高速铁路预制轨道板合理水养方法研究

潘自立 王安琪 李保友 康维新

(1.中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031；2.西南交通大学， 成都 610031)

无砟轨道以其高平顺、高稳定及少维修在世界高速铁路上广泛应用[1]。CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国自主研发的具有完全自主知识产权的无砟轨道结构型式，也是未来我国高速铁路的主要发展方向[2]。目前，CRTSⅢ型板式无砟轨道已在我国成灌铁路上成功完成铺设，有关CRTSⅢ型板式无砟轨道的施工技术也在不断总结中日益完善[3-8]。在实际生产过程中，为保证CRTSⅢ型轨道板的预制质量和投资成本，通常采用沿线工厂集中预制的规模化生产模式。

预制轨道板大多采用高标号混凝土，其干燥收缩较为严重，同时放热量也很大，一旦养护不当，极有可能使得轨道出现严重的初始缺陷。为提高预制质量，现通常在混凝土具有一定强度后立即将轨道板脱模浸入水中养护，缓解轨道板干缩，降低轨道温度。由此可见合适的拆模入水养护时间及水养温度对轨道板预制质量有重要影响，而目前对这方面的研究还较少，现场主要依据经验进行施工。为此，本文结合CRTSⅢ型普通钢筋混凝土轨道板现场生产过程，布置相应传感器，对轨道板浇筑、脱模、入水养护全过程的轨道温度及环境温度进行全程监控，明确轨道板预制过程中承受的温度荷载，采用有限元方法对轨道板应力变化进行全程分析，为CRTSⅢ型轨道板的施工优化提供参考。

1 试验概况

如图1所示，在四川省乐山制板厂开展了普通钢筋混凝土轨道板从预制浇筑到水养过程中水化热变化情况的监测试验，试验采用C50混凝土预制轨道板，板长为 5 600 mm，宽为 2 500 mm，厚度为200 mm。

图1 轨道板入水养护

试验采用温度传感器pt100铂电阻测温元件，测量量程-20 ℃～80 ℃，测量精度±(0.15+0.002|t|) ℃

(|t|为实测温度的绝对值)。温度传感器在轨道板上的布置，如图2所示，沿轨道板中部宽度方向上对称布置3个测点，每个测点在厚度方向上从底部(门型筋侧)依次向上布置3个温度传感器，分别用于测量轨道板芯部混凝土和表面混凝土的温度变化情况。

图2 轨道板温度传感器布置示意图(mm)

2 水养过程轨道板整体温降规律

轨道板混凝土在浇筑完约15 h后脱模，进行水养。试验记录轨道板混凝土从2017年7月29日下午2：30开始水养，到8月2日上午10：30结束水养，共经历了约4 d的水养。

图3 水养期间轨道板温度变化规律

从图3可以看出，在水养进行约5 h后，轨道板的整体温度几乎与外界水温达到一致，并在此后4 d的水养过程中一直与外界水温保持着动态平衡状态。由于下降到同外界水温相同温度所用的时间相对于轨道板整个养护时长来说很短，可以看作轨道板在水养过程中产生了温度骤然降低，称之为整体温降。

在水养进行约2.5 h后，轨道板芯部混凝土温度从水养时的起始温度下降至表面混凝土的水养起始温度，并在此后2.5 h时间里同表面混凝土一起与外界水温逐渐达到平衡。所以，轨道板的整体温降幅值可以看作水养起始时表面混凝土的温度与水养结束时表面混凝土温度的差值，脱模时轨道板温度越高，这种整体温降表现的越明显。

A点～C点的试验数据显示，水养起始时轨道板混凝土表面温度在35 ℃～38 ℃之间，在水养进行约5 h后，轨道板的整体温度下降至与外界水温一致的28 ℃～29 ℃，由此可以得出水养过程中轨道板的整体温降差值范围为7 ℃～10 ℃。

3 水养过程轨道板温度梯度规律

受施工时水养环境温度、轨道板脱模后起始温度及温降速率等因素的影响，在水养过程中，轨道板芯部混凝土与表面混凝土将产生温差(即温度梯度)，由于温差变化在水养初始阶段较为明显，所以只取轨道板水养30 min的试验数据进行分析。

图4 水养过程轨道板垂向温差规律

从图4可以看出，浇注、脱模完之后的轨道板混凝土由于水泥水化作用的影响具有很高的初始温度，芯部混凝土在进行水养时温度在48 ℃左右，表面混凝土温度在35 ℃～38 ℃左右。在水养进行约15～20 min后，轨道板混凝土的表面温度下降至接近于外界水温的温度，芯部混凝土却仍处于很高的温度，此时，轨道板芯部混凝土与表面混凝土之间达到水养过程中的温差极值。

