CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板机理及整治措施深化研究

2018-08-01张杰

铁道建筑 2018年7期

张杰

(中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071)

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构采用高精度预制轨道板，通过纵向张拉连接的方式，将轨道板纵向连成整体，以减少自由边并形成整体受力。轨道结构整体性大大提高，由此带来线路运行的高平顺性和高舒适性。

由于CRTSⅡ型板式无砟轨道沿线路纵向连续铺设，温度荷载作用下轨道结构的轴向变形受到约束，导致结构内部产生较大的温度力，并成为控制结构设计的主要荷载之一[1-2]。运营实践表明，高温期间特别是持续高温期间，CRTSⅡ型板式无砟轨道会产生起拱、胀板，这是一个应力、应变逐渐积累后瞬态释放的过程，具有突发性、不可预测性等特点，是CRTSⅡ型板式无砟轨道结构运营中最主要的风险源。胀板的主要病害表现为轨道板破损、宽接缝破损、轨道板与CA砂浆层间离缝等形式[3-4]，进而带来轨道几何尺寸偏差，给行车安全带来巨大隐患。

本文在CRTSⅡ型板式无砟轨道运营养护及维修实践的基础上，分析CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板病害的发生机理，总结现有防治措施并提出后续优化措施，以期为CRTSⅡ型板式无砟轨道养护维修提供参考。

1 胀板机理及主要影响因素分析

引起CRTSⅡ型板式无砟轨道胀板的因素很多，从既有研究成果可知[5-6]，主要影响因素包括温度荷载、CA砂浆层劣化、宽窄接缝伤损等。温度荷载包括整体升温荷载和温度梯度荷载2种。整体升温荷载引起结构纵向伸缩变形，而温度梯度荷载引起轨道板的翘曲变形。温度荷载是无砟轨道胀板的主要外部因素。运营过程中受到水、温度等外部因素作用及列车荷载影响，导致结构分层，削弱了轨道板的抗压刚度、竖向约束和稳定性能，导致胀板病害进一步恶化。宽窄接缝的伤损是轨道板轴向温度力产生偏心的重要影响因素，加速了胀板发展，增大了胀板的危害性。

1.1 整体升温的影响

与钢轨锁定轨温相似，CRTSⅡ型轨道板也存在锁定板温的概念。轨道板随温度的热胀冷缩变化量Δl可表示为

Δl=αl(T-T0)

(1)

式中：α为钢筋混凝土材料的线膨胀系数，℃-1；l为轨道板长度，CRTSⅡ型标准轨道板长度为 6 450 mm；T，T0分别为轨道板实际板温和锁定板温，℃。

从式(1)可知，当温度T高于施工锁定板温T0形成正温度差后，轨道板有发生膨胀变形的趋势。变形受到约束后，在截面内产生温度内应力，计算表明轨道板中每升高1 ℃，连续轨道板中将产生约200 kN的等效温度力。

夏季高温季节，沿线路纵向轨道板升温速率及幅值不尽相同，轨道板与砂浆层间离缝情况、板端翘曲程度、宽窄接缝施工质量等基础条件也不同，因此，轨道板胀板表现出突发性、不可预测性的特点。此外，胀板发生数量与下部结构类型无相关性，中国铁路上海局集团有限公司(以下简称上海局)2013年第一次发生胀板以来的统计结果表明，各种基础类型上的胀板发生比例与基础类型占总长度的百分比基本一致，即不同基础类型上轨道板发生胀板的概率基本相当。

1.2 温度梯度荷载的影响

TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[7]中规定，无砟轨道最大正负温度梯度的取值为90，-45 ℃/m。不同埋深下温度梯度T可表示为

T=(t2-t1)/(h2-h1)

(2)

式中：h1,h2分别为不同埋深；t1,t2为对应埋深下的温度检测值。

为了检算温度梯度及其变化情况，上海局在沪昆高铁桥梁段布设了温度测点，温度传感器分别埋设于CRTSⅡ型板式无砟轨道中不同埋深位置，距离轨道板上表面分别为20，100，180，215(CA砂浆层内)，260(底座板或支承层内)mm，采样频率0.5 Hz。本文选取2017年7月1日至31日持续高温期间，监测无砟轨道不同埋深处的温度梯度，结果如图1所示。

图1 无砟轨道不同埋深处的温度梯度曲线

从图1中可知：在夏季极端高温情况下无砟轨道内部温度场随埋深非线性变化，上表面温度梯度最大，且最大正负数值分别为102.0，-178.9 ℃/m，均发生在距轨道板上表面20 mm处，远大于设计值。

无砟轨道内部不同埋深处的温度梯度在昼夜循环间呈正负交替周期性波动，越接近表层正温度梯度持续时间越长、负温度梯度持续时间越短，且不同深度处正负温度梯度转换时间随埋深呈现一定滞后性。这说明白天升温过程中轨道板温度从上表面逐渐传递至下表面，而降温过程中轨道板温度也最先从上表面开始下降，因此上表面处温度梯度变化最大。

