施工早期CRTSⅢ型無砟軌道底座板凹槽角裂紋萌生原因分析

鄭家輝 薛志強 陳進(jìn)杰 王建西，3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué) 交通運輸學(xué)院，河北石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北石家莊 050043)

CRTSⅢ型無砟軌道是我國自主研發(fā)的無砟軌道結(jié)構(gòu)，由于其單元結(jié)構(gòu)的易維修性，已逐漸成為我國高速鐵路工程中最主要的結(jié)構(gòu)形式。成貴高鐵、京沈高鐵、鄭萬高鐵等多條高速鐵路均采用這種軌道形式。自密實混凝土和底座板凹槽組成限位結(jié)構(gòu)，其工作性能是CRTSⅢ型無砟軌道安全服役的重要指標(biāo)。

由于底座板多為現(xiàn)場澆筑施工，受環(huán)境溫度影響較大。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有太陽照射的路基地段底座板裂縫遠(yuǎn)多于沒有太陽照射的隧道地段，個別凹槽角裂紋已發(fā)展為橫向貫通裂紋(見圖1)。凹槽角裂紋的出現(xiàn)可能會影響軌道結(jié)構(gòu)的受力特性和耐久性，導(dǎo)致其使用壽命降低。

圖1 凹槽角開裂

對于底座板凹槽角裂紋的成因，已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，周珂等主要考慮凹槽四周彈性墊層參數(shù)對底座板應(yīng)力的影響[1]；李兆倫等從養(yǎng)護(hù)措施的角度分析如何預(yù)防底座板凹槽開裂[2]；于東等針對高寒地區(qū)的混凝土施工裂縫進(jìn)行研究，為施工早期混凝土的保溫提供了可行性建議[3]。另外，霍春陽對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工階段水化熱對道床板開裂的影響進(jìn)行了研究[4]；蘇成光研究了雙塊式無砟軌道施工早期溫度場，為其現(xiàn)場澆筑施工提供了理論依據(jù)[5]?？傮w來說，CRTSⅢ型無砟軌道底座板服役時間較短，目前針對凹槽角裂紋的研究存在大量空白。

以京沈高鐵為背景，對CRTSⅢ型無砟軌道底座板澆筑時期的應(yīng)力場特性進(jìn)行研究，基于ABAQUS有限元軟件建立CRTSⅢ型無砟軌道底座板三維實體模型，分析在施工階段澆筑溫度對底座板凹槽角開裂的影響。

1 底座板施工階段模型

1.1 模型建立

根據(jù)路基段CRTSⅢ型無砟軌道底座板施工階段的結(jié)構(gòu)特性和施工步驟，建立底座板、基床表層、基床底層、路基本體和地基的有限元模型(如圖2所示，總長11.32 m)。底座板為現(xiàn)場澆筑，施工前，應(yīng)在底座板四周及凹槽內(nèi)壁設(shè)置位移約束模具。

圖2 施工階段CRTSⅢ型無砟軌道模型

底座板混凝土與外界環(huán)境溫度存在差值時，發(fā)生的熱交換可采用文獻(xiàn)[4]中的混凝土表面在空氣中的對流換熱系數(shù)表達(dá)式，水化熱可采用文獻(xiàn)[5]中的雙曲線水化熱表達(dá)式，混凝土的收縮徐變可參考文獻(xiàn)[6]。在仿真計算中，通過等效降溫的方法來模擬混凝土收縮影響。澆筑溫度取外界環(huán)境溫度，并假設(shè)每天溫度變化相同(取承德地區(qū)5月份單日平均的氣溫變化值)，以減小特殊天氣對溫度場計算的影響。

選取不同凹槽角來分析應(yīng)力隨時間的變化情況，進(jìn)而通過應(yīng)力值來反映底座板凹槽角處裂紋情況。如圖3所示。

圖3 底座板測點分布

1.2 模型參數(shù)

底座板為C35混凝土，截面尺寸為3.1 m×0.3 m，凹槽尺寸為0.7 m×1 m×0.1 m。底座板澆筑過程中，混凝土彈模的變化如圖4所示，澆筑完成后，底座板材料參數(shù)見表1。

圖4 混凝土彈性模量

表1 底座板材料參數(shù)

