哈大铁路客运专线CRTSⅠ型轨道板翘曲变形研究

傅成志，刘衍文

(中建铁路建设有限公司，北京 100053)

CRTSⅠ型轨道板在板场内预制完成后将转移到线路上铺设。铺设后的轨道板板面与空气充分接触，板底密贴CA砂浆。板面和板底与外界的接触面和阳光的照射等存在差异，使板内形成温差，产生应力，轨道板发生各个方向的变形，引起轨道板发生翘曲变形。

轨道板翘曲达到一定程度后将会形成离缝。离缝的出现使得列车运行时产生的外力首先消除轨道板的翘曲变形，然后才能作用到CA砂浆层。若离缝较长，一直延伸到承轨台下，钢轨将会随着列车运行产生变形，影响轨道的平顺性，进而影响列车运行的平稳与舒适性。通过对轨道板翘曲、离缝进行观测试验，对轨道板翘曲变形、离缝与环境温度和温差的相互关系进行分析，总结出轨道板翘曲变形及离缝的规律，提出减少无砟轨道板裂纹、翘曲、离缝现象的注意事项和建议措施，为无砟轨道板的预制、铺设提供参考。

1 轨道结构概况

1.1 轨道板结构介绍

客运专线CRTSⅠ型无砟轨道板是C60高性能钢筋预应力混凝土结构，其标准板外形尺寸为:宽2 400 mm ×高200 mm ×长(4 962、4 856、3 685)mm。轨道板使用双列式承轨台，承轨台高20 mm。以施工中使用最多的一种轨道板P4962轨道板为例示意轨道板的结构尺寸，见图1。

1.2 轨道结构介绍

哈大客专全线轨道结构由钢轨、扣件、CRTSⅠ型轨道板、CA砂浆和混凝土底座组成。轨道板下为50 mm厚的CA砂浆，CA砂浆下设C40混凝土底座，桥上底座厚度为200 mm，路基上底座厚度为300 mm。桥上轨道结构见图2。

图1 P4962轨道板结构(单位:mm)

图2 桥上轨道结构(单位:mm)

2 轨道板翘曲、离缝的说明

由于条件有限，且鉴于轨道板垂直方向变形的重要性，仅对轨道板垂直方向的翘曲变形进行研究，本文所指的位移均指在垂直方向发生的翘曲变形的大小。

离缝是指在完成CA砂浆灌注后，轨道板底面与CA砂浆表层的缝隙用1 mm厚度塞尺检测插入深度大于5 cm的缝隙。轨道板离缝的主要特征有2点:一是轨道板板底与CA砂浆表层结合不密实，存在1 mm及以上的缝隙;二是该缝隙长度大于5 cm。

离缝的产生是由于轨道板垂直方向翘曲达到一定程度或是CA砂浆灌注不饱满引起的。

3 轨道板翘曲、离缝试验

3.1 轨道板翘曲、离缝的原因

在刚完成CA砂浆灌注后轨道板底面与CA砂浆之间无缝隙。经过一段时间再检查，轨道板与CA砂浆填充层之间出现离缝现象。离缝集中分布在板的四角，极少数会延伸到板端第1个承轨台下。

对轨道板离缝原因进行初步分析，存在2种可能:CA砂浆体积发生不均匀变化和轨道板自身变形。

(1)CA砂浆体积变化原因。CA砂浆体积的不均匀变化会导致CA砂浆层表面部分地方凸起或凹陷，引起轨道板底与CA砂浆层结合不密实，出现离缝。为了研究CA砂浆的性能，对10组CA砂浆试件进行试验，发现在24 h后CA砂浆膨胀率约等于0，且体积变化均匀。因此可排除是CA砂浆膨胀或者收缩原因引起的离缝。

(2)轨道板自身变形。根据以往对混凝土板式结构的研究，可知混凝土板在存在温差的情况下会产生变形。铺设完成的轨道板板面与板底温度存在差异，在轨道板内出现温差。板内温差的出现，使轨道板产生翘曲变形甚至离缝。因此本文将温度及温差做为轨道板翘曲、离缝试验的重点研究对象。

3.2 翘曲、离缝试验条件

为了研究外部环境温度对轨道板变形产生的影响，从2010年9月11日凌晨2点到次日凌晨2点对已灌注的3孔箱梁上的21块轨道板(其中15块P4962，6块P3685)进行翘曲、离缝观测，天气为阴天。

本次试验每2 h记录1次，主要观测以下内容。(1)轨道板板中及板端翘曲变形。用百分表对板四角及板中的变形大小进行观测。(2)板面和板底温度。对观测点的板底和板面温度用红外线温度测量仪进行测量。板面大于板底温度称为正温差，板面低于板底温度称为负温差。(3)环境温度。环境温度见表1。

