CRTSⅢ型先張預(yù)應(yīng)力軌道板翹曲變形控制方法優(yōu)化

許江鵬

摘 要：本文立足于以往CRTS Ⅲ型軌道板預(yù)制防翹曲經(jīng)驗，結(jié)合牡佳客運(yùn)專線軌道板制造中出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象，從模具選型、混凝土狀態(tài)、預(yù)設(shè)反拱、預(yù)應(yīng)力筋定位、蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)等方面展開研究，以有效防止軌道板翹曲，保證列車運(yùn)行的高平順性。

關(guān)鍵詞：CRTS Ⅲ型軌道板;預(yù)應(yīng)力;翹曲變形;混凝土

中圖分類號：U213.244文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)，經(jīng)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(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，不僅具有軌道平順性高、結(jié)構(gòu)受力好的優(yōu)點(diǎn)，而且便于后期維護(hù)，為我國高速鐵路建設(shè)提供了強(qiáng)有力的支撐。

新建牡丹江至佳木斯客運(yùn)專線，線路全長372 km，無砟軌道以隧道段落為主。牡佳六標(biāo)軌道板場負(fù)責(zé)全線20 716塊軌道板的制造，采用矩陣式臺座法生產(chǎn)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(jìn)行了研究。通過改進(jìn)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(shè)的平順性，造成軌道高程調(diào)整量大，調(diào)整扣件使用量增多，精調(diào)作業(yè)難度大，制約施工進(jìn)度。如超限較大，則軌道板報廢處置，導(dǎo)致制造成本增加[1]。

3 影響板體翹曲的主要因素

以P5600型標(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)力體系+整體普通鋼筋骨架”的薄板結(jié)構(gòu)。為確保預(yù)應(yīng)力傳遞的均勻性，在端部設(shè)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(tài)、預(yù)應(yīng)力筋偏移、蒸汽養(yǎng)護(hù)等都是引起軌道板翹曲變形的因素。

4 翹曲變形的優(yōu)化控制措施

4.1 模具設(shè)計選型控制

4.1.1 模具的合理設(shè)計。模具是保證軌道板外形尺寸、抵抗翹曲變形的基礎(chǔ)，因此，其應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。采用有限元軟件ANSYS進(jìn)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(jié)構(gòu)自重、現(xiàn)澆注混凝土壓力及先張預(yù)應(yīng)力同時施加極限荷載變形。經(jīng)過計算，模具最大等效應(yīng)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(shù)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(yè)廠家制造、安裝并提供強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性技術(shù)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(tài)的優(yōu)化

4.2.1 原材料的選擇。水泥水化時釋放的熱量會導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差加大，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(fù)合摻合料對混凝土早期強(qiáng)度影響顯著，隨著摻量在10%至18%范圍內(nèi)呈強(qiáng)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(yōu)化設(shè)計。為確保混凝土設(shè)計強(qiáng)度及低水化熱，采用較低的水膠比、低水泥劑量進(jìn)行混凝土適配。最終確定砂率為37%，以確?；炷凉ぷ餍宰罴训那闆r下，滿足設(shè)計強(qiáng)度及耐久性。砂率過高或過低，都會直接影響混凝土狀態(tài)，導(dǎo)致勻質(zhì)性差，彈性模量分散，易出現(xiàn)干縮，從而降低混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。配合比如表1和表2所示。

經(jīng)過試驗檢測，該配合比在混凝土硬化過程中體積穩(wěn)定、水化熱小，冷卻時溫度及干燥收縮較低，不易產(chǎn)生裂縫，預(yù)防翹曲變形。

4.2.3 彈性模量的控制。加強(qiáng)灌注過程中坍落度的把控，提高入模時坍落度的標(biāo)準(zhǔn)，按（90±10） mm控制。為增強(qiáng)混凝土彈性模量的勻質(zhì)性，由兩層布料優(yōu)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(jìn)行振搗，嚴(yán)禁同步進(jìn)行振搗。通過對灌注環(huán)節(jié)工藝的優(yōu)化，降低了因骨料分布不均勻產(chǎn)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?。?，可有效預(yù)防彈性模量不均勻引發(fā)的翹曲變形。

4.3 底模預(yù)設(shè)反拱

模具安裝前，將支撐柱調(diào)整到設(shè)計位置，通過8個支撐臺進(jìn)行高度調(diào)整。測量控制底模高度誤差在±0.3 mm以內(nèi)，確保臺座模具間的高度偏差≤0.8 mm。設(shè)置底模預(yù)設(shè)反拱，經(jīng)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(yù)應(yīng)力筋偏移控制

