用先張法解決預應力混凝土軌道板鋼筋絕緣的難題

魏周春

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

板式無砟軌道是我國應用十分普遍的一種軌道結構形式,軌道板具有質量易保障、耐久性高、抗裂性好,施工速度快,軌道可修復性較好等優點,但由于軌道板、底座、凸形擋臺內的鋼筋回路與鋼軌通過電流之間的互感作用,影響了諧振式無絕緣軌道電路的傳輸長度。若不做絕緣處理,板式軌道、雙塊式、長枕埋入式等無砟軌道,軌道電路傳輸距離與標準要求的1 000～1 400 m/(2 Ω)差距很大。因此,降低無砟軌道區段對ZPW-2000軌道電路的傳輸影響,解決無砟軌道與ZPW-2000軌道電路相適應的問題,是我國無砟軌道大規模推廣使用中必須解決的重要問題。

根據國內最新的研究測試結果,板式軌道凸形擋臺及底座內的鋼筋可不做絕緣處理,但軌道板內的鋼筋絕緣處理仍然存在數量多、難度大的問題。

軌道結構目前采取的絕緣措施有2種,一是鋼筋的交叉點加設絕緣卡或絕緣套管。二是采用涂層鋼筋。這里要探討另一種思路,通過預應力的張拉,使縱橫向的鋼筋交叉點不接觸,鋼筋間保持一定的間距,來達到絕緣目的。

2 無砟軌道結構鋼筋對軌道電路的影響分析

在有砟軌道狀態下,軌枕只與碎石道砟接觸,軌道電路傳輸距離的傳輸特性主要由鋼軌的阻抗和道砟的性能決定。碎石道床的電氣特性變化范圍較大,道砟的泄漏電阻值大于2 Ω·km,可以滿足軌道電路的傳輸要求。由于無砟軌道結構中縱橫向鋼筋形成鋼筋回路,與鋼軌產生電磁耦合,使得鋼軌等效阻抗的電阻分量增大、電感分量減少,從而導致軌道電路傳輸長度縮短。秦沈線板式和長枕埋入式無砟軌道傳輸距離分別為700 m/(2 Ω)、900 m/(2 Ω)。從測試數據來看,由于軌道板內鋼筋間距較密,板式軌道對軌道電路的影響也更大。

3 解決軌道電路傳輸距離短的主要措施和存在的問題

3.1 主要措施

目前針對無砟軌道傳輸距離衰減采取的主要措施有：

(1)合理降低信號頻率；

(2)對軌道結構鋼筋交叉點進行絕緣處理；

(3)增大鋼軌至軌道板內鋼筋網的距離。

最合理的解決方案是電務和工務系統共同采取措施,達到經濟、適用的效果。電務方面通過優化ZPW-2000軌道電路,添加信號設備,以增加傳輸長度,但信號設備不能無限度地增加,因此在軌道結構上必須采取相應的處理措施。

軌道結構可以采用的解決方案是鋼筋交叉點絕緣和增加鋼軌至軌道板內鋼筋的距離兩種,而增加鋼軌至軌道板內鋼筋的距離只能通過加大軌道板承軌臺高度或增加混凝土保護層厚度,能優化的空間很少,所以通常工程中采取的措施是鋼筋間的絕緣。鋼筋間的絕緣方式有兩種,一種是鋼筋交叉點加設絕緣套管或絕緣夾,另一種是采用環氧樹脂涂層鋼筋。

3.2 絕緣措施存在的問題

3.2.1 絕緣卡或套管

(1)對結構耐久性的影響

目前我國采用的CRTSⅠ型軌道板為雙向后張法預應力體系,板內鋼筋交叉點約910個,CRTSⅡ板約1 000個。絕緣卡一般采用普通聚乙烯塑料或尼龍制作,每個絕緣卡外形體積約12 cm3(2 cm×1.8 cm×3.4 cm),如采用扣帶式絕緣夾,其影響體積和范圍更大。

混凝土的熱膨脹系數大致可以表示為水泥石和集料膨脹系數的加權平均值。水泥石的膨脹系數大約為(10～20)×10-6/K,集料的膨脹系數(6～12)×10-6/K,所以混凝土的膨脹系數約為(7～14)×10-6/K,PVC在常溫下的線膨脹系數6～8×10-5/K。可以看出,聚乙烯、尼龍材料與混凝土收縮系數差別較大,其結合處易形成的孔洞,相當于1 000個左右的裂縫發生源,必然對軌道板的耐久性產生不良的影響,其影響程度尚不明確,需要通過實踐來檢驗。

(2)增大軌道板的生產成本

每個絕緣夾約0.25元,每塊板內絕緣費用約250元(不含人工費),每單線千米增加投資2.5～3萬元。

3.2.2 涂層鋼筋

采用涂層鋼筋避免了裂縫源的產生,但環氧樹脂涂層導致混凝土的握裹力降低大約20%,對結構的承載力和耐久性產生較大的影響。從近期軌道板的制造情況來看,由于鋼筋間的摩擦易使涂層剝落,絕緣效果不很理想,多數生產廠采用涂層鋼筋的同時在關鍵部位加設絕緣夾或絕緣紙。

