施工早期CRTSⅢ型无砟轨道底座板凹槽角裂纹萌生原因分析

2020-10-12郑家辉薛志强陈进杰王建西

铁道勘察 2020年5期

郑家辉薛志强陈进杰王建西，3

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学交通运输学院，河北石家庄 050043；3.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043)

CRTSⅢ型无砟轨道是我国自主研发的无砟轨道结构，由于其单元结构的易维修性，已逐渐成为我国高速铁路工程中最主要的结构形式。成贵高铁、京沈高铁、郑万高铁等多条高速铁路均采用这种轨道形式。自密实混凝土和底座板凹槽组成限位结构，其工作性能是CRTSⅢ型无砟轨道安全服役的重要指标。

由于底座板多为现场浇筑施工，受环境温度影响较大。通过现场调研发现，有太阳照射的路基地段底座板裂缝远多于没有太阳照射的隧道地段，个别凹槽角裂纹已发展为横向贯通裂纹(见图1)。凹槽角裂纹的出现可能会影响轨道结构的受力特性和耐久性，导致其使用寿命降低。

图1 凹槽角开裂

对于底座板凹槽角裂纹的成因，已有许多学者进行了相关研究，周珂等主要考虑凹槽四周弹性垫层参数对底座板应力的影响[1]；李兆伦等从养护措施的角度分析如何预防底座板凹槽开裂[2]；于东等针对高寒地区的混凝土施工裂缝进行研究，为施工早期混凝土的保温提供了可行性建议[3]。另外，霍春阳对CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工阶段水化热对道床板开裂的影响进行了研究[4]；苏成光研究了双块式无砟轨道施工早期温度场，为其现场浇筑施工提供了理论依据[5]。总体来说，CRTSⅢ型无砟轨道底座板服役时间较短，目前针对凹槽角裂纹的研究存在大量空白。

以京沈高铁为背景，对CRTSⅢ型无砟轨道底座板浇筑时期的应力场特性进行研究，基于ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型无砟轨道底座板三维实体模型，分析在施工阶段浇筑温度对底座板凹槽角开裂的影响。

1 底座板施工阶段模型

1.1 模型建立

根据路基段CRTSⅢ型无砟轨道底座板施工阶段的结构特性和施工步骤，建立底座板、基床表层、基床底层、路基本体和地基的有限元模型(如图2所示，总长11.32 m)。底座板为现场浇筑，施工前，应在底座板四周及凹槽内壁设置位移约束模具。

图2 施工阶段CRTSⅢ型无砟轨道模型

底座板混凝土与外界环境温度存在差值时，发生的热交换可采用文献[4]中的混凝土表面在空气中的对流换热系数表达式，水化热可采用文献[5]中的双曲线水化热表达式，混凝土的收缩徐变可参考文献[6]。在仿真计算中，通过等效降温的方法来模拟混凝土收缩影响。浇筑温度取外界环境温度，并假设每天温度变化相同(取承德地区5月份单日平均的气温变化值)，以减小特殊天气对温度场计算的影响。

选取不同凹槽角来分析应力随时间的变化情况，进而通过应力值来反映底座板凹槽角处裂纹情况。如图3所示。

图3 底座板测点分布

1.2 模型参数

底座板为C35混凝土，截面尺寸为3.1 m×0.3 m，凹槽尺寸为0.7 m×1 m×0.1 m。底座板浇筑过程中，混凝土弹模的变化如图4所示，浇筑完成后，底座板材料参数见表1。

图4 混凝土弹性模量

表1 底座板材料参数

2 水化热和混凝土浇筑温度的影响

以下研究凹槽角裂纹的萌生，若拉应力超过混凝土抗拉强度，则认为出现裂纹。8个测点关于纵轴两两对称，底座板中部较两侧散热速率慢，水化热产生的热量较难释放，故中部的内外温差较大，测点F、G处的应力也就更大。另一方面，模具对混凝土初期养护具有保护作用，在拆模之前，混凝土大部分处于受压状态，距离模具距离越远的点，受保护程度越小。经仿真模拟也可发现，测点F、G处在各个入模温度的工况下，应力均为最大。基于最不利因素考虑，提取G点数据，用于分析底座板凹槽角裂纹的萌生。

2.1 不同浇筑温度对底座板温度场的影响

当外界环境温度分别为12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃时，底座板凹槽角测点G的温度场变化曲线如图5所示。

图5 底座板G点温度变化曲线

由图5可知，无论浇筑温度为多少，底座板温度场均在浇筑完成后1 d内达到极值。当浇筑温度为分别为12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃时，极值分别为27.2 ℃、29.1 ℃、29.5 ℃、30.2 ℃和31.5 ℃。随着养护时间的推移，底座板温度逐渐下降，最终均稳定在24 ℃～25 ℃之间。

2.2 不同浇筑温度对裂纹萌生的影响

当外界环境温度分别为12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃时，底座板凹槽角测点G的应力变化曲线与混凝土抗拉强度对比如图6所示。

