雙塊式無砟軌道裂縫形式及控制標準研究

陸達飛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

無砟軌道作為一種露天放置、反復承受列車荷載的結構物,在列車荷載、溫度變化、基礎變形以及混凝土自身收縮變形的影響下容易產生裂縫。多數輕微細小的宏觀裂縫,對結構的承載能力、使用功能和耐久性不會有大的影響。當可見宏觀裂縫較寬較深時,會誘發(fā)鋼筋銹蝕或加速混凝土的自然老化,從而損害工程結構的承載能力、使用功能和耐久性。通常通過限制裂縫寬度來控制裂縫的發(fā)展和影響。

1 國外雙塊式無砟軌道結構設計原理與裂縫控制

德國路基上雙塊式無砟軌道采用縱向連續(xù)配筋的混凝土道床板,其設計主要借鑒公路中的連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)。連續(xù)道床板內鋼筋調置在中面附近,其主要作用在于限制裂縫寬度在0.5 mm以內,保證荷載自裂縫一側向另一側的可靠傳遞。在有支座橋梁上鋪設時,為減輕橋梁伸縮對無砟軌道的影響,采用了單元雙塊式無砟軌道。

德方認為：裂縫寬度在0.5 mm以內時對鋼筋銹蝕幾乎沒什么影響,鋼筋以上混凝土保護層的厚度和其抗?jié)B性能在鋼筋銹蝕過程中有決定性作用。

2 雙塊式無砟軌道裂縫型式

目前，雙塊式無砟軌道的裂縫主要發(fā)生在道床板、支承層和底座上,這些裂縫可歸納為以下幾種形式。

(1)道床板上雙塊式軌枕的角裂縫

雙塊式無砟軌道在道床板上出現比較多的裂紋是軌枕塊的四個角處發(fā)展角裂縫。

(2)路基上連續(xù)道床板上支承層假縫處的反射裂縫

路基上支承層假縫處均在道床板上有反射裂縫,反射裂縫主要特征有：①反射裂縫大多在軌枕塊處開裂；②反射裂縫一般多是貫穿裂縫；③反射裂縫的寬度是道床板裂縫中最寬的裂縫之一。

(3)道床板上龜裂縫

澆筑道床板時由于養(yǎng)護不當,道床板表面缺水導致形成龜裂縫。

(4)支承層橫向貫通裂縫

由于支承層澆筑完成后,支承層的假縫設置時間比較遲,在支承層上每隔5～10 m左右出現橫向貫通裂縫。

3 雙塊式無砟軌道裂縫產生機理

裂縫產生的原因可分為兩類：一是結構型裂縫,是由外荷載引起的,包括常規(guī)結構計算中的主要應力以及其他的結構次應力造成的受力裂縫；二是材料型裂縫,是由非受力變形變化引起的,主要是由溫度應力和混凝土的收縮引起的。