A点～C点的试验数据表明，A点在水养进行15 min后，芯部混凝土与表面混凝土之间达到最大温差值10.333 ℃，B点在水养进行17 min后，芯部混凝土与表面混凝土之间达到最大温差值11.394 ℃，C点在水养进行16 min后，芯部混凝土与表面混凝土之间达到最大温差值12.493 ℃，由此可得，水养过程中轨道板温度梯度在10 ℃～13 ℃之间。

4 水养过程轨道板受力分析

4.1 计算模型及参数

根据轨道板的结构特性，利用Ansys有限元分析软件，对水养过程中轨道板的受力状态进行模拟。其中，轨道板采用实体单元SOLID45进行模拟，与水养池接触的底面采用固定位移约束，考虑轨道板自重、水压力、整体降温和温度梯度的作用。

由于在施工过程中轨道板从浇筑完成到脱模水养所用的时间较短(轨道板混凝土的龄期约为1 d)，轨道板混凝土的强度及弹性模量都很低，采用规范规定的相关参数进行计算显然不合适，查阅相关文献[9-10]，可以得到普通C50混凝土龄期1 d时的相关参数，如表1所示。

4.2 荷载及工况

由于在实际的现场监测试验中，无法精确测得轨道板上每个点的温度变化情况，所以在计算温度梯度荷载时，假定轨道板芯部到表面方向上的温度梯度呈线性分布，在考虑整体温降荷载时，忽略温降过程中混凝土各部位温差的影响。

表1 轨道板计算参数表

根据现场实测的数据分析可知，轨道板的整体温降变化范围在7 ℃～10 ℃，温降步长取值1 ℃，相应的温降计算值为7 ℃、8 ℃、9 ℃和10 ℃。水养过程中轨道板芯部和表面温度温度差的极值在10 ℃～13 ℃之间，计算时取1 ℃作为一个梯度，相应的计算温度梯度为100 ℃/m、 110 ℃/m 、120 ℃/m 和130 ℃ /m，具体工况如表2所示。

表2 计算工况表

图5 整体温降作用下轨道板的各向应力

4.3 整体温降作用下轨道板应力变化

取整体温降为7 ℃，计算得到轨道板的横向应力和最大拉应力云图，如图5所示。当整体温降取值变化时，轨道板应力云图分布相似但量值不同。

如图5所示，在整体温降荷载作用下，轨道板横向应力以压应力为主，压应力分布范围广但数值较小，在轨道板宽度方向中下部区域至轨道板底部开始逐渐出现拉应力，并在板底达到横向最大拉应力0.98 MPa。在轨道板最大拉应力云图中，拉应力分布与横向应力类似，轨道板板底端部出现拉应力极值1.27 MPa，这是由于在自重及水压力的作用下，轨道板底部应力最大，在此施加整体温降荷载，将放大轨道板的底部应力，从而产生最大板底拉应力。

当整体温降从7 ℃～10 ℃变化时，轨道板板底最大拉应力变化，如图6所示。

图6 整体温降工况示意图

由图6可以看出，轨道板板底最大拉应力随整体温降幅值的增大而逐渐增大。整体温降为8 ℃时，板底最大拉应力为1.45 MPa；整体温降为9 ℃时，板底最大拉应力为1.63 MPa；整体温降为10 ℃时，板底最大拉应力为1.80 MPa，拉应力随整体温降得线性变化幅值约为0.18 MPa/℃。

当整体温降超过10 ℃时，此时，轨道板的最大拉应力已经超过了龄期内(1 d)轨道板拉应力强度限值，板底的混凝土将产生裂缝甚至发生破裂，对生产过程中轨道板质量将产生影响，因此需严格把控轨道板水养过程中温度的变化。

4.4 温度梯度作用下轨道板应力变化

当温度梯度荷载为100 ℃/m时，在轨道板自重及水压力的共同作用下，轨道板的横向应力和最大拉应力云图，如图7所示，当取值其他温度梯度时，轨道板应力云图分布相似但量值不同。

图7 温度梯度作用下轨道板各向应力

如图7所示，轨道板横向应力以拉应力为主，并在轨道板表面中部偏下区域达到横向拉应力极值1.57 MPa。轨道板最大拉应力也为1.57 MPa，出现在轨道板表面中部以下区域，这是由于在温度梯度作用下，轨道板不同部位热胀冷缩程度不同，内外温差使轨道板外部产生拉应力，表面轨道板达到其拉应力极值，是整个轨道板水养过程中最危险的位置。

当温度梯度在100 ℃/m～130 ℃/m变化时，轨道板表面最大拉应力变化，如图8所示。

图8 温度梯度工况示意图

由图8可知，轨道板表面拉应力的极值随温度梯度的增加而逐渐增大，温度梯度为110 ℃/m时，拉应力最大值为1.60 MPa；温度梯度为120 ℃/m时，拉应力最大值为1.63 MPa；温度梯度为130 ℃/m时，拉应力最大值为1.66 MPa。

