CRTSⅢ型板式無砟軌道底座橫向裂縫成因及影響規(guī)律研究

李 艷

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

CRTSⅢ型板式無砟軌道結構是我國通過原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新，并結合現(xiàn)有無砟軌道技術，提出的具有完全自主知識產權的無砟軌道體系[1]。CRTSⅢ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土層、隔離層、底座板等部分組成，具有高平順性、高穩(wěn)定性、少維修性等優(yōu)點[2-3]，但根據高速鐵路個別地段無砟軌道現(xiàn)場調研結果來看，仍存在一些影響運營安全性和結構耐久性問題[4]。其中，底座板凹槽四角裂紋是無砟軌道施工和運營階段最為普遍、最易發(fā)生的質量問題之一[5-6]，如圖1所示。

圖1 無砟軌道底座凹槽四角裂紋病害

CRTSⅢ型板式無砟軌道底座板上限位凹槽對于軌道結構穩(wěn)定性和幾何形位保持具有重要意義[7]，凹槽周圍四角出現(xiàn)的裂縫有可能發(fā)展成為貫通裂縫，影響軌道結構力學性能，同時，若積水進入無砟軌道底座內部，會加速鋼筋銹蝕從而影響底座板結構耐久性[7-8]。

目前，國內已有部分學者針對CRTSⅢ板底座限位凹槽進行了相關研究，王璞[7]針對路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道底座板限位凹槽設置方式進行了研究；馬永磊[4]，鄭家輝[9]采用數值分析方法，針對路基段CRTSⅢ型無砟軌道底座板裂紋萌生與擴展進行研究；吳立娜[5]總結了CRTSⅢ型板式無砟軌道施工技術，分析施工過程中底座凹槽容易出現(xiàn)的質量問題及其產生原因；李浩宇[6]分析了CRTSⅢ型板式無砟軌道底座凹槽四角裂縫成因；于冬[10]對CRTSⅢ型軌道底座板混凝土施工裂縫進行了分析；陳國發(fā)[11]，姜浩等[12]則從施工工藝、養(yǎng)護措施角度對板式無砟軌道底座防裂技術進行研究。

綜上可知，針對底座板凹槽裂紋的研究大多局限在施工措施方面，研究對象也多針對路基地段的CRTSⅢ型無砟軌道底座凹槽。目前，我國超3萬km的高速鐵路中橋梁里程占比較大[13-16]，底座裂縫的產生也會對軌道結構產生較為不利影響。鑒于此，以跨度32 m簡支梁地段CRTSⅢ型板式無砟軌道作為研究對象，建立精細化有限元分析模型，并對比橋梁地段雙塊式無砟軌道底座板結構特點，研究底座板凹槽四角裂紋產生機理、影響規(guī)律及優(yōu)化措施。

1 底座板凹槽四角裂縫成因分析

底座板混凝土結構裂縫產生的原因，一方面來源于無砟軌道施工階段，底座板主要受澆筑時外界環(huán)境溫度、水化熱放熱及混凝土收縮共同作用導致，底座板凹槽四周出現(xiàn)裂縫；另一方面在運營階段，受外界環(huán)境的溫度變化、列車荷載長期作用以及橋梁自身結構出現(xiàn)的沉降導致上部結構開裂。根據現(xiàn)場調研經驗，由于底座凹槽四角開裂大多在自密實混凝土澆筑之前出現(xiàn)，故不考慮列車荷載、橋梁變形等外界因素對于底座板凹槽四角裂縫的影響，主要考慮外荷載影響因素為整體升降溫、溫度梯度以及混凝土收縮，因此，底座板凹槽四角裂縫成因主要有以下3點。

(1)整體溫度變化。對于橋上無砟軌道結構來說，軌道結構的整體溫度變化主要由年溫度變化引起，主要原因為一年四季的大跨度溫度變化，使混凝土結構產生整體升降溫并沿結構厚度方向溫度分布均勻，導致底座板在熱脹冷縮過程中其內部產生應力。

