CRTSⅢ型先張預應力軌道板翹曲變形控制方法優化

許江鵬

摘 要：本文立足于以往CRTS Ⅲ型軌道板預制防翹曲經驗，結合牡佳客運專線軌道板制造中出現的翹曲現象，從模具選型、混凝土狀態、預設反拱、預應力筋定位、蒸養環節等方面展開研究，以有效防止軌道板翹曲，保證列車運行的高平順性。

關鍵詞：CRTS Ⅲ型軌道板;預應力;翹曲變形;混凝土

中圖分類號：U213.244文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）01-0118-03

Abstract： Based on the past experience of CRTS Ⅲ track slab prefabrication and warpage prevention， combined with the warpage phenomenon in the manufacturing of track slab of Mujia passenger dedicated line， this paper studied the selection of mould， concrete state， preset reverse arch， prestressed reinforcement positioning， steam curing link， etc.， so as to effectively prevent the warpage of track slab and ensure the high smoothness of train operation.

Keywords： CRTS Ⅲ track slab;prestress;warpage;concrete

1 研究背景

本主題的研究以成灌客專無砟軌道研究為起點，經過盤營、鄭徐、昌贛等多條高速鐵路推廣完善。CRTS Ⅲ型軌道板已成為我國具有自主知識產權的技術體系，不僅具有軌道平順性高、結構受力好的優點，而且便于后期維護，為我國高速鐵路建設提供了強有力的支撐。

新建牡丹江至佳木斯客運專線，線路全長372 km，無砟軌道以隧道段落為主。牡佳六標軌道板場負責全線20 716塊軌道板的制造，采用矩陣式臺座法生產工藝，針對制造過程中存在的翹曲變形超限問題（如圖1所示）進行了研究。通過改進制造工藝，制定防控措施，有效降低了在軌道板的翹曲變形，平整度得到明顯提升。

2 板體翹曲變形的危害

軌道板翹曲變形超限影響軌道鋪設的平順性，造成軌道高程調整量大，調整扣件使用量增多，精調作業難度大，制約施工進度。如超限較大，則軌道板報廢處置，導致制造成本增加[1]。

3 影響板體翹曲的主要因素

以P5600型標準板為例，長度為5 600 mm、寬度為2 500 mm、厚度為200 mm，采用“雙向雙層部分預應力體系+整體普通鋼筋骨架”的薄板結構。為確保預應力傳遞的均勻性，在端部設置Φ30 mm的錨固板，有效提升軌道板承載力的同時，減弱了抵抗軌道板中央翹曲變形的能力。在軌道板制造過程中，模板抗變形能力、混凝土狀態、預應力筋偏移、蒸汽養護等都是引起軌道板翹曲變形的因素。

4 翹曲變形的優化控制措施

4.1 模具設計選型控制

4.1.1 模具的合理設計。模具是保證軌道板外形尺寸、抵抗翹曲變形的基礎，因此，其應具有足夠的強度、剛度、穩定性和精準度。采用有限元軟件ANSYS進行受力分析，按照最不利工況：混凝土澆筑完畢，振搗器還在振搗，混凝土自重、鋼模結構自重、現澆注混凝土壓力及先張預應力同時施加極限荷載變形。經過計算，模具最大等效應力值為5.13 MPa，最大變形值為0.049 mm，具備較大的抗變形能力，模具位移云圖如圖2所示。

4.1.2 柔性支座的選取。采用變形量小、技術可靠的矩形橡膠墊板，輔以鋼板形式的柔性支座體系，使其在混凝土灌注后壓縮變形量最小化。專業廠家制造、安裝并提供強度、剛度、穩定性技術資料，保證模具在長期使用中的受力均勻分布。

4.2 混凝土狀態的優化

4.2.1 原材料的選擇。水泥水化時釋放的熱量會導致混凝土內外溫差加大，使結構出現溫差裂縫，選用中低熱的水泥品種，可明顯降低水化熱的速度，同時也可減少水泥使用量。復合摻合料對混凝土早期強度影響顯著，隨著摻量在10%至18%范圍內呈強度增長趨勢，其含有活性較高、水化較快的硅砂粉，起到了潤滑作用，極大改善混凝土的工作性能。

4.2.2 配合比的優化設計。為確保混凝土設計強度及低水化熱，采用較低的水膠比、低水泥劑量進行混凝土適配。最終確定砂率為37%，以確保混凝土工作性最佳的情況下，滿足設計強度及耐久性。砂率過高或過低，都會直接影響混凝土狀態，導致勻質性差，彈性模量分散，易出現干縮，從而降低混凝土的結構強度。配合比如表1和表2所示。

經過試驗檢測，該配合比在混凝土硬化過程中體積穩定、水化熱小，冷卻時溫度及干燥收縮較低，不易產生裂縫，預防翹曲變形。

4.2.3 彈性模量的控制。加強灌注過程中坍落度的把控，提高入模時坍落度的標準，按（90±10） mm控制。為增強混凝土彈性模量的勻質性，由兩層布料優化為三層布料工藝，第一層100 mm，第二層60 mm，第三層40 mm，整平時撒布混凝土骨料，增加粗糙度。前兩層每層振搗120 s，第三層振搗50～60 s。每層布料完成后進行振搗，嚴禁同步進行振搗。通過對灌注環節工藝的優化，降低了因骨料分布不均勻產生的彈性模量偏差（軌道板頂部粗骨料聚積彈性模量大，底部膠凝材料比例大彈性模量小），可有效預防彈性模量不均勻引發的翹曲變形。

