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(shè)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(fù)承受列車荷載的結(jié)構(gòu)物,在列車荷載、溫度變化、基礎(chǔ)變形以及混凝土自身收縮變形的影響下容易產(chǎn)生裂縫。多數(shù)輕微細小的宏觀裂縫,對結(jié)構(gòu)的承載能力、使用功能和耐久性不會有大的影響。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(nèi)鋼筋調(diào)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(nèi),保證荷載自裂縫一側(cè)向另一側(cè)的可靠傳遞。在有支座橋梁上鋪設(shè)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(nèi)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(xiàn)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(dāng),道床板表面缺水導(dǎo)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(shè)置時間比較遲,在支承層上每隔5～10 m左右出現(xiàn)橫向貫通裂縫。

3 雙塊式無砟軌道裂縫產(chǎn)生機理

裂縫產(chǎn)生的原因可分為兩類：一是結(jié)構(gòu)型裂縫,是由外荷載引起的,包括常規(guī)結(jié)構(gòu)計算中的主要應(yīng)力以及其他的結(jié)構(gòu)次應(yīng)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(yīng)力和混凝土的收縮引起的。

(1)溫度裂縫

溫度裂縫產(chǎn)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(nèi)外溫差、結(jié)構(gòu)整體的溫度升降差、結(jié)構(gòu)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(chǎn)生裂縫。

(4)混凝土骨料塑性沉落引起的裂縫

當(dāng)骨料的沉落受到鋼筋的阻擋時,將出現(xiàn)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(xiàn)此類裂縫。

(5)新舊混凝土不良黏結(jié)裂縫

在雙塊式軌枕的側(cè)面及角部,常出現(xiàn)由于新舊混凝土黏結(jié)不良而引起的裂縫。

(6)其他因素

此外,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(chǎn)生裂縫。下部支承層中存在裂縫或結(jié)構(gòu)縫時,同樣也會產(chǎn)生反射裂縫。

列縫產(chǎn)生的原因及控制措施如表1所示。

表1 裂縫產(chǎn)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(guān)行業(yè)混凝土裂縫控制標準

(1)德國DIN1045-1標準

根據(jù)不同的暴露種類,將結(jié)構(gòu)進行分析,根據(jù)結(jié)構(gòu)分析確定的鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度容許值如表2所示。

(2)歐洲混凝土委員會

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)會與建筑學(xué)會

日本土木學(xué)會標準中把允許裂縫寬度玉保護層厚度結(jié)合在一起考慮,這就能更好地反映裂縫對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害的關(guān)系。日本土木學(xué)會與建筑學(xué)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(xié)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)

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

一級——嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件；

二級——一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件；

三級——允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)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(yīng)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(jù)對已有CRCP的調(diào)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?。粰M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(yīng)力最??；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(yīng)小于0.6 mm,低溫下應(yīng)不大于1.0 mm。

表6 結(jié)構(gòu)構(gòu)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(wǎng)構(gòu)造。鋼筋網(wǎng)一般布置在板厚的1/3～1/2處,也有采用雙層鋼筋網(wǎng)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(chǎn)生縱向裂縫,影響正常使用。鋼筋銹蝕導(dǎo)致鋼筋有效截面減小,破壞鋼筋與混凝土的黏結(jié),使結(jié)構(gòu)承載能力降低,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞,是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)大量試驗與泵送混凝土的經(jīng)驗將其放寬到0.2 mm。當(dāng)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境正常,保護層厚度滿足設(shè)計要求,無侵蝕介質(zhì),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(jù)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(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(dāng)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(shù)c/30的乘積(混凝土保護層以≥50 mm為宜)。隧道內(nèi)排水良好、無腐蝕性環(huán)境時裂縫寬度可適當(dāng)放寬,距離隧道洞口200 m以上的隧道內(nèi)裂縫寬度標準可按室內(nèi)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(jié)構(gòu)根據(jù)德國AKFF規(guī)定,德國雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)采用單層配筋設(shè)計,鋼筋設(shè)置在軌道板的中間位置附近。配筋率均為0.8%～0.9%,裂縫設(shè)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(chǔ)不均勻變形等因素引起的彎矩作用及軸力,提高結(jié)構(gòu)承載能力；

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時,限制裂縫寬度,保證結(jié)構(gòu)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(cè)傳遞至另一側(cè),當(dāng)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(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生主要是由于列車荷載彎矩、溫度梯度和基礎(chǔ)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(dāng)降溫荷載較大時可能會產(chǎn)生較大的裂縫,為保證結(jié)構(gòu)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(jié)論

德國雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)采用單層配筋設(shè)計,鋼筋設(shè)置在軌道板的中間位置附近。配筋率均為0.8%～0.9%,裂縫設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(dāng)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(shù)c/30的乘積(混凝土保護層以≥50 mm為宜)的控制標準。

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