(2)溫度梯度。對于橋上無砟軌道結構，軌道結構的溫度梯度變化由日溫度變化引起，主要原因為軌道結構作為上部結構直接暴露在環(huán)境中，上表面受日照影響溫度上升較快，下表面不直接接收陽光且混凝土的導熱性又較低，會在底座板上下表面產生溫差，導致底座板出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，同樣當夜晚突然降溫則會出現(xiàn)下表面溫度高于上表面，發(fā)生四角翹曲現(xiàn)象[17-19]。

(3)混凝土收縮及施工養(yǎng)護。主要原因為無砟軌道底座混凝土澆筑過程中，現(xiàn)場設備、施工工藝不當，導致混凝土澆筑、振搗過程中密實度不足，混凝土失水過快從而產生體積收縮的現(xiàn)象，而當混凝土收縮應變受到約束則會導致混凝土開裂。同時，在施工過程中由于混凝土配合比不合理，底座與自密實混凝土施工間隔不足等原因也會導致底座板產生橫向貫通裂紋。

2 底座板凹槽有限元分析模型

2.1 計算參數

根據工程實際選取模型幾何尺寸，底座板尺寸為5 650 mm×2 920 mm×200 mm底座(內設2個橫向寬700 mm、縱向長1 000 mm限位凹槽)，橋梁結構簡化為一定厚度的橋面板模擬，梁內預埋及底座內連接鋼筋選用HRB400鋼筋，具體結構材料參數見表1。

表1 計算模型材料參數

2.2 有限元模型

基于ANSYS通用有限元軟件，建立橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道結構底座板精細化靜力分析模型。底座板、橋面板等均按結構尺寸采用實體單元solid185單元模擬，底座板與橋面板間預埋鋼筋采用梁單元MPC184剛性梁單元簡化模擬，底座板與橋面板采用接觸單元conta173模擬，法向考慮設計接觸剛度，切向考慮摩擦系數0.7進行模擬，橋面板底部采用固定約束。有限元分析模型如圖2所示，具體單元參數見表2。

圖2 CRTSⅢ型板式無砟軌道底座板有限元模型

表2 底座板各構件單元類型及參數

2.3 計算模型驗證

為驗證建立的底座板三維精細化靜力分析模型及模型所取參數的可靠性，施加與文獻[6]相同的荷載工況，在負溫度梯度25 ℃/m荷載作用下，底座板最大拉應力為2.20 MPa[6]，本文模型計算所得軌道板最大縱向拉應力為2.29 MPa，應力相差4.2%，兩者計算結果相差很小。由此可見，本文所建模型及模型所取參數正確可靠，可用于后續(xù)研究。

3 底座板凹槽四角裂紋影響規(guī)律研究

3.1 溫度荷載影響

橋上無砟軌道底座板為現(xiàn)澆混凝土結構，由第一節(jié)分析可知，底座板凹槽裂紋受溫度荷載影響較為明顯。本節(jié)基于建立的有限元模型施加溫度荷載，研究溫度荷載下底座板四角裂紋成因及影響規(guī)律。

3.1.1 溫度荷載取值

參考TB 10082—2017《鐵路軌道設計規(guī)范》[20]，最大負溫度梯度取45 ℃/m，最大正溫度梯度取90 ℃/m。最大整體降溫取15 ℃，涵蓋規(guī)范規(guī)定的混凝土收縮按整體降溫10 ℃考慮，最大整體升溫幅度取15 ℃。

3.1.2 不同溫度荷載作用下底座凹槽受力分析

不同溫度荷載作用下底座板主應力云圖如圖3所示。

圖3 溫度荷載作用下底座板應力云圖

由圖3可知，整體升降溫荷載作用下，凹槽位置應力與底座板其他位置應力差別不大。在正溫度梯度90 ℃/m荷載作用下，底座板凹槽四角處產生壓應力，提取應力最大值為1.7 MPa，可見正溫度梯度對施工階段底座板四角裂紋產生的影響很小，可忽略不計。在負溫度梯度45 ℃/m荷載作用下，對應凹槽處的最大拉應力為3.42 MPa，超過混凝土抗拉強度2.39 MPa，混凝土已開裂。同時，主應力最大值集中在凹槽四角附近，證明凹槽四角的確為混凝土開裂薄弱部位。

