CRTSⅢ型先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板平整度控制措施試驗研究

王夢 王繼軍 樊齊旻 王培 施成

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.京沈鐵路客運專線遼寧有限責(zé)任公司， 沈陽 110001； 3.中鐵九局集團有限公司， 沈陽 110051

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國自主研發(fā)的無砟軌道系統(tǒng)，具有環(huán)境適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)耐久性好、養(yǎng)護維修工作量少等特點［1-2］，廣泛應(yīng)用于我國高速鐵路。截至2022年底，CRTSⅢ型板式無砟軌道運營里程已超過5 400 km，其規(guī)模化應(yīng)用為我國高速鐵路建設(shè)提供了有力支撐。

近年來，我國正在開展CRTSⅢ型板式無砟軌道對更高運營速度的適應(yīng)性研究［3-5］。運營速度提高對軌道平順性提出更高要求，然而軌道平順性控制是一個系統(tǒng)工程，需從軌道板預(yù)制、無砟道床鋪設(shè)、鋼軌精調(diào)等多方面進行全過程管控。對于CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)而言，軌道板是最上層結(jié)構(gòu)，主要采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土體系，起固定鋼軌、保持軌道幾何形位等作用，其平整度直接影響軌道平順性［6-7］。工程應(yīng)用中，個別線路部分軌道板脫模時已出現(xiàn)中部拱起現(xiàn)象，單側(cè)承軌面中央翹曲量超出了Q/CR 567—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》中2 mm的限值要求，顯著增加了實現(xiàn)軌道高平順性的難度和成本。因此，軌道板預(yù)制階段平整度控制是軌道平順性控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

學(xué)者們對CRTSⅢ型先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板預(yù)制過程中平整度控制進行了持續(xù)探索。文獻［8-10］建立了軌道板-模具一體化有限元模型，分析了預(yù)應(yīng)力施加、預(yù)應(yīng)力筋偏心、軌道板自頂面至底面混凝土彈性模量差異、混凝土收縮、養(yǎng)護階段板體溫度梯度等因素對軌道板預(yù)制平整度的影響，提出混凝土在底模約束下的收縮作用是形成軌道板中部拱起的主要原因，減小脫模前混凝土收縮和設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋偏心可減小軌道板單側(cè)承軌面中央翹曲量。文獻［11］進行了養(yǎng)護過程中靜置時間、升溫速率、恒溫溫度、降溫速率對軌道板平整度的影響試驗，提出了長靜置、緩升溫、低恒溫、慢冷卻的蒸汽養(yǎng)護控制原則。文獻［12］開展了軌道板頂面和底面溫差對軌道板平整度的影響試驗，提出溫差10 ℃時軌道板單側(cè)承軌面中央翹曲量變化量約為1.0 mm。文獻［13］通過分析長期監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨混凝土齡期增長，軌道板單側(cè)承軌面中央翹曲量不斷增大，但增幅逐漸減小。

本文根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋偏心、混凝土收縮對軌道板預(yù)制平整度的影響及水養(yǎng)完成后軌道板平整度經(jīng)時演化規(guī)律，基于文獻［5］中CRTSⅢ型先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和固定臺座法生產(chǎn)工藝，針對軌道板預(yù)制過程，提出四種平整度控制措施，并通過試驗評估各措施有效性，可為后續(xù)工程軌道板平整度控制提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗工況

設(shè)置五種工況，具體內(nèi)容如下。

工況1：軌道板生產(chǎn)過程中不采取輔助措施。

工況2：根據(jù)Q/CR 567—2017中預(yù)應(yīng)力筋位置容許偏差2 mm的要求，將預(yù)應(yīng)力筋中心向軌道板頂面偏移2 mm。

工況3：軌道板混凝土養(yǎng)護早期兩次灑水，以減小收縮。

工況4：對模具設(shè)置0.5 mm朝向軌道板底面的反向預(yù)拱度，以減小軌道板中部拱起量。

工況5：除了對模具設(shè)置0.5 mm反向預(yù)拱度，還在軌道板混凝土養(yǎng)護早期灑水兩次。

各工況均生產(chǎn)32塊P5600型軌道板進行對比試驗。

1.2 評價指標

軌道板平整度可采用四角承軌面水平和單側(cè)承軌面中央翹曲量表征。其中，單側(cè)承軌面中央翹曲量由同側(cè)一列承軌臺垂向位置偏差綜合計算得出，更能反映軌道板平整度，因此選用單側(cè)承軌面中央翹曲量對軌道板平整度進行評價。單側(cè)承軌面中央翹曲量為正值，表示軌道板中部高于端部，中部上拱；為負值則相反。

1.3 檢測方法

根據(jù)Q/CR 567—2017要求，水養(yǎng)完成時采用全站儀及配套工裝對軌道板外形尺寸進行檢測，計算得到單側(cè)承軌面中央翹曲量。檢測時軌道板處于平放狀態(tài)，條形支承設(shè)置在軌道板起吊套管下方，見圖1。

