CRTS Ⅲ型后張板式無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力損失及翹曲影響

趙東全

（沈陽(yáng)鐵路局工務(wù)檢測(cè)所，遼寧沈陽(yáng)110000）

CRTS Ⅲ型后張板式無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力損失及翹曲影響

趙東全

（沈陽(yáng)鐵路局工務(wù)檢測(cè)所，遼寧沈陽(yáng)110000）

CRTSⅢ型后張板式無(wú)砟軌道（簡(jiǎn)稱Ⅲ型板）是我國(guó)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的主要形式之一，其軌道板采用雙向后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，施工及使用過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失不可避免。預(yù)應(yīng)力損失影響軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形，根據(jù)Ⅲ型板預(yù)應(yīng)力特征，計(jì)算施工錨固階段及使用過(guò)程中的軌道板預(yù)應(yīng)力損失，分析軌道板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道結(jié)構(gòu)翹曲變形及翹曲應(yīng)力的影響，并得到以下結(jié)論：（1）Ⅲ型板縱向預(yù)應(yīng)力總損失為158.69MPa，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失為82.56MPa，橫向預(yù)應(yīng)力總損失為164.98MPa，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失為78.62MPa；（2）預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道板翹曲位移影響較??；（3）正溫度梯度作用下預(yù)應(yīng)力損失使軌道板受壓，應(yīng)力略有減小；（4）負(fù)溫度梯度作用下預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致軌道板受拉，應(yīng)力有所增加。

CRTSⅢ型板；無(wú)砟軌道；軌道板；后張；預(yù)應(yīng)力損失；翹曲變形；翹曲應(yīng)力

CRTSⅢ型后張板式無(wú)砟軌道（簡(jiǎn)稱Ⅲ型板）是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，結(jié)合了CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道與CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將工廠預(yù)制的軌道板鋪設(shè)在混凝土支承層（路基）或鋼筋混凝土底座（橋梁）上（路基上采用縱連式，橋上采用單元式[1]），具有鋪設(shè)方便、調(diào)整簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。Ⅲ型板最早應(yīng)用于成灌鐵路，而后被批準(zhǔn)鋪設(shè)于鄭徐等客運(yùn)專線上。

Ⅲ型板采用雙向預(yù)應(yīng)力軌道板，可有效提高軌道板的抗裂性能。然而在施工及使用過(guò)程中，由于錨具變形，混凝土彈性壓縮，混凝土收縮、徐變及鋼筋應(yīng)力松弛等原因，預(yù)應(yīng)力損失不可避免[2-4]。預(yù)應(yīng)力損失將影響荷載作用下軌道板內(nèi)的應(yīng)力分布及變形，但目前對(duì)于軌道板預(yù)應(yīng)力損失的研究較少，因此研究Ⅲ型板預(yù)應(yīng)力損失及影響，對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及維修具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)型式

Ⅲ型板從上到下由鋼軌、WJ-8扣件、預(yù)制單元軌道板、配筋的自密實(shí)混凝土、限位凹槽、中間隔離層（土工布）和水硬性支承層等組成（見(jiàn)圖1）。軌道板與自密實(shí)混凝土采用“門(mén)”型鋼筋相連，自密實(shí)混凝土通過(guò)中部或兩端限位凹槽與支承層相連，從而實(shí)現(xiàn)縱、橫向力的傳遞與限位功能。支承層凹槽內(nèi)鋪設(shè)由彈性墊板及泡沫板組成的彈性墊層（見(jiàn)圖2），支承層與混凝土之間設(shè)置隔離層（2層土工布）。

圖1 Ⅲ型板結(jié)構(gòu)圖

圖2 支承層凹槽設(shè)置

2 預(yù)應(yīng)力損失

Ⅲ型板采用預(yù)制的P5600后張雙向預(yù)應(yīng)力軌道板，軌道板長(zhǎng)5.60m、寬2.50m、高0.21m，縱向共8根、橫向共12根Ф13mm的無(wú)粘結(jié)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼棒。根據(jù)《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)條件》（初稿）要求，預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度1420MPa，控制預(yù)應(yīng)力σcon=0.72fpk。由于軌道板采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，所以不考慮管道摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失[5]。對(duì)于后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力軌道板，傳力錨固階段的主要預(yù)應(yīng)力損失為錨頭變形及混凝土彈性壓縮損失，在使用階段的主要預(yù)應(yīng)力損失則為應(yīng)力松弛及混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失，也稱為長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)TB10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算如下。