轨道板最大拉应力随温度梯度变化幅值约为0.03 MPa/(℃/m)，对比整体温降作用下轨道板的最大拉应力的变化幅值可以看出，当处于相同水养条件时，整体温降作用下轨道板最大拉应力变化更快，但温度梯度作用下轨道板拉应力出现的区域更广。

生产过程中的混凝土裂缝是不可避免的，但过大的温度应力会降低轨道板的生产质量，也会对轨道板的耐久性造成影响，因此需要控制轨道板生产过程中温度应力。

5 轨道板冬季水养研究

轨道板混凝土由于其自身特点，环境温度对它的生产质量影响极大。在进行大规模工程建设时，通常需要考虑避免在冬季施工，但受工期制约，许多工程尤其高速铁路行业的混凝土冬季施工往往是不可避免的。为此，掌握轨道板混凝土在冬季低温下施工特点与规律，并在此基础上研究其施工控制方法具有重要意义。结合之前轨道板在温度梯度和整体温降荷载作用下计算数据可知，在相同的水养环境下，相较于温度梯度，整体温降作用下轨道板产生的拉应力极值及变化幅度更大。为此，以整体温降作为控制条件，计算大幅度温降作用下轨道板拉应力变化情况。

整体温降由10 ℃变化至26 ℃时,轨道板拉应力变化以及轨道板混凝土龄期-强度[11]关系,如图9所示。

图9 龄期、温降与轨道板拉应力关系图

由图9可以看出，当整体温降大于10 ℃时，轨道板最大拉应力已经大于此时龄期内(1d)轨道板混凝土强度。整体温降为14 ℃时的轨道板拉应力极值约等于龄期3 d的混凝土强度平均值，当整体温降超过18 ℃时，轨道板最大拉应力大于温降28 ℃时的混凝土强度，轨道板混凝土会发生破坏。

以四川省为例，该地区属于夏热冬冷地区，冬季室外平均温度在0 ℃～10 ℃，有相关试验[12]测得12月份四川省不供暖地区白天室内平均温度在12 ℃～14 ℃之间，夜间室内平均温度在8 ℃～11 ℃之间。若不采取相应供暖保温措施，冬季施工的室内环境温度可大致认为在8 ℃～14 ℃之间浮动。取冬季室内平均温度为11 ℃，此时水养池若没有其它加热措施，则水温温度约11 ℃，取脱模时轨道板表面温度为37 ℃，此时直接入水会使得轨道板破坏。应用前述模型计算发现，如轨道板不出现病害至少需水温在30 ℃以上，并持续3 d。3 d后轨道板强度提升能够承受降温10 ℃，此时可降低水养温度为20 ℃继续养护3 d，3 d后出水，在室内空气中降温至室温11 ℃左右。实际生产中，可根据当地气温条件，按照上述方法分析计算，采用水温逐步降低法进行养护，并结合降低混凝土出仓温度、棉布保温等措施[13-14]实现冬季生产。

6 结论

本文针对高速铁路无砟轨道预制轨道板合理水中养护问题，以CRTSⅢ型普通钢筋混凝土轨道板为例，开展现场试验，埋设温度传感器，对水养过程中板温度进行了监测，得出了轨道板承受的温度荷载。利用有限元方法，对轨道板水养过程进行受力分析，对冬季预制轨道板水养过程进行了计算，提出了相应的施工建议。

(1)乐山地区现场实测发现，受水泥水化放热影响，轨道板脱模时表面温度能达到37 ℃，板芯温度47 ℃，入水后2～3 h内承受约5 ℃～7 ℃的整体降温及100 ℃/m的温度梯度荷载，最大拉应力达到1.27 MPa。整体温降作用下轨道板最大拉应力变化幅值为0.18 MPa/℃，轨道板的受拉区域大并集中在板面中下部区域，温度梯度作用下轨道板最大拉应力变化幅值为0.03 MPa/(℃/m)，轨道板受拉区域小且集中在板底。

(2)为保障轨道板质量，在特殊情况下应监测轨道板温度及水养池水温。水养温度应根据环境温度和轨道板温度综合考虑设置，但入水前后轨道板温度降低值不应超过10 ℃。拆模时间及入水时间应综合考虑轨道板干缩与水养池温度确定，一般规定拆模后轨道板空气中静置时间不能超过4 h。

(3) 轨道板冬季施工时，考虑到轨道板龄期较低时强度较低，能承受的温差较小，此时应设置30 ℃以上水温持续3 d以上。随时间增加，要控制水养池水温逐步降低，避免出水时轨道板温度骤然降低到室温，防止轨道开裂。