為具體分析負溫度梯度荷載下凹槽四角裂縫變化規(guī)律，進一步對底座板有限元模型分別施加負溫度梯度荷載15，20，25，35，45 ℃/m，得到不同負溫度梯度荷載下凹槽四角應力峰值變化曲線，如圖4所示。

圖4 凹槽四角應力峰值變化曲線

隨著負溫度梯度增加，凹槽四角最大應力值隨之增加，且最大值均發(fā)生在靠近凹槽四角處，底座凹槽四角處均發(fā)生應力集中現(xiàn)象。由圖4可知，當負溫度梯度達到25 ℃/m時，應力最大值為2.5 MPa，超過混凝土抗拉強度2.39 MPa，此時混凝土開裂。

3.2 凹槽結構尺寸及連接鋼筋布置影響

現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，橋上雙塊式無砟軌道底座凹槽出現(xiàn)四角裂縫相對較少。結合該現(xiàn)象，對比32 m簡支梁上雙塊式無砟軌道與CRTSⅢ型無砟軌道預埋鋼筋布置方式，如圖5所示，其中，雙塊式無砟軌道結構底座板尺寸為6 440 mm×2 800 mm×210 mm(底座內設2個橫向寬1 022 mm、縱向長700 mm限位凹槽，橋面預埋鋼筋數量22根)。橋上雙塊式底座板與CRTSⅢ型底座板結構非常相似，區(qū)別在于雙塊式板長較長，整體尺寸大，且兩者凹槽尺寸及預埋連接鋼筋布置數量存在差別。

圖5 不同底座板布置方式(單位：mm)

采用與2.2節(jié)相同的單元類型、材料參數和邊界條件建立雙塊式底座板有限元模型，施加45 ℃/m負溫度梯度荷載，得到底座板應力分布云圖如圖6所示。

圖6 雙塊式底座板應力云圖(單位：Pa)

由圖6可知，由于雙塊式無砟軌道底座板結構和CRTSⅢ型板相差不大，在45 ℃/m負溫度梯度荷載下，其應力最大值仍出現(xiàn)在凹槽四角處，為3.41 MPa。但考慮到雙塊式底座板有限元模型尺寸更大，但溫度荷載下凹槽四角應力最大值略小于CRTSⅢ型板，結合現(xiàn)場橋上雙塊式無砟軌道底座凹槽出現(xiàn)四角裂縫較少的現(xiàn)象，分析不同底座板凹槽尺寸和連接鋼筋布置數量是否對凹槽四角應力存在不利影響。

為對比不同底座凹槽尺寸和連接鋼筋布置數量對底座板凹槽四角應力的影響，建立如表3所示的3種計算模型，3種模型均采取2.2節(jié)所述方式建立有限元模型。

表3 3種對比計算工況參數

3.2.1 底座凹槽尺寸參數的影響

根據上述計算結果，負溫度梯度達到25 ℃/m時，應力最大值為2.5 MPa，已超過混凝土抗拉強度2.39 MPa，因此，本節(jié)荷載工況采用負溫度梯度25 ℃/m。對比分析不同凹槽尺寸的工況1、工況2在25 ℃/m負溫度梯度荷載作用下底座板應力分布，結果如圖7所示。

圖7 底座板應力云圖(單位：Pa)

由圖7可知，工況1、工況2在25 ℃/m負溫度梯度荷載作用下，底座板應力分布區(qū)別不大，應力最大值均出現(xiàn)在凹槽四角處，最大值分別為2.50，2.60 MPa，相差僅為4%，因此，可知底座凹槽尺寸對于凹槽四角應力影響不大。

3.2.2 梁面連接植筋影響

工況3在25 ℃/m負溫度梯度荷載作用下，底座板應力云圖如圖8所示。

圖8 25 ℃/m負溫度梯度下工況3應力云圖(單位：Pa)

由圖8可知，工況3在25 ℃/m負溫度梯度荷載作用下，底座板應力分布明顯與工況1結果有區(qū)別，最大值分別為1.74 MPa，相較于工況1應力最大值下降30%，且低于混凝土抗拉強度2.39 MPa。由此可知，底座板與橋面間連接鋼筋布置方式對于凹槽四角應力具有較大影響，也說明是否考慮預埋連接鋼筋作用對準確模擬溫度荷載作用下底座板應力分布具有重要影響。