2 水化熱和混凝土澆筑溫度的影響

以下研究凹槽角裂紋的萌生，若拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，則認(rèn)為出現(xiàn)裂紋。8個測點關(guān)于縱軸兩兩對稱，底座板中部較兩側(cè)散熱速率慢，水化熱產(chǎn)生的熱量較難釋放，故中部的內(nèi)外溫差較大，測點F、G處的應(yīng)力也就更大。另一方面，模具對混凝土初期養(yǎng)護(hù)具有保護(hù)作用，在拆模之前，混凝土大部分處于受壓狀態(tài)，距離模具距離越遠(yuǎn)的點，受保護(hù)程度越小。經(jīng)仿真模擬也可發(fā)現(xiàn)，測點F、G處在各個入模溫度的工況下，應(yīng)力均為最大?；谧畈焕蛩乜紤]，提取G點數(shù)據(jù)，用于分析底座板凹槽角裂紋的萌生。

2.1 不同澆筑溫度對底座板溫度場的影響

當(dāng)外界環(huán)境溫度分別為12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃時，底座板凹槽角測點G的溫度場變化曲線如圖5所示。

圖5 底座板G點溫度變化曲線

由圖5可知，無論澆筑溫度為多少，底座板溫度場均在澆筑完成后1 d內(nèi)達(dá)到極值。當(dāng)澆筑溫度為分別為12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃時，極值分別為27.2 ℃、29.1 ℃、29.5 ℃、30.2 ℃和31.5 ℃。隨著養(yǎng)護(hù)時間的推移，底座板溫度逐漸下降，最終均穩(wěn)定在24 ℃～25 ℃之間。

2.2 不同澆筑溫度對裂紋萌生的影響

當(dāng)外界環(huán)境溫度分別為12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃時，底座板凹槽角測點G的應(yīng)力變化曲線與混凝土抗拉強度對比如圖6所示。

圖6 底座板G點應(yīng)力變化曲線

(1)當(dāng)澆筑溫度為12 ℃時，在澆筑完成5 d時，拉應(yīng)力極值穩(wěn)定在0.32 MPa；且整個養(yǎng)護(hù)28 d期間，應(yīng)力極值均未超過混凝土抗拉強度，故認(rèn)為不會出現(xiàn)裂紋。

(2)當(dāng)澆筑溫度為18 ℃時，在澆筑完成5 d時，拉應(yīng)力極值穩(wěn)定在0.2 MPa，且整個養(yǎng)護(hù)階段應(yīng)力極值均未超過混凝土抗拉強度，故認(rèn)為不會出現(xiàn)裂紋。

(3)當(dāng)澆筑溫度為22 ℃時，在澆筑完成5 d時，每日拉應(yīng)力極值穩(wěn)定在1.35 MPa，在3～4 d內(nèi)，應(yīng)力極值超過混凝土抗拉強度，故認(rèn)為可能會出現(xiàn)裂紋。

(4)當(dāng)澆筑溫度為24 ℃時，在3 d時拉應(yīng)力極值超過混凝土抗拉強度，之后隨著養(yǎng)護(hù)時間增長，混凝土強度升高，在10 d時，凹槽角應(yīng)力極值開始低于混凝土抗拉強度，故認(rèn)為凹槽角在3～10 d可能出現(xiàn)裂紋。

(5)當(dāng)澆筑溫度為30 ℃時，從2 d開始，凹槽角的應(yīng)力極值超過混凝土抗拉強度且在整個養(yǎng)護(hù)28 d期間，每日應(yīng)力極值均超過混凝土抗拉強度，故認(rèn)為在2～28 d均有可能出現(xiàn)裂紋。

2.3 升降溫對裂紋萌生的影響

除每日最低溫和每日最高溫以外，其他時間進(jìn)行澆筑存在2種可能：外界環(huán)境正在升溫或外界環(huán)境正在降溫。以下考慮升降溫對底座板凹槽角的影響，取18 ℃時，10:00澆筑和21:00澆筑為一組對比工況。另取24 ℃時，12:00澆筑和18:00澆筑為一組對比工況。

(1)溫度為18 ℃時，10:00澆筑和21:00澆筑底座板凹槽角G點應(yīng)力變化曲線如圖7所示。

圖7 底座板G點應(yīng)力變化曲線

由圖7可知，10:00澆筑和21:00澆筑時，底座板凹槽角測點應(yīng)力變化趨勢基本一致。21:00澆筑時測點達(dá)到壓應(yīng)力峰值的時間較10:00澆筑時晚2 h左右，拉應(yīng)力峰值早2 h左右。10:00澆筑和21:00澆筑時各測點的拉壓應(yīng)力峰值基本一致，且均小于混凝土抗拉強度。整體來說，澆筑溫度為18 ℃時，升降溫對底座板凹槽角處的應(yīng)力場影響不大。