2.1 由錨頭變形、鋼筋回縮及接縫壓縮引起

當(dāng)軌道板采用水泥砂漿接縫時(shí)，接縫壓縮值為1mm，軌道板縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效長(zhǎng)度近似為5.6m，為兩端張拉；橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效長(zhǎng)度為2.4m，為單端張拉。由《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.4—2可計(jì)算出由錨頭變形、鋼筋回縮及接縫壓縮引起的縱向預(yù)應(yīng)力損失σl1=71.38MPa，橫向預(yù)應(yīng)力損失σl1'=83.30MPa。

2.2 由混凝土彈性壓縮引起

2.3 由鋼筋松弛引起

Ⅲ型板采用低松弛預(yù)應(yīng)力鋼棒，由《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.4-6可知，ζ=0.2（σcon/fpk-0.5）=0.044（σcon/fpk），則由鋼筋松弛引起的縱向預(yù)應(yīng)力松弛σl3=44.97MPa，橫向預(yù)應(yīng)力松弛σl3'=44.97MPa。

2.4 由混凝土收縮、徐變引起

對(duì)于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，由于收縮、徐變引起混凝土試件長(zhǎng)度縮短，同時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋長(zhǎng)度隨之縮短，從而造成預(yù)應(yīng)力損失。其值可由內(nèi)力平衡及鋼筋混凝土的變形協(xié)調(diào)條件計(jì)算，具體計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6]。

混凝土徐變系數(shù)終極值及收縮應(yīng)變終極值按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.4—3取值。對(duì)于縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋，傳力錨固時(shí)混凝土正應(yīng)力為2.106MPa，計(jì)算截面理論厚度為h=357.0mm，收縮應(yīng)變終極值為ε∞=0.1396×10-3，徐變系數(shù)終極值為φ∞=1.348，梁的配筋率換算系數(shù)μn=0.0465，則由混凝土收縮、徐變引起的縱向預(yù)應(yīng)力損失σl4=37.59MPa。

對(duì)于橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，傳力錨固時(shí)混凝土正應(yīng)力為1.353MPa，計(jì)算截面理論厚度為h=390.7mm，收縮應(yīng)變終極值為ε∞=0.1379×10-3，徐變系數(shù)終極值為φ∞=1.340，μn=0.0353，ρA=1，則由混凝土收縮、徐變引起的縱向預(yù)應(yīng)力損失σl4'=33.65MPa。

由錨頭變形、鋼筋回縮和接縫壓縮及混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失稱為瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失；鋼筋松弛及混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失稱為長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失。則Ⅲ型板縱向預(yù)應(yīng)力總損失為158.69MPa，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失為82.56MPa；橫向預(yù)應(yīng)力總損失為164.98MPa，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失為78.62MPa。一般來(lái)說(shuō)長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失在使用后3年全部完成，其中，使用1年時(shí)鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失全部完成，混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失完成85%。Ⅲ型板在使用過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失見(jiàn)圖3。

圖3 使用過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失

3 預(yù)應(yīng)力損失影響

3.1 模型建立

通過(guò)有限元軟件Abaqus建立了Ⅲ型板實(shí)體模型，分析軌道板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力及變形的影響[7]。模型中考慮了鋼軌、軌道板、預(yù)應(yīng)力鋼筋、自密實(shí)混凝土層、底座板及底座凹槽。為消除邊界效應(yīng)影響，模型長(zhǎng)度最短為3塊軌道板；為減小計(jì)算規(guī)模，沿線路方向結(jié)構(gòu)中心線選取半軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖4）。

圖4 三維有限元計(jì)算模型

模型中鋼軌采用2節(jié)點(diǎn)線性梁?jiǎn)卧狟31模擬；軌道板、自密實(shí)混凝土層、支承層板采用8節(jié)點(diǎn)三維線性應(yīng)力單元C3D8R模擬；扣件系統(tǒng)采用t彈簧單元模擬；因軌道板與自密實(shí)混凝土間有門(mén)型筋連接增加其整體性，故模型中軌道板與自密實(shí)混凝土層進(jìn)行粘接；自密實(shí)混凝土層與底座板進(jìn)行粘接；下部基礎(chǔ)采用均布支撐的垂向線性彈簧單元模擬垂向支撐，縱向非線性彈簧模擬道床縱向阻力。鋼軌兩端及地基彈簧進(jìn)行全部約束，底座板兩端約束縱、橫向位移。

3.2 基本參數(shù)