4.3 底模預設反拱

模具安裝前，將支撐柱調整到設計位置，通過8個支撐臺進行高度調整。測量控制底模高度誤差在±0.3 mm以內，確保臺座模具間的高度偏差≤0.8 mm。設置底模預設反拱，經過工藝性試驗，反拱值為（0.6±0.2） mm時較為合理，可有效抵消板體翹曲變形。

4.4 預應力筋偏移控制

施工中發現部分模具受重力作用時，柔性支座存在受壓變形，導致預應力孔道向下偏移0.6～1 mm，存在預應力偏載導致翹曲變形的可能。根據不同臺座的測量數據，對模具設置初始模具上移量為（1±0.3） mm，使其在全載荷的情況下抵消受壓變形應力。

4.5 蒸汽養護環節的優化

對蒸汽養護時間進行優化，能防止軌道板因內外溫差過大及恒溫溫度過高而導致的翹曲變形，能嚴格控制蒸養過程中的升、降溫速率及恒溫時最高溫度。

4.5.1 蒸養對翹曲變形的影響。靜停階段可以提高水泥的水化程度，形成一定量的高分散水化物填充在毛細孔內并吸附水分，減少升溫時體積膨脹對結構的破壞，應適當延長靜停時間。

升溫階段是混凝土結構的定型期，決定著蒸汽養護質量。升溫速度調節著混凝土硬化和熱脹變形的關系，避免溫度應力過大造成的混凝土開裂。水泥石的熱脹變形能力遠大于鋼質模具，控制不到位會造成軌道板與模具連接部位溫度應力增大，從而造成不可恢復的翹曲變形。

恒溫階段是混凝土強度的主要增長期，通常認為溫度越高，養護時間越長，混凝土強度就越高。當獲得一定強度時，水化產物充滿混凝土空間，仍會有水泥粒子在水化，生成水化產物，使固相體積增大。在鋼模約束下，混凝土產生內壓由軌道板底面釋放，對已定型的結構施加變形應力。

降溫階段對強度仍有影響，表層降溫快，收縮亦快;芯部降溫慢，收縮亦慢，在軌道板表里產生溫差，在溫度階梯的作用下，表層產生拉應力，當拉應力超過混凝土強度時，就會產生裂縫。

4.5.2 蒸養時間的合理優化。《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預應力混凝土軌道板》（Q/CR 567—2017）規定混凝土灌注，模板溫度5～35 ℃，混凝土入模溫度5～30 ℃。由于軌道板制造為工廠化施工，主工序在封閉車間內完成，配套成熟采暖設備，因此全年生產平均溫度26 ℃，冬季施工平均溫度18 ℃。根據實際工況，對溫度進行控制，混凝土入模溫度12～35 ℃，環境溫度溫度15～30 ℃。

對蒸養養護時間進行優化。①靜停階段設置：3 h后方可開始送蒸汽養護;②升溫階段設置：3 h蒸汽養護升溫速度≤8.5 ℃/h;③恒溫階段設置：7 h蒸汽恒溫溫度≤42 ℃，可根據放張強度變化，適當調整恒溫溫度;④降溫階段設置：3 h蒸汽養護降溫速度≤8.5 ℃/h[3]。

總養護時間為16 h，可根據實際情況進行調整。充足的靜停時間有效提高了水泥的水化程度，蒸汽養護降溫速度≤8.5 ℃/h，可降低溫度應力及溫度階梯應力。蒸汽恒溫不超過42 ℃，緩和了水化持續產物對混凝土結構的變形應力影響。

4.5.3 蒸汽養護過程中的保溫保濕措施。針對軌道板存在溫度階梯的現象，在臺座單獨設置4個溫度傳感器，軌道板頂板及底板各2個，作為控制頂、底板溫度差值的依據。溫差控制≤8 ℃，當溫差超限，通過電腦控制蒸汽養護系統下達指令調節蒸汽供應量，調節溫差，可有效控制由于溫度階梯引起的板體翹曲變形。

為減弱混凝土干縮產生的變形，混凝土初凝后在軌道板底面覆蓋土工布保濕，通過自動控溫器控制，對軌道板進行自動灑水，水溫高于軌道板底面溫度5 ℃（考慮管道流通時水的熱量散失），采用加熱棒對水進行加熱，并安裝定時自動噴淋開關。混凝土澆筑完成后，根據混凝土坍落度設置噴淋時間。通過工藝性試驗，一次噴淋時間：靜停2～3 h，二次噴淋時間：升溫1～2 h，基本保證軌道板蒸養期間不缺水，確保了高強混凝土養護質量，減少裂縫的產生。

5 工程實際效果

通過以上各項措施，單側的承軌面中央翹曲量比原工藝有了較大提高，最終穩定合格率100%，如表3所示。單塊軌道板平面度整體發展趨勢改觀也較為明顯。

6 結論

軌道板在工廠化制造過程中，單側承軌面的中央翹曲量變形是可以控制的。通過對混凝土狀態的研究控制、制造過程中優化施工工藝的管理，加強軌道板各階段的質量監測，軌道板平整度合格率能大幅度提升，從而降低后期無砟軌道精調的施工難度，保證軌道運行的高平順性。

參考文獻：

[1]王夢，王繼軍，趙勇，等.CRTSⅢ型先張預應力軌道板設計及制造技術[J].中國鐵路，2017（8）：16-20.

[2]劉增杰，王繼軍，王夢，等.CRTSⅢ型先張軌道板制造翹曲變形控制措施研究[J].鐵道建筑技術，2017（2）：109-113.

[3]李保華，彥華.成都至都江堰鐵路路基地段CRTSⅢ型板式無砟軌道縱向連接設計[J].高速鐵路技術，2013（1）：71-75.