用先张法解决预应力混凝土轨道板钢筋绝缘的难题

魏周春

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

板式无砟轨道是我国应用十分普遍的一种轨道结构形式,轨道板具有质量易保障、耐久性高、抗裂性好,施工速度快,轨道可修复性较好等优点,但由于轨道板、底座、凸形挡台内的钢筋回路与钢轨通过电流之间的互感作用,影响了谐振式无绝缘轨道电路的传输长度。若不做绝缘处理,板式轨道、双块式、长枕埋入式等无砟轨道,轨道电路传输距离与标准要求的1 000～1 400 m/(2 Ω)差距很大。因此,降低无砟轨道区段对ZPW-2000轨道电路的传输影响,解决无砟轨道与ZPW-2000轨道电路相适应的问题,是我国无砟轨道大规模推广使用中必须解决的重要问题。

根据国内最新的研究测试结果,板式轨道凸形挡台及底座内的钢筋可不做绝缘处理,但轨道板内的钢筋绝缘处理仍然存在数量多、难度大的问题。

轨道结构目前采取的绝缘措施有2种,一是钢筋的交叉点加设绝缘卡或绝缘套管。二是采用涂层钢筋。这里要探讨另一种思路,通过预应力的张拉,使纵横向的钢筋交叉点不接触,钢筋间保持一定的间距,来达到绝缘目的。

2 无砟轨道结构钢筋对轨道电路的影响分析

在有砟轨道状态下,轨枕只与碎石道砟接触,轨道电路传输距离的传输特性主要由钢轨的阻抗和道砟的性能决定。碎石道床的电气特性变化范围较大,道砟的泄漏电阻值大于2 Ω·km,可以满足轨道电路的传输要求。由于无砟轨道结构中纵横向钢筋形成钢筋回路,与钢轨产生电磁耦合,使得钢轨等效阻抗的电阻分量增大、电感分量减少,从而导致轨道电路传输长度缩短。秦沈线板式和长枕埋入式无砟轨道传输距离分别为700 m/(2 Ω)、900 m/(2 Ω)。从测试数据来看,由于轨道板内钢筋间距较密,板式轨道对轨道电路的影响也更大。

3 解决轨道电路传输距离短的主要措施和存在的问题

3.1 主要措施

目前针对无砟轨道传输距离衰减采取的主要措施有：

(1)合理降低信号频率；

(2)对轨道结构钢筋交叉点进行绝缘处理；

(3)增大钢轨至轨道板内钢筋网的距离。

最合理的解决方案是电务和工务系统共同采取措施,达到经济、适用的效果。电务方面通过优化ZPW-2000轨道电路,添加信号设备,以增加传输长度,但信号设备不能无限度地增加,因此在轨道结构上必须采取相应的处理措施。

轨道结构可以采用的解决方案是钢筋交叉点绝缘和增加钢轨至轨道板内钢筋的距离两种,而增加钢轨至轨道板内钢筋的距离只能通过加大轨道板承轨台高度或增加混凝土保护层厚度,能优化的空间很少,所以通常工程中采取的措施是钢筋间的绝缘。钢筋间的绝缘方式有两种,一种是钢筋交叉点加设绝缘套管或绝缘夹,另一种是采用环氧树脂涂层钢筋。

3.2 绝缘措施存在的问题

3.2.1 绝缘卡或套管

(1)对结构耐久性的影响

目前我国采用的CRTSⅠ型轨道板为双向后张法预应力体系,板内钢筋交叉点约910个,CRTSⅡ板约1 000个。绝缘卡一般采用普通聚乙烯塑料或尼龙制作,每个绝缘卡外形体积约12 cm3(2 cm×1.8 cm×3.4 cm),如采用扣带式绝缘夹,其影响体积和范围更大。

混凝土的热膨胀系数大致可以表示为水泥石和集料膨胀系数的加权平均值。水泥石的膨胀系数大约为(10～20)×10-6/K,集料的膨胀系数(6～12)×10-6/K,所以混凝土的膨胀系数约为(7～14)×10-6/K,PVC在常溫下的线膨胀系数6～8×10-5/K。可以看出,聚乙烯、尼龙材料与混凝土收缩系数差别较大,其结合处易形成的孔洞,相当于1 000个左右的裂缝发生源,必然对轨道板的耐久性产生不良的影响,其影响程度尚不明确,需要通过实践来检验。

(2)增大轨道板的生产成本

每个绝缘夹约0.25元,每块板内绝缘费用约250元(不含人工费),每单线千米增加投资2.5～3万元。

3.2.2 涂层钢筋

采用涂层钢筋避免了裂缝源的产生,但环氧树脂涂层导致混凝土的握裹力降低大约20%,对结构的承载力和耐久性产生较大的影响。从近期轨道板的制造情况来看,由于钢筋间的摩擦易使涂层剥落,绝缘效果不很理想,多数生产厂采用涂层钢筋的同时在关键部位加设绝缘夹或绝缘纸。