图6 底座板G点应力变化曲线

(1)当浇筑温度为12 ℃时，在浇筑完成5 d时，拉应力极值稳定在0.32 MPa；且整个养护28 d期间，应力极值均未超过混凝土抗拉强度，故认为不会出现裂纹。

(2)当浇筑温度为18 ℃时，在浇筑完成5 d时，拉应力极值稳定在0.2 MPa，且整个养护阶段应力极值均未超过混凝土抗拉强度，故认为不会出现裂纹。

(3)当浇筑温度为22 ℃时，在浇筑完成5 d时，每日拉应力极值稳定在1.35 MPa，在3～4 d内，应力极值超过混凝土抗拉强度，故认为可能会出现裂纹。

(4)当浇筑温度为24 ℃时，在3 d时拉应力极值超过混凝土抗拉强度，之后随着养护时间增长，混凝土强度升高，在10 d时，凹槽角应力极值开始低于混凝土抗拉强度，故认为凹槽角在3～10 d可能出现裂纹。

(5)当浇筑温度为30 ℃时，从2 d开始，凹槽角的应力极值超过混凝土抗拉强度且在整个养护28 d期间，每日应力极值均超过混凝土抗拉强度，故认为在2～28 d均有可能出现裂纹。

2.3 升降温对裂纹萌生的影响

除每日最低温和每日最高温以外，其他时间进行浇筑存在2种可能：外界环境正在升温或外界环境正在降温。以下考虑升降温对底座板凹槽角的影响，取18 ℃时，10:00浇筑和21:00浇筑为一组对比工况。另取24 ℃时，12:00浇筑和18:00浇筑为一组对比工况。

(1)温度为18 ℃时，10:00浇筑和21:00浇筑底座板凹槽角G点应力变化曲线如图7所示。

图7 底座板G点应力变化曲线

由图7可知，10:00浇筑和21:00浇筑时，底座板凹槽角测点应力变化趋势基本一致。21:00浇筑时测点达到压应力峰值的时间较10:00浇筑时晚2 h左右，拉应力峰值早2 h左右。10:00浇筑和21:00浇筑时各测点的拉压应力峰值基本一致，且均小于混凝土抗拉强度。整体来说，浇筑温度为18 ℃时，升降温对底座板凹槽角处的应力场影响不大。

(2)浇筑温度为24 ℃时，12:00和18:00浇筑底座板凹槽角G点应力的变化曲线如图8所示。

图8 底座板G点应力变化曲线

12:00和18:00浇筑测点变化趋势基本一致，但12:00浇筑时，入模温度较高且浇筑后温度升高较快，测点迅速升温。由于模具的存在，混凝土受热膨胀受到抑制，测点很快达到压应力极值。12:00浇筑时的压应力极值较18:00大0.2 MPa左右。12:00浇筑时前期受到较大的压应力，故拆模后拉应力极值到达时间相对较晚。12:00浇筑时凹槽角应力值在3～6 d时超过混凝土抗拉强度，由此可以认为浇筑温度为24 ℃时，12:00浇筑较18:00浇筑更能避免裂纹的出现。

2.4 拆模时机的选择

由于底座板侧向的支撑钢膜可以重复利用，提早拆模可以提高施工的效率并节省材料。但模具在混凝土浇筑完成后对混凝土开裂可以起到一定的保护作用，过早拆模不利于混凝土的受力。目前，CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板拆模时间一般为2d，为了提高施工效率且不影响混凝土的受力，有必要对不同温度下拆模时机的选取进行计算。

图9为无钢膜支撑时，底座板凹槽G点应力随时间的变化曲线。

如图9所示，在无钢膜支撑时，凹槽点受压时间明显缩短，浇筑后不久便开始受拉，且达到的拉应力峰值均大于有钢膜支撑时的峰值。

图9 底座板G点S11(横向)S22(垂向)S33(纵向)应力随时间变化曲线

当浇筑温度为12 ℃时，浇筑完成15 h后，应力开始小于混凝土抗拉强度。当浇筑温度为18 ℃时，浇筑完成10 h后，应力开始小于混凝土抗拉强度。因此，认为在1 d之内拆模并不会影响混凝土受力，可提前拆模。

当浇筑温度为24 ℃和30 ℃时，无模具状态下应力值在2 d后依然超过混凝土抗拉强度，不适合提早拆模。

3 混凝土收缩作用下底座板裂纹萌生分析

将混凝土收缩作为一个单独的因素对CRTSⅢ型无砟轨道底座板凹槽角裂纹进行分析。由于底座板凹槽角位置关于纵轴对称，故选取一半测点进行分析。测点A、B、E、F处在混凝土收缩作下应力随时间变化曲线如图10所示。

图10 S11(横向)S22(垂向)S33(纵向)应力随时间变化曲线

混凝土收缩作用下，主要影响底座板凹槽角的纵向应力，横向和垂向应力变化不大。各测点的应力变化趋势较为一致。A、B两点处在整个养护过程中未超过混凝土抗拉强度，认为在混凝土收缩作用下A、B、C、D4个测点不会出现裂纹。在25 d时，E点纵向应力超过混凝土抗拉强度，在24 d时，F点超过混凝土抗拉强度，故认为E、F、G、H4个测点在混凝土收缩作用下会发生破坏，建议加强养护。