表1 2010年9月11日环境温度 ℃

3.3 翘曲、离缝试验数据采集

经过对所采集的数据进行统计分析，得到当天的环境温度与离缝的关系如图3所示，板面板底温差与翘曲变形位移相对关系如图4所示。

图3 温度与离缝情况

图4 轨道板温差与位移情况

3.4 试验数据分析

3.4.1 温度与温差分析

(1)环境温度变化情况。该天环境温度在14点的时候达到最高，为31℃;在凌晨4点的时候，温度最低，为14℃;该天平均气温为21.8℃。在5点到14点温度处于上升趋势，在14点到22点，温度处于下降趋势，其余时间温度较为稳定，波动幅度不大。

(2)温差变化情况。白天和晚上存在不同的温差，最大正温差在12点出现，为4℃;最大负温差在凌晨4点的时候出现，为2.5℃。轨道板的正温差在6点到16点时出现;负温差在2点到6点和16点后出现。需要说明的是，由于条件所限，所记录的温度并不能完全反应板底的实际温度，因此所计算出的温差只能代表板外部温度与板内部温度的成正相关的关系。

(3)温度与温差的关系。板面直接暴露于大气当中，温度变化较板底敏感;板底密贴CA砂浆，处于阴面，温度变化较板面较为迟缓。对温度的灵敏性不同将会产生温差。温度变化越快，温差也越大。

3.4.2 翘曲变形观测情况

(1)翘曲的范围和大小。轨道板四角翘曲范围基本上为板端到第1个承轨台之间，极少数会出现在承轨台下，其大小为0～1.2 mm。

(2)每块轨道板翘曲变形的规律基本相同，呈反复“下沉—上翘—下沉”趋势。

(3)在6点到18点时间段(可大致概括为白天)，以起始观测位置为基准，轨道板四角向下发生位移，存在着向下的变形。

(4)在2点到6点、18点到第二天凌晨2点(可大致概括为夜晚)，以起始的位置为基准，轨道板基本上没有位移，或位移较小。

3.4.3 离缝观测情况

(1)离缝在早上6点的时候数量最多，在13点最少。夜晚温度较为稳定，温差较小，离缝的数量相对比较稳定;白天温度的变化幅度较大，温差也较大，离缝数量变化较大。离缝从5点到11点呈减少趋势，从11点到19点呈增多趋势，其余时间离缝数量较为稳定。

(2)离缝出现范围。离缝出现大多在轨道板四角出现，有极少数情况会延伸到距离板端20 cm的第1个承轨台处，轨道板中不会出现轨道板离缝现象。

(3)单块轨道板离缝出现数量:轨道板四个角不是同时出现离缝，存在可能只有某一个或几个角离缝，其余角不离缝的情况。

4 短钢轨约束翘曲试验

在实际施工中，在轨道板上还要铺设长钢轨。2010年9月11日为铺设完成后无钢轨约束状态下进行观测，为了模拟较真实的状态，同时也对试验结果进一步验证，于9月12日凌晨对3孔梁铺设100 m钢轨，并在扣件进行锁定状态下对相同的轨道板进行2个周期的观测。钢轨由若干短钢轨组成，接头部分用螺栓进行连接。

4.1 试验条件

2010年9月12日阴转小雨，9月13日晴，各天监测时间和环境温度见表2。

表2 2010年9月12日和9月13日环境温度

4.2 试验数据

对以上2 d采集的数据进行分析，可得到温差与位移的关系如图5、图6所示。

图5 9月12日温差与位移

图6 9月13日温差与位移

4.3 试验现象与结论

对本次观测得到的数据进行分析，可得到以下结果。

(1)9月12日温差较小，为1.2～1.4℃，翘曲变形为0～0.6 mm，基本上没有离缝;9月13日温差较大，为1.6～5.6℃，翘曲变形为0～1.3 mm，离缝较多。进一步证明了前文中讲述的“温差越大，翘曲越大，离缝越多”的观点。

(2)在轨道板1号点处，属于钢轨接头部位。无接头部位的应力转移到此点，变形明显大于其他点位。

(3)钢轨的约束作用。9月12日温差较小，轨道板的翘曲受到钢轨的约束，离缝明显减少;9月13日温差较大，虽然轨道板的翘曲受到钢轨的约束，但相对于温差应力，钢轨约束作用较小，仍能产生较大的翘曲变形，离缝并未减少。

4.4 钢轨锁定后翘曲、离缝情况预测分析

经过9月12日试验，可对钢轨约束情况下的轨道板翘曲进行预测分析。钢轨精调锁定完后，钢轨形成一个整体，可以认为在轨道板上加了一个极大的荷载，单块和数块轨道板的温差应力变形是不会引起钢轨发生位移的。由于受到长钢轨的约束，轨道板四角翘曲变形的幅度会受到约束。假定长钢轨约束力大于温差应力的情况下，将会因锁定时间的不同而出现以下2种情况。

(1)在白天进行钢轨锁定时，由于轨道板在白天四角处于下沉状态，因此与未锁定钢轨、其他条件相同(主要是指温差)相比较，白天的离缝将会基本不变。夜晚出现温差应力，四角翘曲，但受到钢轨约束，翘曲位移减小，出现的离缝也会减少。