涂层钢筋每吨增加费用2 000元左右,每块轨道板增加约360元,每千米增加投资约7.2万元。

4 先张法解决轨道板钢筋绝缘的思路

这里要介绍的是一种新的思路：采用先张法生产轨道板,板内纵横向钢筋互不搭接,保持一定的距离,利用混凝土本身的绝缘性能达到绝缘效果。

4.1 轨道板内钢筋的绝缘方式

4.1.1 CRTSⅠ型轨道板的绝缘方式

国内目前采用的是双向后张法生产Ⅰ型轨道板,预应力钢筋与构造钢筋布置如图1所示,板中心为预应力钢筋,上下层为构造钢筋。

图1 Ⅰ型轨道板钢筋布置示意

新的设计思路是采用先张法预应力制造轨道板,将螺旋肋钢丝对称布置于轨道板两侧,外侧为纵向钢丝,内侧为横向钢丝,也就是将预应力钢筋布置在普通构造钢筋的位置上,同时发挥构造钢筋的作用。为满足轨道电路的绝缘要求,纵横向预应力钢筋分离布置,钢筋之间间距5 mm以上,不需采取其他的钢筋绝缘措施。如图2所示。

图2 新方案Ⅰ型轨道板钢筋布置示意

4.1.2 CRTSⅡ型轨道板的绝缘方式

CRTSⅡ型轨道板为单向预应力结构,横向施加预应力、纵向为非预应力的体系,如图3所示,上下层非预应力钢筋交叉点1 000个左右。

图3 Ⅱ型轨道板钢筋布置示意

利用CRTSⅡ型轨道板生产工艺中的先张法预应力的张拉体系,对普通构造钢筋施加一定的张拉力,使钢筋之间保持5 mm以上的距离,避免采用涂层钢筋和绝缘夹。张拉应力的大小可按两种思路控制：一是钢筋张拉后处于水平状态,不产生向下的挠曲；二是钢筋张拉的伸长量等于混凝土最终的收缩量,也就是保证轨道板达到设计强度后,构造钢筋的内部应力为零。

4.2 绝缘效果

混凝土本身具有较强的绝缘性能,可利用这一特性来达到绝缘的目的。混凝土的电阻率一般在10 000～15 000 Ω/cm,高的超过20 000 Ω/cm。若钢筋间距5 mm以上,电阻率大于5 000 Ω,对轨道电路没有影响。轨道板生产过程中需要水养3 d以上,先张法预应力轨道板在水池中浸泡14 d后,湿润条件下测试的导电率没有变化。

4.3 新思路的优点

(1)不增加绝缘措施的情况下,解决了轨道板内纵横向钢筋对轨道电路的影响问题。

定性测试表明：采用这种轨道板的无砟轨道,其轨道电路电气性能接近于有砟轨道。

(2)避免了为满足轨道电路采取的绝缘措施对轨道板耐久性产生影响。CRTSⅠ型、CRTSⅡ型轨道板内纵横向钢筋交叉点1 000个左右,采用套管、绝缘卡或涂层钢筋,均会对混凝土内在质量、钢筋与混凝土之间握裹力以及结构的耐久性产生不利影响,而先张法预应力轨道板的配筋方式可彻底解决了这一难题。

(3)经济性好。先张法生产CRTSⅠ型预应力轨道板成本较低的原因在于：节省了后张法轨道板的锚具；节省了采用涂层钢筋或绝缘套管所需要的费用；轨道板内的钢筋用量较少。初步估算,每块板的生产成本较双向后张预应力轨道板降低约2 000元。

对CRTSⅡ型轨道板内构造钢筋施加一定的张拉力,节省了涂层钢筋或绝缘套管的费用,生产成本有一定程度的降低。

4.4 长面台座法生产工艺

长面台座法与长线台座法相似,为了施加双向预应力和提高生产效率,轨道板模型沿纵、横双向布置成矩形,纵向布置10排模型(或更多),总长度约50 m,横向布置4～6列模型,总宽度约为18 m。可同时生产40～60块轨道板以上。钢筋采用单端张拉,模型不承受预应力,预应力由沿4条边布置的张拉台座承受,张拉台座应具有足够的强度、刚度和稳定性。

长面台座法生产工艺具有占地少、投资少、生产工艺简便高效、产品质量容易保证等优点。

5 结语

通过分析检算和室内试验表明,双向先张预应力混凝土轨道板的强度、抗裂和疲劳承载力等各项力学性能指标较高,满足板式无砟轨道结构的要求。经现场测试,轨道板绝缘性能良好,满足轨道电路的要求。滨绥线成高子车站严寒地区无砟轨道试验段铺设了200 m先张法预应力轨道板, 2008年11月初通车运营,每日通过货车58对,客车19对,1年多来,轨道板性能稳定,状态良好。

[1]高仕斌,卢 涛,侯震宇,等.无绝缘轨道电路对无砟轨道的适应性分析[J].电气化铁道，2006(S1).

[2]钱振地,赵国堂,杨奎芳.板式无砟轨道对无绝缘轨道电路适应性研究[J].铁道建筑,2004(11).