張拉梁整體緩慢張拉預應力鋼筋至張拉控制值，并持荷1min后鎖緊。

圖3 隨動型模板生產(chǎn)工藝流程

（4）混凝土澆筑及養(yǎng)護。對張拉臺座內的軌道板依次進行澆筑和振動，8塊軌道板全部澆筑完成后進入養(yǎng)護階段?；炷琉B(yǎng)護可采用蒸汽養(yǎng)護和自然養(yǎng)護。蒸汽養(yǎng)護分為靜置、升溫、恒溫和降溫4個階段，應嚴格控制各階段的養(yǎng)護溫度及升降溫速率；自然養(yǎng)護在軌道板混凝土振動成型后，立即進行覆蓋保溫、保濕養(yǎng)護。養(yǎng)護過程中，通過自動補水系統(tǒng)等措施保持軌道板混凝土處于濕潤狀態(tài)[9]。

（5）預應力放張及軌道板脫模。當軌道板混凝土強度達到45MPa、彈性模量達到3.35×104MPa以上，可采用張拉梁進行預應力鋼筋整體放張。拆除連接器、拆卸端側模與底座間的緊固螺母，而后將軌道板和端側模整體吊離張拉臺座，并在拆裝平臺上進行預應力鋼筋端部張拉桿拆卸，打開端側模，實現(xiàn)軌道板完全脫模。

在“矩陣單元法”生產(chǎn)工藝中，軌道板和端側模吊離張拉臺座后，即可進行底模清理等工作，準備開始下一個“臺座內循環(huán)”。張拉桿拆卸、軌道板脫模、端側模清理、鋼筋骨架與端側模組裝等工序均在臺座外相應區(qū)域完成，實現(xiàn)“臺座外循環(huán)”。通過端側模與底模的合理配置，可實現(xiàn)“臺座內、外循環(huán)”的有序銜接，減少臺座占用時間，提高生產(chǎn)效率。

4 結束語

通過系統(tǒng)研究，我國已形成CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板復合錨固部分預應力設計技術和“矩陣單元法”制造技術，并在我國高速鐵路建設中推廣應用。根據(jù)《中國鐵路總公司關于高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)優(yōu)化的指導意見》，預應力軌道板宜采用先張生產(chǎn)工藝，因此先張法預應力軌道板將在后續(xù)工程中得到更為廣泛的應用。

隨著CRTSⅢ型先張預應力軌道板在鄭徐、京沈、濟青、商合杭等高速鐵路的工程應用，“矩陣單元法”生產(chǎn)工藝日臻成熟。但存在建場費用高、張拉臺座無法重復利用和板間連接機構裝卸費時費力等問題。為降低建場成本、提高軌道板生產(chǎn)機械化程度和實現(xiàn)關鍵工裝設備的可重復利用，應進一步深化軌道板制造技術研究。

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Design and Manufacturing Technique for CRTS Ⅲ Pre-tensioned Prestressed Track Slab

WANG Meng1，2，WANG Jijun1，2，ZHAO Yong1，2，SHI Cheng1，2
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China）

The paper carries out systematic study on CRTS Ⅲ pre-tensioned prestressed track slab with the purpose of further improving the system of prestressed concrete slabs for ballastless track as well as the systematic technology for ballasless track. The paper introduces and analyzes the type and dimension of CRTS Ⅲ pretensioned prestressed track slab, the selection of the pre-stressed system, as well as the type selection, the structure and the interface design of prestressed steel bars. It reviews the manufacturing technique and procedure of track slab using matrix element method, and it outlines the key manufacturing procedures – including the moulding of the steel reinforcement framework, connector installation, stretching of prestressed steel bars, concrete pouring and curing, disentwining of prestressed force and demoulding of track slab. It is recommended to have further study on the manufacturing technique of track slab, so as to cut the cost of factory building, make slab manufacture rely more on mechanical technology and make sure that key tools and components can be recycled.

CRTS Ⅲ slab；ballastless track；slab；pre-tensioning method；prestressed steel bar；manufacturing technology；matrix element method

TP274

A

1001-683X（2017）08-0016-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.016

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2012G005-A）

王夢（1983—），男，副研究員，碩士。

E-mail：15811021343@163.com

責任編輯 李葳

2017-04-17