圖1 軌道板平整度檢測

2 試驗結(jié)果分析

2.1 檢測結(jié)果統(tǒng)計

以0.1 mm為一級對檢測結(jié)果進行分級，得到五種工況軌道板單側(cè)承軌面中央翹曲量不同量值所占百分比，見圖2。可知：五種工況單側(cè)承軌面中央翹曲量近似服從正態(tài)分布。

圖2 單側(cè)承軌面中央翹曲量不同量值所占百分比

對各工況單側(cè)承軌面中央翹曲量最大（小）值、平均值等進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 單側(cè)承軌面中央翹曲量統(tǒng)計結(jié)果mm

由表1可知：①工況1中央翹曲量最大值為2.50 mm，已超出2.00 mm限值，平均值為1.33 mm，已達限值的66.5%，且標準差為0.43 mm，易出現(xiàn)平整度超標情況。②與工況1相比，工況2中央翹曲量最大值減小0.40 mm，平均值減小0.19 mm，量值變化較小，最大值超出限值，對平整度的改善效果有限。③與工況1相比，工況3中央翹曲量最大值減小1.40 mm，平均值減小0.64 mm，且標準差由0.43 mm減至0.23 mm，說明灑水養(yǎng)護不僅可以有效減小中央翹曲量，而且可以減小不同批次間平整度差異。④與工況1相比，工況4中央翹曲量最大值減小1.50 mm，最小值減小1.70 mm，平均值減小1.46 mm，且平均值已為負值，說明軌道板已由中部上拱變?yōu)橹胁肯掳迹壍腊屙斆婢€形已發(fā)生明顯變化。由于受模具剛度、混凝土澆筑、振搗等后續(xù)工序影響，中央翹曲量標準差由0.43 mm增至0.58 mm，離散程度增大。⑤與工況1相比，工況5中央翹曲量最大值減小2.10 mm，最小值減小2.00 mm，平均值減小1.88 mm，中部下凹比工況4更明顯，達到了-0.55 mm，說明工況5平整度調(diào)控效果最顯著。⑥不論是采取軌道板混凝土養(yǎng)護早期兩次灑水、對模具設(shè)置0.5 mm反向預(yù)拱度，還是同時采取這兩種措施均能夠保證水養(yǎng)完成時軌道板平整度滿足限值要求。

2.2 軌道板長期平整度控制措施探討

王夢等［14］對軌道板平整度長期監(jiān)測結(jié)果分析得出，與水養(yǎng)完成時相比，軌道板混凝土180 d齡期時單側(cè)承軌面中央翹曲量平均值增大1.18 ~ 1.36 mm，且單側(cè)承軌面中央翹曲量已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為了保證軌道板長期中央翹曲量小于2.00 mm限值，水養(yǎng)完成時中央翹曲量宜按小于0.50 mm控制。

為明確采取不同措施時軌道板長期平整度保證率，由表1中五種工況平均值和標準差計算得到水養(yǎng)完成時對應(yīng)工況軌道板單側(cè)承軌面中央翹曲量的累計概率，見圖3。單側(cè)承軌面中央翹曲量0.50 mm對應(yīng)的累計概率即為對應(yīng)工況軌道板長期平整度保證率。

圖3 五種工況軌道板單側(cè)承軌面中央翹曲量累計概率

由圖3可知：①工況1—工況5軌道板長期平整度保證率分別為2.7%、6.4%、21.0%、86.3%和99.5%。②就單一措施而言，模具設(shè)置0.5 mm反向預(yù)拱度時軌道板長期平整度保證率較高，其次是混凝土養(yǎng)護早期灑水兩次，由于預(yù)應(yīng)力筋中心僅偏移2 mm，偏移量較小，對軌道板長期平整度保證率提升較少。③模具設(shè)置0.5 mm反向預(yù)拱度時軌道板長期平整度保證率僅86.3%，同時采取混凝土養(yǎng)護早期灑水措施時，軌道板長期平整度保證率可達99.5%。若要實現(xiàn)更高保證率，可進一步增大模具反向預(yù)拱度，并在軌道板混凝土養(yǎng)護早期多次灑水。

3 結(jié)論

本文針對個別線路CRTS Ⅲ型先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板在預(yù)制階段出現(xiàn)的平整度超標問題，以不采取輔助措施工況為基準，對四種平整度控制措施進行試驗研究。主要結(jié)論如下：

1）不采取輔助措施時軌道板易出現(xiàn)平整度超標情況。

2）就單一措施而言，模具設(shè)置0.5 mm反向預(yù)拱度對軌道板平整度控制效果較好，其次是軌道板混凝土養(yǎng)護早期灑水兩次，預(yù)應(yīng)力筋中心偏移2 mm對軌道板平整度控制效果較差。

3）為保證軌道板長期平整度，軌道板預(yù)制過程中宜采取模具設(shè)置反向預(yù)拱度+軌道板混凝土養(yǎng)護早期灑水的綜合措施。