(1)溫度裂縫

溫度裂縫產生主要原因是由溫差造成的。溫差可分為以下三種：水化熱引起的混凝土內外溫差、結構整體的溫度升降差、結構從上表面至下表面的溫度梯度。

(2)混凝土收縮引起裂縫

混凝土的收縮類型有很多種,其中引起混凝土開裂的主要包括干燥收縮和塑性收縮。

(3)鋼軌的伸長引起裂縫

雙塊式無砟軌道施工若不能及時松開扣件,鋼軌的伸縮將帶動軌枕在新澆混凝土土中移動從而產生裂縫。

(4)混凝土骨料塑性沉落引起的裂縫

當骨料的沉落受到鋼筋的阻擋時,將出現沿鋼筋的走向的裂縫,施工過程中如果模板綁扎不好、模板沉陷、移動時也會出現此類裂縫。

(5)新舊混凝土不良黏結裂縫

在雙塊式軌枕的側面及角部,常出現由于新舊混凝土黏結不良而引起的裂縫。

(6)其他因素

此外,結構基礎不均勻沉陷、凍脹以及鋼筋銹蝕等均會引起雙塊式無砟軌道產生裂縫。下部支承層中存在裂縫或結構縫時,同樣也會產生反射裂縫。

列縫產生的原因及控制措施如表1所示。

表1 裂縫產生的原因及控制措施

4 雙塊式無砟軌道裂縫控制標準

4.1 相關行業(yè)混凝土裂縫控制標準

(1)德國DIN1045-1標準

根據不同的暴露種類,將結構進行分析,根據結構分析確定的鋼筋混凝土構件裂縫寬度容許值如表2所示。

(2)歐洲混凝土委員會

根據混凝土結構耐久性要求、結構所處條件及荷載作用的情況,對允許的最大裂縫寬度做出了規(guī)定,如表3所示。

表2 DIN 1405-1中對裂縫寬度的限制要求

注：對于特殊結構物,如橋梁,水箱,車庫有更高的要求。

表3 EuroCode裂縫寬度 mm

(3)日本土木學會與建筑學會

日本土木學會標準中把允許裂縫寬度玉保護層厚度結合在一起考慮,這就能更好地反映裂縫對結構產生危害的關系。日本土木學會與建筑學會允許的裂縫控制寬度如表4所示。

表4 日本允許裂縫寬度

注：c為保護層厚度(mm)。

(4)美國混凝土協會(ACI)

ACI規(guī)定不同環(huán)境下鋼筋混凝土允許裂縫寬度如表5所示。

表5 ACI裂縫寬度限值

(5)我國《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2002)

鋼筋混凝土和預應力混凝土構件應按所處環(huán)境類別和使用要求,選用相應的裂縫控制等級,并按下列規(guī)定進行受拉邊緣應力或下截面裂縫寬度驗算：

一級——嚴格要求不出現裂縫的構件；

二級——一般要求不出現裂縫的構件；

三級——允許出現裂縫的構件,在荷載的標準組合下,并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度,應符合下列規(guī)定：wmax≤wlim,如表6所示。

(7)連續(xù)配筋混凝土路面

根據對已有CRCP的調查,橫向裂縫間距在0.3～0.6 m的路段破壞最多；橫向裂縫間距1.2～1.5 m的路段鋼筋銹蝕最小；橫向裂縫間距在1.5～2.5 m的路段傳荷能力最佳,彎沉及荷載應力最小；橫向裂縫間距大于2.5 m的路段裂縫寬度較大,傳荷能力減小并發(fā)生剝落。美國建議的裂縫間距為0.8～3.0 m,比利時建議的裂縫間距1.0～4.0 m。裂縫寬度以不嚴重滲水為好,一般認為寬度應小于0.6 mm,低溫下應不大于1.0 mm。

表6 結構構件的裂縫控制等級及最大裂縫控制寬度限值

CRCP的配筋率通常是指縱向鋼筋與混凝土的面積比,取值范圍一般在0.5%～0.7%之間。配筋形式一般采用縱、橫向變形鋼筋搭接而成的鋼筋網構造。鋼筋網一般布置在板厚的1/3～1/2處,也有采用雙層鋼筋網布置在板的上部及底部；鋼筋的保護層最小厚度6 cm。

4.2 裂縫對雙塊式無砟軌道的影響

(1)鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕發(fā)生銹脹,會使混凝土保護層脫落,嚴重的產生縱向裂縫,影響正常使用。鋼筋銹蝕導致鋼筋有效截面減小,破壞鋼筋與混凝土的黏結,使結構承載能力降低,甚至導致結構破壞,是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最重要的因素。

(2)混凝土碳化

如果空氣中的二氧化碳CO2進入混凝土中,足夠的空氣濕度會使其形成碳酸,即H2CO3。隨后碳酸與氫化鈣互相作用,產生碳酸鈣CaCO3。 若Ca(OH)2晶體中的碳酸鈣未溶解,混凝土孔隙水的pH值就會降低到鈍化極限值：即鋼筋失去其抗腐蝕性。

4.3 雙塊式無砟軌道裂縫控制標準

確定裂縫最大寬度所需考慮的因素主要為耐久性(環(huán)境條件和構件使用條件)和外觀要求。目前世界各國的規(guī)定不完全一致,但大致相同,如從結構耐久性要求,承載力要求及正常使用要求,最嚴格的允許裂縫寬度為0.1 mm。近年來,許多國家已根據大量試驗與泵送混凝土的經驗將其放寬到0.2 mm。當結構所處的環(huán)境正常,保護層厚度滿足設計要求,無侵蝕介質,鋼筋混凝土裂縫寬度可放寬至0.4 mm；在濕氣及土中為0.3 mm；在海水及干濕交替中為0.15 mm,沿鋼筋的順筋裂縫有害程度高,必須處理。根據各國不同規(guī)范確定的無砟軌道最大裂縫寬度如表7所示。