4 底座凹槽四角裂縫防控措施研究

通過上一節(jié)分析可知，底座板與橋面連接鋼筋布置方式對底座板凹槽四角應力有較為明顯的影響，對此可通過優(yōu)化底座板與橋面間連接鋼筋布置，降低底座板凹槽四角應力，從而實現(xiàn)對底座凹槽四角裂縫的防控。

4.1 底座板與梁面連接布置方案

連接鋼筋數量分別選擇26，22，18，14，10，0根，共7種工況，具體如表4所示，對應預埋鋼筋布置如圖9所示，底座板其他參數取值同2.1節(jié)。

表4 不同預埋鋼筋布置方式工況

圖9 不同工況下底座板預埋鋼筋布置

4.2 底座板凹槽四角應力分析

不同預埋鋼筋布置方式下，底座板凹槽應力最大值及應力峰值隨預埋鋼筋數量變化趨勢見表5、圖10。

表5 工況1～工況7的底座板應力峰值

圖10 25 ℃/m負溫度梯度荷載下底座板應力最大值

由圖10可知，隨著預埋連接鋼筋數量減少，底座板應力最大值整體上呈下降趨勢，說明在溫度荷載作用下預埋連接鋼筋會限制底座板的伸縮變形，對凹槽四角處的集中應力產生不利影響；當預埋鋼筋數量降低到18根時，25 ℃/m負溫度梯度下底座板凹槽四角應力最大值2.28 MPa，低于混凝土抗拉強度2.39 MPa，說明適當減少預埋鋼筋數量有利于減少凹槽四角裂縫。

表5中工況3、工況4的預埋鋼筋數量一致，均為18根，對應布置方式見圖9(b)、9(c)，對應底座板應力云圖如圖11所示。

圖11 底座板應力云圖(單位：Pa)

由圖11可知，工況3、工況4預埋鋼筋數量雖然相同，但工況3應力峰值為2.49 MPa，明顯大于工況4下2.28 MPa，說明預埋鋼筋布置位置對底座板凹槽四角裂紋也會產生影響。

綜合對比工況1～工況4的應力計算結果和對應預埋鋼筋布置可以發(fā)現(xiàn)：減少凹槽縱向兩側鋼筋對凹槽四角應力幾乎沒有影響，減少凹槽兩側橫向鋼筋則能有效降低底座板凹槽四角應力。因此，在不影響預埋鋼筋對底座限位作用的情況下，建議適當減少靠近凹槽的橫向兩側鋼筋布置數量。

5 結論

利用ANSYS有限元仿真軟件，建立橋上CRTSⅢ型無砟軌道底座板有限元分析模型，研究溫度荷載下底座板凹槽四角裂縫成因及影響規(guī)律，并提出相應優(yōu)化措施，主要研究結論如下。

(1)正溫度梯度及整體升降溫荷載對底座板凹槽四角裂縫的影響較小，負溫度梯度影響最為明顯；當負溫度梯度超過25 ℃/m時，四角混凝土拉應力將超過混凝土抗拉強度標準值。

(2)是否考慮預埋連接鋼筋作用對準確模擬溫度荷載作用下底座板應力分布具有重要影響，預埋鋼筋布置數量減少至18根，負溫度梯度達到25 ℃/m時，凹槽應力峰值可降為2.28 MPa，低于混凝土抗拉強度標準值。

(3)相同18根預埋鋼筋、不同布置方案下，凹槽應力峰值分別為2.28，2.49 MPa。對比布置方式可以發(fā)現(xiàn)，底座板凹槽縱向兩側預埋鋼筋對四角裂縫影響小，橫向兩側鋼筋影響較大。

(4)建議在不影響預埋鋼筋對底座限位作用情況下，減少靠近凹槽的橫向兩側鋼筋布置數量，并通過優(yōu)化凹槽四周預埋鋼筋布置方式可有效降低底座板凹槽裂紋產生。