涂層鋼筋每噸增加費用2 000元左右,每塊軌道板增加約360元,每千米增加投資約7.2萬元。

4 先張法解決軌道板鋼筋絕緣的思路

這里要介紹的是一種新的思路：采用先張法生產軌道板,板內縱橫向鋼筋互不搭接,保持一定的距離,利用混凝土本身的絕緣性能達到絕緣效果。

4.1 軌道板內鋼筋的絕緣方式

4.1.1 CRTSⅠ型軌道板的絕緣方式

國內目前采用的是雙向后張法生產Ⅰ型軌道板,預應力鋼筋與構造鋼筋布置如圖1所示,板中心為預應力鋼筋,上下層為構造鋼筋。

圖1 Ⅰ型軌道板鋼筋布置示意

新的設計思路是采用先張法預應力制造軌道板,將螺旋肋鋼絲對稱布置于軌道板兩側,外側為縱向鋼絲,內側為橫向鋼絲,也就是將預應力鋼筋布置在普通構造鋼筋的位置上,同時發揮構造鋼筋的作用。為滿足軌道電路的絕緣要求,縱橫向預應力鋼筋分離布置,鋼筋之間間距5 mm以上,不需采取其他的鋼筋絕緣措施。如圖2所示。

圖2 新方案Ⅰ型軌道板鋼筋布置示意

4.1.2 CRTSⅡ型軌道板的絕緣方式

CRTSⅡ型軌道板為單向預應力結構,橫向施加預應力、縱向為非預應力的體系,如圖3所示,上下層非預應力鋼筋交叉點1 000個左右。

圖3 Ⅱ型軌道板鋼筋布置示意

利用CRTSⅡ型軌道板生產工藝中的先張法預應力的張拉體系,對普通構造鋼筋施加一定的張拉力,使鋼筋之間保持5 mm以上的距離,避免采用涂層鋼筋和絕緣夾。張拉應力的大小可按兩種思路控制：一是鋼筋張拉后處于水平狀態,不產生向下的撓曲；二是鋼筋張拉的伸長量等于混凝土最終的收縮量,也就是保證軌道板達到設計強度后,構造鋼筋的內部應力為零。

4.2 絕緣效果

混凝土本身具有較強的絕緣性能,可利用這一特性來達到絕緣的目的。混凝土的電阻率一般在10 000～15 000 Ω/cm,高的超過20 000 Ω/cm。若鋼筋間距5 mm以上,電阻率大于5 000 Ω,對軌道電路沒有影響。軌道板生產過程中需要水養3 d以上,先張法預應力軌道板在水池中浸泡14 d后,濕潤條件下測試的導電率沒有變化。

4.3 新思路的優點

(1)不增加絕緣措施的情況下,解決了軌道板內縱橫向鋼筋對軌道電路的影響問題。

定性測試表明：采用這種軌道板的無砟軌道,其軌道電路電氣性能接近于有砟軌道。

(2)避免了為滿足軌道電路采取的絕緣措施對軌道板耐久性產生影響。CRTSⅠ型、CRTSⅡ型軌道板內縱橫向鋼筋交叉點1 000個左右,采用套管、絕緣卡或涂層鋼筋,均會對混凝土內在質量、鋼筋與混凝土之間握裹力以及結構的耐久性產生不利影響,而先張法預應力軌道板的配筋方式可徹底解決了這一難題。

(3)經濟性好。先張法生產CRTSⅠ型預應力軌道板成本較低的原因在于：節省了后張法軌道板的錨具；節省了采用涂層鋼筋或絕緣套管所需要的費用；軌道板內的鋼筋用量較少。初步估算,每塊板的生產成本較雙向后張預應力軌道板降低約2 000元。

對CRTSⅡ型軌道板內構造鋼筋施加一定的張拉力,節省了涂層鋼筋或絕緣套管的費用,生產成本有一定程度的降低。

4.4 長面臺座法生產工藝

長面臺座法與長線臺座法相似,為了施加雙向預應力和提高生產效率,軌道板模型沿縱、橫雙向布置成矩形,縱向布置10排模型(或更多),總長度約50 m,橫向布置4～6列模型,總寬度約為18 m。可同時生產40～60塊軌道板以上。鋼筋采用單端張拉,模型不承受預應力,預應力由沿4條邊布置的張拉臺座承受,張拉臺座應具有足夠的強度、剛度和穩定性。

長面臺座法生產工藝具有占地少、投資少、生產工藝簡便高效、產品質量容易保證等優點。

5 結語

通過分析檢算和室內試驗表明,雙向先張預應力混凝土軌道板的強度、抗裂和疲勞承載力等各項力學性能指標較高,滿足板式無砟軌道結構的要求。經現場測試,軌道板絕緣性能良好,滿足軌道電路的要求。濱綏線成高子車站嚴寒地區無砟軌道試驗段鋪設了200 m先張法預應力軌道板, 2008年11月初通車運營,每日通過貨車58對,客車19對,1年多來,軌道板性能穩定,狀態良好。

[1]高仕斌,盧 濤,侯震宇,等.無絕緣軌道電路對無砟軌道的適應性分析[J].電氣化鐵道，2006(S1).

[2]錢振地,趙國堂,楊奎芳.板式無砟軌道對無絕緣軌道電路適應性研究[J].鐵道建筑,2004(11).