(2)在夜晚进行钢轨锁定时轨道板处于上翘状态，在白天受到温差应力出现下沉趋势时受到钢轨约束，位移减小，将不能复位到相同的状态，即会出现相同条件下比白天更多的离缝。

若温差较大，长钢轨的约束力远远小于轨道板温差产生的应力，翘曲变形虽然受到影响减小，但是离缝情况基本上不会受到改变，将在相同条件下产生相同数量的离缝。

5 翘曲、离缝试验总结

经过试验得到的观测结果，可基本得出主要是由于温度的变化产生温差，从而引起轨道板翘曲。当轨道板翘曲位移大于1 mm，深度大于5 cm时将会产生离缝。轨道板的翘曲、离缝存在以下规律。

(1)在正温差时，轨道板四角下沉，大小与轨道板温差有关，温差越大，下沉位移越大。此阶段一般出现在白天，因此白天的离缝比晚上少。

(2)在负温差时，轨道板四角翘曲，大小与轨道板温差有关，温差越大，上翘位移越大。此阶段一般出现在晚上，轨道板出现翘曲现象，进而引起离缝。

(3)温度变化越快，温差越大，变形也越大。随着环境温度、温差的变化，轨道板翘曲大小也在跟着变化，是否离缝也随之变化。在环境温度升高阶段，轨道板四角翘曲位移减小，离缝逐渐减少;在环境温度降温阶段，轨道板四角翘曲位移增大，离缝逐渐增多。

(4)板中变形较小。在忽略板的自重情况下，在正温差情况下板中将向上翘曲。但由于板的自重作用，其值远远大于温差应力引起的翘曲变形，所以板中不会发生翘曲;同时第一个承轨台处的翘曲变形也较小。

(5)轨道板四角翘曲大小存在差异。一般情况下，轨道板四角翘曲差异不大，但是也在某些特定原因下产生不同大小的翘曲。此种情况会引起相邻两块板的板端承轨台高程误差。

(6)钢轨锁定的时间对轨道板的翘曲的影响。钢轨锁定能够约束轨道板的翘曲变形，进而控制离缝的数量。在温差较小的情况下，短钢轨约束作用对翘曲、离缝的影响非常显著;在温差较大的情况下影响不明显。

(7)在轨道板向上翘曲具有离缝时进行钢轨锁定，若次日温差较小，即使白天翘曲也不能复位，从而产生离缝。若次日温差较大，轨道板四角仍能摆脱钢轨约束而下沉，消除翘曲。

6 无砟轨道建议施工措施

经过上文的分析，总结出了温差引起的轨道板翘曲变形、离缝的规律，据此可以在施工中对温差引起的问题采取针对措施，减少和避免由此带来的质量问题，保证列车运行的安全与舒适性。

6.1 轨道板生产裂纹控制

(1)轨道板生产时务必严格控制轨道板在蒸养过程中轨道板的升温、降温速度，注意不要使厂房内温度发生过大的波动，引起较大的温差。

(2)在厂房外产生的温差比厂房内大得多，因此在厂房内必须养护到一定强度后才能将轨道板运到室外场地存放，避免由于温差带来的轨道板裂纹。

6.2 轨道板铺设减少离缝措施

(1)灌注后对灌注口进行挤浆。此措施目的在于确保CA砂浆的饱满度，避免CA砂浆水分流失而萎缩产生的离缝。

(2)保证CA砂浆的流动度。此措施是为了保证CA砂浆能够流动到较远端，保证砂浆灌注饱满，灌注完成后注意四角是否饱满，避免砂浆质量原因导致的离缝。

(3)宜在轨道板向上翘曲时(一般在夜晚)进行CA砂浆灌注。轨道板向上翘曲时，CA砂浆将填满由于翘曲产生的缝隙，在翘曲变形复位时将与CA砂浆紧密结合，减少离缝。

6.3 钢轨锁定精调后消除离缝影响的措施

(1)尽量利用白天进行轨道精调、锁定，有助于减少温差引起的翘曲、离缝。

(2)在钢轨锁定精调后，对于承轨台处的离缝必须消除。

由于相邻2块板端承轨台本身可能存在的高程误差，温差也会引起轨道板翘曲，在相邻承轨台之间出现更大的高程差，引起板端被钢轨吊起悬空，出现离缝。对于此种情况，可在轨道板出现正温差产生大的向下变形时，利用塞入轨下调高垫板消除翘曲、离缝。

7 结语

通过对铺设完成的轨道板在无钢轨约束和短钢轨约束的环境下进行翘曲位移和离缝观测试验，总结了轨道板翘曲变形、离缝的规律，为控制无砟轨道板预制、铺设提出了施工注意事项和建议施工措施。在试验过程和数据分析中，由于条件所限并未就板的真实温差大小与环境温度之间的关系深入研究，希望在以后的研究中能够对轨道板翘曲进一步的研究，从而较好掌握“温差－翘曲变形”规律。

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