西北严寒地区双块式无砟轨道初期力学性能分析

2019-07-27韦有信赵振航

铁道标准设计 2019年8期

韦有信，杨斌，黄诚，赵振航

(1.南京工程学院建筑工程学院，南京 211167； 2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844；3.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

我国西北严寒地区气候环境恶劣，冬季严寒、年温差大，且伴有昼夜温差大等急剧变化的短期温度行为[1-2]，传统双块式无砟轨道的连续式道床板结构应用于该类地区将出现严重的混凝土开裂现象[3-4]。鉴于单元式轨道结构对温度环境的良好适应能力，应用于严寒地区的双块式无砟轨道宜采用单元式道床板结构已经得到了专家学者的普遍认可[5-7]，然而5～7 m单元道床板的自身稳定性较差，须采用限位凹槽、凸台或侧向挡块等构件实现限位，轨道结构较为复杂[8-10]，为此专家学者针对双块式无砟轨道提出大单元设计理念，以期能够利用板端伸缩充分释放温度应力的同时，可以利用板中部分各结构层的层间粘结实现对大单元道床板的整体限位[11-12]。兰新高铁路基段双块式无砟轨道即采用了19.5 m大单元道床板结构，为明确该型结构的力学性能和行为特性，指导严寒地区双块式无砟轨道设计优化，在达坂城地区铺设了20 m双块式无砟轨道试验段，并对其20 m单元道床板的板内钢筋混凝土应力、板端伸缩变形等展开了长期监测。本文的研究成果可为严寒地区的双块式无砟轨道设计提供试验基础，进而可更好的拓展双块式无砟轨道的适用范围。

1 20 m双块式无砟轨道试验段

路基段双块式无砟轨道的大单元道床板结构基本形式如图1所示[13-15]，达坂城试验段中20 m单元道床板宽度2 800 mm、厚度265 mm。道床板选用C40混凝土，直接浇筑在上表面拉毛的支承层上[16，17]；支承层选用C15混凝土，宽度3 400 mm，厚度300 mm，直接浇筑在路基表层级配碎石层上。

图1 采用单元道床板的双块式无砟轨道结构示意

20 m单元道床板的配筋设计参照了传统连续式道床板的钢筋配置方案，如图2所示。纵向设置上层9φ20 mm、下层12φ20 mm钢筋，横向每两根轨枕间上下层分别设置2φ14 mm钢筋。

图2 20 m单元道床板配筋设计(单位：mm)

2 应力监测及分析

自道床板混凝土浇筑开始，即对20 m单元道床板关键点位的钢筋、混凝土应力开展了持续监测，监测时间为2010年10月8日至次年3月10日。应力测试采用了钢筋计、混凝土计、光纤光栅解调仪以及相关配套设备等，其中光纤光栅解调仪测试结果是钢筋计和混凝土计的波长，通过公式转换将波长转化为钢筋轴力或混凝土应力。试验段安装的部分钢筋计和混凝土计如图3所示。

图3 试验段现场钢筋计、混凝土计安装

2.1 板内钢筋应力

在20 m单元道床板的板中位置设置了6根钢筋计，如图4所示。1、2、3号钢筋计布置在上层钢筋网位置，4、5、6号钢筋计布置在下层钢筋网位置。

图4 钢筋计设置点位示意(单位：m)

由光纤光栅解调仪进行钢筋计应力的采集，对采集的数据进行分析，各测试点钢筋计轴力随时间的变化规律如图5所示。

图5 钢筋计轴力监测曲线

受混凝土泌水收缩效应影响，板中钢筋计在道床板混凝土浇筑后承受压力作用，随后在水泥水化热作用下混凝土材料膨胀，钢筋计由受压状态转变为受拉状态。混凝土浇筑约50 h后，钢筋轴力呈现出以24 h为周期的循环波动现象，各测点的钢筋应力变化趋势相同，且与统计的大气温度变化趋势相似。通过对道床板温度场的同步监测可知，钢筋应力监测时间段内道床板整体温度最高值为25 ℃，最低值为-20 ℃；平均日温差幅值约为12 ℃，最大日温差幅值约为21 ℃。统计钢筋轴力数据可知，钢筋轴力平均日变化幅值约为3 kN，上层钢筋承受的最大压力为6 kN，最大拉力约为11 kN，下层钢筋承受的最大压力为3 kN，最大拉力约为14 kN。

道床板与支承层层间粘结良好，二者作为复合单元板共同承载，温度作用下复合单元板与基床表层产生分层滑动。受层间摩阻力影响，板中部分存在一定长度的固定区，固定区长度与温度作用的大小成反比。复合单元板在温降作用下的受力状态如图6所示。

图6 温降作用下复合单元板受力状态示意

滑动区长度L1受温差幅值和层间摩阻力大小影响，滑动区内各截面力学状态则与温差幅值无关，仅与板底摩阻力和所处位置相关；固定区各截面受力状态与传统连续式结构相同，与层间摩阻力和所处位置无关，仅与温差幅值相关[18-19]。温降作用下复合单元板各横截面承受的温度力F：

(1)