(2)澆筑溫度為24 ℃時，12:00和18:00澆筑底座板凹槽角G點應(yīng)力的變化曲線如圖8所示。

圖8 底座板G點應(yīng)力變化曲線

12:00和18:00澆筑測點變化趨勢基本一致，但12:00澆筑時，入模溫度較高且澆筑后溫度升高較快，測點迅速升溫。由于模具的存在，混凝土受熱膨脹受到抑制，測點很快達(dá)到壓應(yīng)力極值。12:00澆筑時的壓應(yīng)力極值較18:00大0.2 MPa左右。12:00澆筑時前期受到較大的壓應(yīng)力，故拆模后拉應(yīng)力極值到達(dá)時間相對較晚。12:00澆筑時凹槽角應(yīng)力值在3～6 d時超過混凝土抗拉強度，由此可以認(rèn)為澆筑溫度為24 ℃時，12:00澆筑較18:00澆筑更能避免裂紋的出現(xiàn)。

2.4 拆模時機的選擇

由于底座板側(cè)向的支撐鋼膜可以重復(fù)利用，提早拆?？梢蕴岣呤┕さ男什⒐?jié)省材料。但模具在混凝土澆筑完成后對混凝土開裂可以起到一定的保護(hù)作用，過早拆模不利于混凝土的受力。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道底座板拆模時間一般為2d，為了提高施工效率且不影響混凝土的受力，有必要對不同溫度下拆模時機的選取進(jìn)行計算。

圖9為無鋼膜支撐時，底座板凹槽G點應(yīng)力隨時間的變化曲線。

如圖9所示，在無鋼膜支撐時，凹槽點受壓時間明顯縮短，澆筑后不久便開始受拉，且達(dá)到的拉應(yīng)力峰值均大于有鋼膜支撐時的峰值。

圖9 底座板G點S11(橫向)S22(垂向)S33(縱向)應(yīng)力隨時間變化曲線

當(dāng)澆筑溫度為12 ℃時，澆筑完成15 h后，應(yīng)力開始小于混凝土抗拉強度。當(dāng)澆筑溫度為18 ℃時，澆筑完成10 h后，應(yīng)力開始小于混凝土抗拉強度。因此，認(rèn)為在1 d之內(nèi)拆模并不會影響混凝土受力，可提前拆模。

當(dāng)澆筑溫度為24 ℃和30 ℃時，無模具狀態(tài)下應(yīng)力值在2 d后依然超過混凝土抗拉強度，不適合提早拆模。

3 混凝土收縮作用下底座板裂紋萌生分析

將混凝土收縮作為一個單獨的因素對CRTSⅢ型無砟軌道底座板凹槽角裂紋進(jìn)行分析。由于底座板凹槽角位置關(guān)于縱軸對稱，故選取一半測點進(jìn)行分析。測點A、B、E、F處在混凝土收縮作下應(yīng)力隨時間變化曲線如圖10所示。

圖10 S11(橫向)S22(垂向)S33(縱向)應(yīng)力隨時間變化曲線

混凝土收縮作用下，主要影響底座板凹槽角的縱向應(yīng)力，橫向和垂向應(yīng)力變化不大。各測點的應(yīng)力變化趨勢較為一致。A、B兩點處在整個養(yǎng)護(hù)過程中未超過混凝土抗拉強度，認(rèn)為在混凝土收縮作用下A、B、C、D4個測點不會出現(xiàn)裂紋。在25 d時，E點縱向應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，在24 d時，F(xiàn)點超過混凝土抗拉強度，故認(rèn)為E、F、G、H4個測點在混凝土收縮作用下會發(fā)生破壞，建議加強養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)論與建議

利用有限元軟件對施工階段CRTSⅢ型無砟軌道底座板凹槽角裂紋的萌生進(jìn)行了分析，主要考慮外界環(huán)境因素和水化熱共同作用，以及混凝土收縮單獨作用對裂紋萌生的影響，得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)?shù)鬃鍧仓囟仍?2 ℃以下時，在整個養(yǎng)護(hù)階段不會出現(xiàn)裂紋；當(dāng)澆筑溫度>22 ℃時，在澆筑完成3～10 d時，建議每日中午灑水降溫；澆筑溫度高于30 ℃時，不建議進(jìn)行澆筑施工。

(2)當(dāng)澆筑溫度一定時，升降溫對底座板整個養(yǎng)護(hù)階段的應(yīng)力狀態(tài)影響不大。

(3)當(dāng)澆筑溫度小于18 ℃時，在底座板混凝土完成終凝后即可拆模；澆筑溫度大于24 ℃時，不建議提早拆模。

(4)在混凝土收縮作用下，底座板中間2個凹槽四角易發(fā)生傷損，證明了養(yǎng)護(hù)階段底座板薄膜覆蓋的必要性。