表7 無砟軌道最大裂縫寬度

表7的對比分析可以看出,各國規(guī)范對于裂縫寬度的限制均較高,其中日本按耐久性要求的裂縫寬度最嚴,當保護層厚度為30 mm時,最大裂縫寬度僅容許為0.15 mm,Din1045和歐洲混凝土委員會規(guī)定稍寬,為0.3 mm,我國混凝土結構設計規(guī)范則規(guī)定為0.2 mm,介于其中。日本屬于海洋性氣候,易受氯鹽的侵蝕,為保證其結構的耐久性,故而從嚴規(guī)定其裂縫寬度限值。歐洲環(huán)境條件較好,其防止鋼筋銹蝕,多采用加厚保護層和增加水泥含量等措施,其裂縫寬度限值稍松。

我國幅員遼闊,各地氣候條件不同,裂縫寬度限值宜參照我國混凝土結構設計規(guī)范,考慮保護層厚度的影響,即無砟軌道允許裂縫寬度限值取為0.2 mm,當混凝土保護層厚度超過30 mm時,裂縫寬度允許值取0.2 mm與系數c/30的乘積(混凝土保護層以≥50 mm為宜)。隧道內排水良好、無腐蝕性環(huán)境時裂縫寬度可適當放寬,距離隧道洞口200 m以上的隧道內裂縫寬度標準可按室內正常環(huán)境選擇,即裂縫寬度允許值取0.3 mm(保護層厚度30 mm時)。

5 雙塊式無砟軌道配筋方式

雷達2000與旭普林雙塊式無砟軌道結構根據德國AKFF規(guī)定,德國雙塊式無砟軌道結構采用單層配筋設計,鋼筋設置在軌道板的中間位置附近。配筋率均為0.8%～0.9%,裂縫設計控制寬度為0.5 mm,裂縫間距為1～2 m左右。

雙塊式無砟軌道中鋼筋的作用主要有以下幾點：

(1)承受列車荷載、溫度荷載、基礎不均勻變形等因素引起的彎矩作用及軸力,提高結構承載能力；

(2)當結構出現裂縫時,限制裂縫寬度,保證結構耐久性；

(3)依造鋼筋的銷栓作用和骨料的咬合作用將荷載自裂縫一側傳遞至另一側,當裂縫寬度太大時,骨料的咬合作用難以保證荷載的有效傳遞,荷載的傳遞將主要依靠鋼筋的銷栓作用。

對于單元雙塊式無砟軌道,結構裂縫的產生主要是由于列車荷載彎矩、溫度梯度和基礎不均勻變形,而對于連續(xù)雙塊式無砟軌道,混凝土的收縮以及環(huán)境溫度的變化則是引起裂縫的主要因素。當降溫荷載較大時可能會產生較大的裂縫,為保證結構耐久性及荷載的有效傳遞,需增大配筋，從控制裂縫寬度和保證裂縫處荷載的有效傳遞來說,單層配筋和雙層配筋均可滿足使用要求,但雙層配筋時由于混凝土保護層厚度的減小,裂縫控制標準更為嚴格。

6 結論

德國雙塊式無砟軌道結構采用單層配筋設計,鋼筋設置在軌道板的中間位置附近。配筋率均為0.8%～0.9%,裂縫設計控制寬度為0.5 mm,裂縫間距為1～2 m左右。我國幅員遼闊,各地氣候條件不同,裂縫寬度限值宜參照我國混凝土結構設計規(guī)范,考慮保護層厚度的影響,無砟軌道允許裂縫寬度限值可取為0.2 mm,當混凝土保護層厚度超過30 mm時,裂縫寬度允許值取0.2 mm與系數c/30的乘積(混凝土保護層以≥50 mm為宜)的控制標準。

[1]何華武.無碴軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社，2005

[2]盧祖文.客運專線鐵路軌道[M].北京:中國鐵道出版社，2005

[3]趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京:中國鐵道出版社，2006

[4]鄧學鈞，陳榮生.剛性路面設計[M].北京:人民交通出版社，2005

[5]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M]. 北京:中國鐵道出版社，2005

[6]曹東偉.連續(xù)配筋混凝土路面結構研究[D].西安：長安大學，2001

[7]王森榮.雙塊式無砟軌道與配筋混凝土路面結構設計研究[J].鐵道工程學報，2010(6)

[8]崔國慶.雙塊式無砟軌道道床板裂紋控制研究[J].鐵道標準設計，2010(1)