模型中軌道板尺寸為5.60m×2.50m×0.21m，采用C60混凝土，彈性模量為36500MPa，熱膨脹系數(shù)1×10-5m/℃；自密實(shí)混凝土層尺寸為5.60m×2.50m×0.10m，彈性模量為34000MPa，熱膨脹系數(shù)1×10-5m/℃；底座板寬2.90m，厚度為0.20m，采用C40混凝土，彈性模量34000MPa，熱膨脹系數(shù)1×10-5m/℃；凹槽內(nèi)彈性墊層彈性模量10000MPa，熱膨脹系數(shù)為2.4×10-4m/℃；泡沫層彈性模量10000MPa，熱膨脹系數(shù)為1.8×10-4m/℃?？奂瓜騽偠葹?0kN/mm，縱向阻力9kN/個(gè)，路基垂向支承面剛度為76MPa，道床縱向阻力為2860N/mm。

在計(jì)算軌道板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響時(shí)，主要考慮預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道板翹曲變形的影響。根據(jù)《客運(yùn)專線無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法》規(guī)定，當(dāng)僅檢算預(yù)應(yīng)力損失后軌道板的翹曲應(yīng)力及位移影響時(shí)，寒冷地區(qū)最大正溫度梯度為90℃/m，最大負(fù)溫度梯度為-44℃/m。

重慶自貿(mào)區(qū)要建設(shè)成為具有影響力的科技創(chuàng)新中心，需要以完善的知識(shí)產(chǎn)權(quán)制度保障以及良好的知識(shí)產(chǎn)權(quán)法治環(huán)境為基礎(chǔ)。由于重慶自貿(mào)區(qū)享有特殊政策，其對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的需求更高，所以需要更加開(kāi)放、便捷的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。但是當(dāng)下自貿(mào)區(qū)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度正處于探索階段，同時(shí)自貿(mào)區(qū)知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛的數(shù)量和類型也日益增加，這二者之間的矛盾不利于知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果的運(yùn)用和保護(hù)，基于此重慶自貿(mào)區(qū)有必要加快探索適合自貿(mào)區(qū)發(fā)展的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)道路，助力科技的創(chuàng)新。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 翹曲位移

Ⅲ型板運(yùn)營(yíng)之初，軌道板在溫度梯度作用下翹曲變形見(jiàn)圖5。

由圖5可知，在90℃/m的最大正溫度梯度作用下，軌道板板角向下產(chǎn)生翹曲變形，板中產(chǎn)生向上的翹曲位移，整體形成上拱的翹曲變形。在-44℃/m的最大負(fù)溫度梯度作用下，軌道板板角產(chǎn)生向上的翹曲位移，板中產(chǎn)生向下的翹曲位移。預(yù)應(yīng)力損失后軌道板翹曲位移見(jiàn)表1。

由表1可知，隨著軌道板長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力的損失增加，正溫度梯度作用下軌道板翹曲位移略有增加；負(fù)溫度梯度作用下軌道板翹曲位移略有降低，但變化幅度均較小?？梢?jiàn)，軌道板長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力的損失對(duì)軌道板翹曲位移影響較小。

圖5 軌道板翹曲變形

表1 預(yù)應(yīng)力損失后軌道板翹曲位移 mm

4.2 翹曲應(yīng)力

Ⅲ型板運(yùn)營(yíng)之初，軌道板在溫度梯度作用下的翹曲應(yīng)力見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，在90℃/m的最大正溫度梯度作用下，軌道板產(chǎn)生上拱翹曲變形，軌道板全部承受壓應(yīng)力作用，且板中壓應(yīng)力值最大，縱向最大壓應(yīng)力達(dá)到8.733MPa，橫向最大壓應(yīng)力值為6.796MPa，板邊壓應(yīng)力最小。在-44℃/m的最大負(fù)溫度梯度作用下，軌道板板角向上翹曲，板中承受拉應(yīng)力，板邊由于預(yù)應(yīng)力鋼筋作用主要承受壓應(yīng)力，板中縱向最大拉應(yīng)力為2.290MPa，橫向最大拉應(yīng)力為1.524MPa。預(yù)應(yīng)力損失后軌道板翹曲應(yīng)力見(jiàn)表2。

圖6 軌道板縱向翹曲應(yīng)力

圖7 軌道板橫向翹曲應(yīng)力

表2 預(yù)應(yīng)力損失后軌道板翹曲應(yīng)力 MPa

由表2可知，隨著軌道板預(yù)應(yīng)力損失的增加，正溫度梯度作用下軌道板壓應(yīng)力略有減小。分析其主要原因?yàn)椋河捎谡郎囟忍荻茸饔迷谲壍腊鍍?nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，同時(shí)軌道板預(yù)應(yīng)力鋼筋使軌道板內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，預(yù)應(yīng)力引起的混凝土壓應(yīng)力隨之減小，從而導(dǎo)致正溫度梯度作用下軌道板內(nèi)的壓應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力損失而減小。負(fù)溫度梯度作用于軌道板時(shí)，由于長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失，軌道板內(nèi)的拉應(yīng)力隨之增大。最大負(fù)溫度梯度作用下，當(dāng)軌道板長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失（即鋼筋松弛及混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失）全部完成時(shí)，軌道板縱向拉應(yīng)力增加了5.41%，橫向拉應(yīng)力增加了4.27%，其縱向拉應(yīng)力達(dá)到2.414MPa，橫向拉應(yīng)力為1.589MPa，均小于軌道板的抗拉強(qiáng)度2.850MPa，滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