温度梯度的存在使得无砟轨道不同埋深处的温度应力及温度变形不同步，在昼夜循环引起的温度梯度正负交替周期性波动下，轨道板翘曲、离缝，进而发生胀板病害。

1.3 CA砂浆层劣化的影响

在CRTSⅡ型板式无砟轨道设计理念中，轨道板通过CA砂浆调整层与底座板(或支承层)黏结成一个整体共同受力，在力学上被视为只承受轴向力的杆件[8]，如图2(a)所示。

设计状态下，轨道板与底座板被视作一根杆件共同受力，其杆件拉压刚度(若以梁/板单元考虑则为截面抗弯刚度)满足需求。但运营过程中，在温度、水和基础变形影响下，CA砂浆调整层离缝及黏结性能劣化，导致轨道板、CA砂浆调整层及底座板(或支承层)逐渐分层弱化，无法实现共同受力，如图2(b)所示。原设计假定的统一杆件体系分离为分层杆件体系，拉压刚度显著削弱，但构件所承受的荷载未同步降低，导致胀板病害进一步发展恶化。因此CA砂浆浸水流失及轨道板离缝、分层引起的结构弱化，是CRTSⅡ型板式无砟轨道高温胀板的又一重要原因。

图2 轨道结构状态简图

1.4 宽窄接缝病害的影响

图3 宽窄接缝应力及破坏状态

宽窄接缝的状态很大程度上决定了轨道板的实际纵连状态，同时也决定了轨道板中温度力的传递状态。

由于宽窄接缝的构造特征，较难保证其在横截面上的均匀受力及施工质量的均匀性。从图3宽窄接缝应力及破坏状态可知：在轨道板纵向力传递过程中，窄接缝受力更为不利，存在一定的应力集中，一般先于宽接缝破坏。随着窄接缝的破坏，宽窄接缝受力中心偏移，宽接缝应力水平升高，甚至发生挤碎或劈裂破坏。宽窄接缝的破坏，往往伴随着轨道板的上拱。

2 胀板整治技术

2.1 胀板预加固的理论分析

对于轨道板的上拱变形问题，对应的整治技术可分为改变既有体系和不改变既有体系2大类。目前，出于对运营安全与运输稳定性的考虑，尚不具备对既有体系作重大调整的现实条件，而在既有体系基础上采取成熟简便且经济有效的措施成为必然选择，植筋和注胶即为现阶段胀板整治的切实可行的做法。

植筋注胶整治技术的原理为：通过竖向植入钢筋，并在轨道板底注胶的方式，使原本离缝、分层弱化的轨道结构，重新恢复成一个整体，由此提高结构抗压刚度。具体实施步骤为：锚固区板底注胶、轨道板植筋锚固→轨道板解锁→板缝压胶及轨道板修复→轨道板张拉、板间接缝浇筑→板底注浆→宽接缝相邻轨道板植筋→钢轨精调[9-10]。

在轨道板整体升温55 ℃、底座板升温30 ℃、钢轨升温50 ℃的温度荷载工况下，通过有限元分析得到植入4根HRB500φ28钢筋条件下植筋及轨道结构的应力分布，如图4、图5所示。

图4 温度荷载作用下植筋的应力分布(单位：kN/m2)

图5 植筋孔截面轨道板及底座板的应力分布(单位：kN/m2)

由图4中计算结果可知：植筋体上、下两端受拉应力作用，1/2高度附近由于轨道板与底座板的纵向相对位移而存在剪应力。图5中计算结果显示在植筋孔附近的混凝土存在一定的应力集中，但幅值有限，处于材料强度安全范围内。

植筋条件下单根钢筋的最大计算内力见表1。对于HRB500φ28钢筋而言，其抗拉承载力和抗剪承载力的计算值均小于容许值，满足设计要求。

表1 植筋条件下单根钢筋最大计算内力

综上所述，温度荷载作用下尽管轨道板在纵向上存在较大温度力，但发生胀板的竖向上拱力较小，采用植筋加固对轨道结构施加一定的竖向约束，可有效降低胀板风险。

2.2 胀板预加固的实践分析

铺设无砟轨道的极限温度跨度是CRTSⅡ型板式无砟轨道的设计与运营养护维修难点。大跨度连续梁在我国高速铁路中被广泛应用，但连续梁上由于温度跨度大，相应失稳后产生的轨道几何尺寸变化和对结构造成的破坏也大，因此在运营养护维修过程中，特别是高温季节需重点关注连续梁上CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构稳定性，并采取相应的加固措施。

杭(州)长(沙)线跨金华江大桥(预应力混凝土连续梁桥，75 m+4×135 m+75 m)是目前我国高速铁路中单跨跨度最大的桥梁，其温度跨度，即相邻两联梁伸缩位移为0处之间的距离为378 m[11]。桥梁上部铺设的正是CRTSⅡ型板式无砟轨道结构，由于在建设期就采取了植筋加固措施，2014年年底开通运营至今，运营情况良好，尚未发现因为温度应力过大而产生的胀板或轨道几何尺寸变化现象。