施工中發(fā)現(xiàn)部分模具受重力作用時，柔性支座存在受壓變形，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力孔道向下偏移0.6～1 mm，存在預(yù)應(yīng)力偏載導(dǎo)致翹曲變形的可能。根據(jù)不同臺座的測量數(shù)據(jù)，對模具設(shè)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(yīng)力。

4.5 蒸汽養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)的優(yōu)化

對蒸汽養(yǎng)護(hù)時間進(jìn)行優(yōu)化，能防止軌道板因內(nèi)外溫差過大及恒溫溫度過高而導(dǎo)致的翹曲變形，能嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)過程中的升、降溫速率及恒溫時最高溫度。

4.5.1 蒸養(yǎng)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(xì)孔內(nèi)并吸附水分，減少升溫時體積膨脹對結(jié)構(gòu)的破壞，應(yīng)適當(dāng)延長靜停時間。

升溫階段是混凝土結(jié)構(gòu)的定型期，決定著蒸汽養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。升溫速度調(diào)節(jié)著混凝土硬化和熱脹變形的關(guān)系，避免溫度應(yīng)力過大造成的混凝土開裂。水泥石的熱脹變形能力遠(yuǎn)大于鋼質(zhì)模具，控制不到位會造成軌道板與模具連接部位溫度應(yīng)力增大，從而造成不可恢復(fù)的翹曲變形。

恒溫階段是混凝土強(qiáng)度的主要增長期，通常認(rèn)為溫度越高，養(yǎng)護(hù)時間越長，混凝土強(qiáng)度就越高。當(dāng)獲得一定強(qiáng)度時，水化產(chǎn)物充滿混凝土空間，仍會有水泥粒子在水化，生成水化產(chǎn)物，使固相體積增大。在鋼模約束下，混凝土產(chǎn)生內(nèi)壓由軌道板底面釋放，對已定型的結(jié)構(gòu)施加變形應(yīng)力。

降溫階段對強(qiáng)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(chǎn)生溫差，在溫度階梯的作用下，表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生裂縫。

4.5.2 蒸養(yǎng)時間的合理優(yōu)化。《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》（Q/CR 567—2017）規(guī)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(nèi)完成，配套成熟采暖設(shè)備，因此全年生產(chǎn)平均溫度26 ℃，冬季施工平均溫度18 ℃。根據(jù)實(shí)際工況，對溫度進(jìn)行控制，混凝土入模溫度12～35 ℃，環(huán)境溫度溫度15～30 ℃。

對蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)時間進(jìn)行優(yōu)化。①靜停階段設(shè)置：3 h后方可開始送蒸汽養(yǎng)護(hù);②升溫階段設(shè)置：3 h蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫速度≤8.5 ℃/h;③恒溫階段設(shè)置：7 h蒸汽恒溫溫度≤42 ℃，可根據(jù)放張強(qiáng)度變化，適當(dāng)調(diào)整恒溫溫度;④降溫階段設(shè)置：3 h蒸汽養(yǎng)護(hù)降溫速度≤8.5 ℃/h[3]。

總養(yǎng)護(hù)時間為16 h，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。充足的靜停時間有效提高了水泥的水化程度，蒸汽養(yǎng)護(hù)降溫速度≤8.5 ℃/h，可降低溫度應(yīng)力及溫度階梯應(yīng)力。蒸汽恒溫不超過42 ℃，緩和了水化持續(xù)產(chǎn)物對混凝土結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)力影響。

4.5.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中的保溫保濕措施。針對軌道板存在溫度階梯的現(xiàn)象，在臺座單獨(dú)設(shè)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(jù)。溫差控制≤8 ℃，當(dāng)溫差超限，通過電腦控制蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)下達(dá)指令調(diào)節(jié)蒸汽供應(yīng)量，調(diào)節(jié)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(chǎn)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(jìn)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(jìn)行加熱，并安裝定時自動噴淋開關(guān)?；炷翝仓瓿珊螅鶕?jù)混凝土坍落度設(shè)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(yǎng)期間不缺水，確保了高強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，減少裂縫的產(chǎn)生。

5 工程實(shí)際效果

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

6 結(jié)論

軌道板在工廠化制造過程中，單側(cè)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(tài)的研究控制、制造過程中優(yōu)化施工工藝的管理，加強(qiáng)軌道板各階段的質(zhì)量監(jiān)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(diào)的施工難度，保證軌道運(yùn)行的高平順性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王夢，王繼軍，趙勇，等.CRTSⅢ型先張預(yù)應(yīng)力軌道板設(shè)計及制造技術(shù)[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(shù)，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(shè)計[J].高速鐵路技術(shù)，2013（1）：71-75.