施工早期CRTSⅢ型無砟軌道底座板凹槽角裂紋萌生原因分析

鄭家輝 薛志強 陳進杰 王建西，3

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北石家莊 050043)

CRTSⅢ型無砟軌道是我國自主研發的無砟軌道結構，由于其單元結構的易維修性，已逐漸成為我國高速鐵路工程中最主要的結構形式。成貴高鐵、京沈高鐵、鄭萬高鐵等多條高速鐵路均采用這種軌道形式。自密實混凝土和底座板凹槽組成限位結構，其工作性能是CRTSⅢ型無砟軌道安全服役的重要指標。

由于底座板多為現場澆筑施工，受環境溫度影響較大。通過現場調研發現，有太陽照射的路基地段底座板裂縫遠多于沒有太陽照射的隧道地段，個別凹槽角裂紋已發展為橫向貫通裂紋(見圖1)。凹槽角裂紋的出現可能會影響軌道結構的受力特性和耐久性，導致其使用壽命降低。

圖1 凹槽角開裂

對于底座板凹槽角裂紋的成因，已有許多學者進行了相關研究，周珂等主要考慮凹槽四周彈性墊層參數對底座板應力的影響[1]；李兆倫等從養護措施的角度分析如何預防底座板凹槽開裂[2]；于東等針對高寒地區的混凝土施工裂縫進行研究，為施工早期混凝土的保溫提供了可行性建議[3]。另外，霍春陽對CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道施工階段水化熱對道床板開裂的影響進行了研究[4]；蘇成光研究了雙塊式無砟軌道施工早期溫度場，為其現場澆筑施工提供了理論依據[5]。總體來說，CRTSⅢ型無砟軌道底座板服役時間較短，目前針對凹槽角裂紋的研究存在大量空白。

以京沈高鐵為背景，對CRTSⅢ型無砟軌道底座板澆筑時期的應力場特性進行研究，基于ABAQUS有限元軟件建立CRTSⅢ型無砟軌道底座板三維實體模型，分析在施工階段澆筑溫度對底座板凹槽角開裂的影響。

1 底座板施工階段模型

1.1 模型建立

根據路基段CRTSⅢ型無砟軌道底座板施工階段的結構特性和施工步驟，建立底座板、基床表層、基床底層、路基本體和地基的有限元模型(如圖2所示，總長11.32 m)。底座板為現場澆筑，施工前，應在底座板四周及凹槽內壁設置位移約束模具。

圖2 施工階段CRTSⅢ型無砟軌道模型

底座板混凝土與外界環境溫度存在差值時，發生的熱交換可采用文獻[4]中的混凝土表面在空氣中的對流換熱系數表達式，水化熱可采用文獻[5]中的雙曲線水化熱表達式，混凝土的收縮徐變可參考文獻[6]。在仿真計算中，通過等效降溫的方法來模擬混凝土收縮影響。澆筑溫度取外界環境溫度，并假設每天溫度變化相同(取承德地區5月份單日平均的氣溫變化值)，以減小特殊天氣對溫度場計算的影響。

選取不同凹槽角來分析應力隨時間的變化情況，進而通過應力值來反映底座板凹槽角處裂紋情況。如圖3所示。

圖3 底座板測點分布

1.2 模型參數

底座板為C35混凝土，截面尺寸為3.1 m×0.3 m，凹槽尺寸為0.7 m×1 m×0.1 m。底座板澆筑過程中，混凝土彈模的變化如圖4所示，澆筑完成后，底座板材料參數見表1。

圖4 混凝土彈性模量

表1 底座板材料參數

2 水化熱和混凝土澆筑溫度的影響

以下研究凹槽角裂紋的萌生，若拉應力超過混凝土抗拉強度，則認為出現裂紋。8個測點關于縱軸兩兩對稱，底座板中部較兩側散熱速率慢，水化熱產生的熱量較難釋放，故中部的內外溫差較大，測點F、G處的應力也就更大。另一方面，模具對混凝土初期養護具有保護作用，在拆模之前，混凝土大部分處于受壓狀態，距離模具距離越遠的點，受保護程度越小。經仿真模擬也可發現，測點F、G處在各個入模溫度的工況下，應力均為最大。基于最不利因素考慮，提取G點數據，用于分析底座板凹槽角裂紋的萌生。

2.1 不同澆筑溫度對底座板溫度場的影響

當外界環境溫度分別為12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃時，底座板凹槽角測點G的溫度場變化曲線如圖5所示。

圖5 底座板G點溫度變化曲線

由圖5可知，無論澆筑溫度為多少，底座板溫度場均在澆筑完成后1 d內達到極值。當澆筑溫度為分別為12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃時，極值分別為27.2 ℃、29.1 ℃、29.5 ℃、30.2 ℃和31.5 ℃。隨著養護時間的推移，底座板溫度逐漸下降，最終均穩定在24 ℃～25 ℃之間。

2.2 不同澆筑溫度對裂紋萌生的影響

當外界環境溫度分別為12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃時，底座板凹槽角測點G的應力變化曲線與混凝土抗拉強度對比如圖6所示。

圖6 底座板G點應力變化曲線

(1)當澆筑溫度為12 ℃時，在澆筑完成5 d時，拉應力極值穩定在0.32 MPa；且整個養護28 d期間，應力極值均未超過混凝土抗拉強度，故認為不會出現裂紋。

(2)當澆筑溫度為18 ℃時，在澆筑完成5 d時，拉應力極值穩定在0.2 MPa，且整個養護階段應力極值均未超過混凝土抗拉強度，故認為不會出現裂紋。

(3)當澆筑溫度為22 ℃時，在澆筑完成5 d時，每日拉應力極值穩定在1.35 MPa，在3～4 d內，應力極值超過混凝土抗拉強度，故認為可能會出現裂紋。

(4)當澆筑溫度為24 ℃時，在3 d時拉應力極值超過混凝土抗拉強度，之后隨著養護時間增長，混凝土強度升高，在10 d時，凹槽角應力極值開始低于混凝土抗拉強度，故認為凹槽角在3～10 d可能出現裂紋。