式中，x为各计算截面距离板端的长度，m；γ为单位长度的复合单元板板底摩阻力，N/m；α为热伸缩系数；ΔT为温度改变值，℃；L1为伸缩区长度，m；L为单元道床板长度，m；E、A分别为复合单元板横截面弹性模量和截面面积。测试时间段内道床板温差变化幅值为45 ℃，对应的未开裂道床板固定区钢筋应力变化幅值为108 MPa，远大于板中实测值54.14 MPa，说明板中的钢筋应力得到了有效的释放。若道床板混凝土未开裂，则20 m单元道床板全长范围内均处于滑动区，与板中钢筋最大拉应力实测值44.59 MPa对应的混凝土拉应力为7.25 MPa，远高于C40混凝土抗拉设计强度1.71 MPa，由此可认为道床板混凝土将必然产生结构性裂缝[20-21]。

在经历了一个完整的温降作用后，课题组于次年3月份对试验段进行了一次道床板混凝土开裂现场观测，其中20 m单元道床板的结构性混凝土裂缝情况如表1所示。

表1 20 m单元道床板裂缝汇总

表1中开裂位置是指裂缝距离单元道床板右侧板端的平均距离，裂缝高度是指道床板侧面直观测得的实际深度，裂缝长度是指裂缝在道床板顶面表现出来的实际长度。靠近道床板两侧的裂缝1、裂缝5仅在道床板两侧表面产生了竖向裂纹，并未深入道床板内部；靠近道床板中部的裂缝2、裂缝3、裂缝4则开裂严重，多次温降循环作用下将形成贯通裂缝。严寒时段，20 m单元道床板在温降作用下形成4块小单元道床板纵向串联设置的工作状态，相邻小单元道床板依靠受力钢筋实现纵向连接；高温时段，小单元道床板间裂缝将闭合，道床板以20 m大单元道床板的形式传递纵向温度压力。严寒地区的年温差循环作用下，大单元双块式无砟轨道将在很长一段时间内保持“低温小单元组合、高温闭合大单元”的循环工作状态。

2.2 板内混凝土应力

道床板混凝土应力监测点位如图7所示，测试点1、测试点2均布置在道床板中性层位置。

图7 混凝土计设置点位示意(单位：m)

由光纤光栅解调仪进行混凝土计应力的采集，对采集的数据进行分析，各测点混凝土应力变化曲线如图8所示。

图8 板中混凝土计应力监测曲线

在监测初期的两天时间内，混凝土计受早期混凝土泌水和水化热影响，先后呈现出受压和受拉状态，随后进入周期为24 h的循环波动状态，其整体发展趋势与统计的大气温度环境变化基本一致，且处于同一横截面的不同测点处混凝土纵向应力幅值基本相同。统计发现测试点的道床板混凝土最大拉应力约为1.3 MPa，小于其混凝土抗拉强度设计值，最大压应力约为1.2 MPa。通过现场观测，测试点至板端的5 m范围内未发现有影响结构受力的裂缝现象，且混凝土最大拉应力出现时板端5 m范围内均处于层间分离滑动状态，依据监测点处横截面受力平衡，参照公式(1)可推算出支承层与基床表层间的单元长度摩阻力γ约为372 kN/m。

3 位移监测及分析

在20 m单元道床板的左右两侧板端位置处分别设置了位移监测点1、监测点2，监测点位于道床板中性层位置，位移测试试验使用了高精度位移计、电子枪、低温温度计、静态应变仪以及相关配套设备等。试验中为避免位移传感器自身的漂移造成试验数据的误差，将位移传感器固定于试验段一侧的路基表层的底座上，该底座通过下部钢筋与路基牢固连接在一起。鉴于板端部分路基表层与轨道结构层间分离，可认为位移传感器设置处路基无纵向变形。

冬季严寒时段1月18日至2月21日(共33天)，板端纵向伸缩变形量记录如图9所示。

图9 20 m单元道床板板端伸缩位移观测曲线

道床板两侧的伸缩变形均以24h为周期循环波动，测试时间段内左端部的最大伸长位移为3.147 mm，最大收缩位移为2.248 mm；右端部的最大伸长位移为1.124 mm，最大收缩位移为1.574 mm。左右两侧较大的位移变化幅值释放了大单元道床板内部温度应力，但其左右两侧伸缩变形量不一致，说明两侧的温度应力释放效果不同，主要是受轨道结构与下部基础的层间接触性能分布不均匀所致，在长期的年温差循环作用后，两侧的伸缩变形幅值将逐渐趋于一致。

观察图9可知，20 m大单元道床板的日伸缩变形存在其独特的行为规律，其板端日伸缩位移均值呈阶梯型跳跃式发展规律，且跳跃时间点对应的日伸缩变化幅值存在显著放大现象。统计试验段周边大气温度参数，发现大单元道床板板端伸缩的特殊行为规律与严寒地区极端日气温差的出现密切相关，日伸缩位移产生放大突变的相对时间480～528 h对应的日气温差达到21 ℃左右。极端日气温差的出现，导致了道床板内部极大温度梯度的出现，引起单元道床板板端分离翘曲部分长度的放大，同时板端翘曲段与下部结构层层间摩阻力消除，极端日气温差引起的板端伸缩变形幅值进一步增大，从而表现出显著的板端伸缩变形，板端伸缩变形幅值的放大使得大单元道床板内部的温度应力得以释放和调节。极大温度梯度消失后对应的道床板整体温度幅值不同，则后期的板端日伸缩位移均值将产生改变。此外，传统5～7 m小单元道床板由于板内温度应力释放较完全，故未有大单元道床板特有的板端伸缩变形行为特性。