根據(jù)Ⅲ型板預(yù)應(yīng)力特征，計(jì)算在施工錨固階段及使用過(guò)程中的軌道板預(yù)應(yīng)力損失，并在此基礎(chǔ)上分析軌道板預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道結(jié)構(gòu)翹曲變形及翹曲應(yīng)力的影響。最后得到以下結(jié)論：

（1）因Ⅲ型板為后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力損失主要是由錨頭變形、混凝土彈性壓縮、鋼筋應(yīng)力松弛及混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。

（2）Ⅲ型板縱向預(yù)應(yīng)力總損失為158.69MPa，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失為82.56MPa；橫向預(yù)應(yīng)力總損失為164.98MPa，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失為78.62MPa。

（3）在正溫度梯度作用下，軌道板板角向下產(chǎn)生翹曲變形，板中產(chǎn)生向上的翹曲位移；在負(fù)溫度梯度作用下，軌道板板角產(chǎn)生向上的翹曲位移，板中產(chǎn)生向下的翹曲位移。預(yù)應(yīng)力損失對(duì)軌道板翹曲位移影響較小。

（4）在正溫度梯度作用下，軌道板全部承受壓應(yīng)力作用，且板中壓應(yīng)力值最大；在負(fù)溫度梯度作用下，板中承受拉應(yīng)力作用，板邊由于預(yù)應(yīng)力鋼筋作用主要承受壓應(yīng)力作用。

（5）正溫度梯度作用下，軌道板預(yù)應(yīng)力損失使軌道板壓應(yīng)力略有減??；負(fù)溫度梯度作用下，預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致軌道板拉應(yīng)力有所增加。

[1] 楊榮山. 軌道工程[M]. 北京：人民交通出版社， 2013.

[2] 李準(zhǔn)華，劉釗. 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋預(yù)應(yīng)力損 失及敏感性分析[J]. 世界橋梁，2009(1)：36-42.

[3] 李永斌. 大跨徑鋼構(gòu)-連續(xù)組合梁橋結(jié)構(gòu)計(jì)算與預(yù) 應(yīng)力損失研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[4] 王敏豐. 高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁的預(yù)應(yīng)力 損失研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2005.

[5] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. JGJ 92—2004無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng) 力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出 版社，2005.

[6] TB 10002.1—2005 鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 陳俊，李明，肖祥淋，等. 連續(xù)梁大直徑預(yù)應(yīng)力鋼 棒試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)鐵路，2016(1)：61-66.

Inpact of Prestress Loss and Warping of CRTS Ⅲ Post-tensioned Slab Track

ZHAO Dongquan
（Track Maintenance Institute，Shenyang Railway Administration，Shenyang Liaoning 110000，China）

the CRTS Ⅲ post-tensioned slab track (CRTS Ⅲ slab for short) is one of the major slab track structures used now in China. Since bi-directional post-tensioned structure is used, the loss of prestress during construction and operation is inevitable, which might cause more stress and even deformation of the track.According to the stress characteristics of the CRTS Ⅲ slab, the prestress loss during anchoring and operation is calculated and its influence on the warping and deformation on the track structure is also analyzed so that the following conclusions are made: (1) the total pre-stress loss of CRTS Ⅲ slab longitudinally is 158.69 MPa and that in the long term is 82.56 MPa; the total lateral prestress loss is 164.98 MPa and the long term loss is 78.62 MPa; (2) the prestress loss has little influence on the warping displacement of track slab; (3) under positive temperature gradient, the prestress loss will cause compression of the track slab so that the stress is slight decreased; (4) under negative temperature gradient, the prestress loss will cause tension of the track slab so that the stress will increase slightly.

CRTS Ⅲ slab；ballastless track；slab；post-tensioned；pre-stress loss；warping；warping stress

U213.2

A

1001-683X（2017）08-0033-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.033

趙東全（1983—），男，工程師。

E-mail：49789464@qq.com

責(zé)任編輯 李葳

2016-12-11