(5)當澆筑溫度為30 ℃時，從2 d開始，凹槽角的應力極值超過混凝土抗拉強度且在整個養護28 d期間，每日應力極值均超過混凝土抗拉強度，故認為在2～28 d均有可能出現裂紋。

2.3 升降溫對裂紋萌生的影響

除每日最低溫和每日最高溫以外，其他時間進行澆筑存在2種可能：外界環境正在升溫或外界環境正在降溫。以下考慮升降溫對底座板凹槽角的影響，取18 ℃時，10:00澆筑和21:00澆筑為一組對比工況。另取24 ℃時，12:00澆筑和18:00澆筑為一組對比工況。

(1)溫度為18 ℃時，10:00澆筑和21:00澆筑底座板凹槽角G點應力變化曲線如圖7所示。

圖7 底座板G點應力變化曲線

由圖7可知，10:00澆筑和21:00澆筑時，底座板凹槽角測點應力變化趨勢基本一致。21:00澆筑時測點達到壓應力峰值的時間較10:00澆筑時晚2 h左右，拉應力峰值早2 h左右。10:00澆筑和21:00澆筑時各測點的拉壓應力峰值基本一致，且均小于混凝土抗拉強度。整體來說，澆筑溫度為18 ℃時，升降溫對底座板凹槽角處的應力場影響不大。

(2)澆筑溫度為24 ℃時，12:00和18:00澆筑底座板凹槽角G點應力的變化曲線如圖8所示。

圖8 底座板G點應力變化曲線

12:00和18:00澆筑測點變化趨勢基本一致，但12:00澆筑時，入模溫度較高且澆筑后溫度升高較快，測點迅速升溫。由于模具的存在，混凝土受熱膨脹受到抑制，測點很快達到壓應力極值。12:00澆筑時的壓應力極值較18:00大0.2 MPa左右。12:00澆筑時前期受到較大的壓應力，故拆模后拉應力極值到達時間相對較晚。12:00澆筑時凹槽角應力值在3～6 d時超過混凝土抗拉強度，由此可以認為澆筑溫度為24 ℃時，12:00澆筑較18:00澆筑更能避免裂紋的出現。

2.4 拆模時機的選擇

由于底座板側向的支撐鋼膜可以重復利用，提早拆模可以提高施工的效率并節省材料。但模具在混凝土澆筑完成后對混凝土開裂可以起到一定的保護作用，過早拆模不利于混凝土的受力。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道底座板拆模時間一般為2d，為了提高施工效率且不影響混凝土的受力，有必要對不同溫度下拆模時機的選取進行計算。

圖9為無鋼膜支撐時，底座板凹槽G點應力隨時間的變化曲線。

如圖9所示，在無鋼膜支撐時，凹槽點受壓時間明顯縮短，澆筑后不久便開始受拉，且達到的拉應力峰值均大于有鋼膜支撐時的峰值。

圖9 底座板G點S11(橫向)S22(垂向)S33(縱向)應力隨時間變化曲線

當澆筑溫度為12 ℃時，澆筑完成15 h后，應力開始小于混凝土抗拉強度。當澆筑溫度為18 ℃時，澆筑完成10 h后，應力開始小于混凝土抗拉強度。因此，認為在1 d之內拆模并不會影響混凝土受力，可提前拆模。

當澆筑溫度為24 ℃和30 ℃時，無模具狀態下應力值在2 d后依然超過混凝土抗拉強度，不適合提早拆模。

3 混凝土收縮作用下底座板裂紋萌生分析

將混凝土收縮作為一個單獨的因素對CRTSⅢ型無砟軌道底座板凹槽角裂紋進行分析。由于底座板凹槽角位置關于縱軸對稱，故選取一半測點進行分析。測點A、B、E、F處在混凝土收縮作下應力隨時間變化曲線如圖10所示。

圖10 S11(橫向)S22(垂向)S33(縱向)應力隨時間變化曲線

混凝土收縮作用下，主要影響底座板凹槽角的縱向應力，橫向和垂向應力變化不大。各測點的應力變化趨勢較為一致。A、B兩點處在整個養護過程中未超過混凝土抗拉強度，認為在混凝土收縮作用下A、B、C、D4個測點不會出現裂紋。在25 d時，E點縱向應力超過混凝土抗拉強度，在24 d時，F點超過混凝土抗拉強度，故認為E、F、G、H4個測點在混凝土收縮作用下會發生破壞，建議加強養護。

4 結論與建議

利用有限元軟件對施工階段CRTSⅢ型無砟軌道底座板凹槽角裂紋的萌生進行了分析，主要考慮外界環境因素和水化熱共同作用，以及混凝土收縮單獨作用對裂紋萌生的影響，得到以下結論。

(1)當底座板澆筑溫度在22 ℃以下時，在整個養護階段不會出現裂紋；當澆筑溫度>22 ℃時，在澆筑完成3～10 d時，建議每日中午灑水降溫；澆筑溫度高于30 ℃時，不建議進行澆筑施工。

(2)當澆筑溫度一定時，升降溫對底座板整個養護階段的應力狀態影響不大。

(3)當澆筑溫度小于18 ℃時，在底座板混凝土完成終凝后即可拆模；澆筑溫度大于24 ℃時，不建議提早拆模。

(4)在混凝土收縮作用下，底座板中間2個凹槽四角易發生傷損，證明了養護階段底座板薄膜覆蓋的必要性。