張 杰

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)采用高精度預(yù)制軌道板，通過(guò)縱向張拉連接的方式，將軌道板縱向連成整體，以減少自由邊并形成整體受力。軌道結(jié)構(gòu)整體性大大提高，由此帶來(lái)線路運(yùn)行的高平順性和高舒適性。

由于CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道沿線路縱向連續(xù)鋪設(shè)，溫度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的軸向變形受到約束，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度力，并成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一[1-2]。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，高溫期間特別是持續(xù)高溫期間，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道會(huì)產(chǎn)生起拱、脹板，這是一個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變逐漸積累后瞬態(tài)釋放的過(guò)程，具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)中最主要的風(fēng)險(xiǎn)源。脹板的主要病害表現(xiàn)為軌道板破損、寬接縫破損、軌道板與CA砂漿層間離縫等形式[3-4]，進(jìn)而帶來(lái)軌道幾何尺寸偏差，給行車安全帶來(lái)巨大隱患。

本文在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及維修實(shí)踐的基礎(chǔ)上，分析CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道脹板病害的發(fā)生機(jī)理，總結(jié)現(xiàn)有防治措施并提出后續(xù)優(yōu)化措施，以期為CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 脹板機(jī)理及主要影響因素分析

引起CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道脹板的因素很多，從既有研究成果可知[5-6]，主要影響因素包括溫度荷載、CA砂漿層劣化、寬窄接縫傷損等。溫度荷載包括整體升溫荷載和溫度梯度荷載2種。整體升溫荷載引起結(jié)構(gòu)縱向伸縮變形，而溫度梯度荷載引起軌道板的翹曲變形。溫度荷載是無(wú)砟軌道脹板的主要外部因素。運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到水、溫度等外部因素作用及列車荷載影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分層，削弱了軌道板的抗壓剛度、豎向約束和穩(wěn)定性能，導(dǎo)致脹板病害進(jìn)一步惡化。寬窄接縫的傷損是軌道板軸向溫度力產(chǎn)生偏心的重要影響因素，加速了脹板發(fā)展，增大了脹板的危害性。

1.1 整體升溫的影響

與鋼軌鎖定軌溫相似，CRTSⅡ型軌道板也存在鎖定板溫的概念。軌道板隨溫度的熱脹冷縮變化量Δl可表示為

Δl=αl(T-T0)

(1)

式中：α為鋼筋混凝土材料的線膨脹系數(shù)，℃-1；l為軌道板長(zhǎng)度，CRTSⅡ型標(biāo)準(zhǔn)軌道板長(zhǎng)度為 6 450 mm；T，T0分別為軌道板實(shí)際板溫和鎖定板溫，℃。

從式(1)可知，當(dāng)溫度T高于施工鎖定板溫T0形成正溫度差后，軌道板有發(fā)生膨脹變形的趨勢(shì)。變形受到約束后，在截面內(nèi)產(chǎn)生溫度內(nèi)應(yīng)力，計(jì)算表明軌道板中每升高1 ℃，連續(xù)軌道板中將產(chǎn)生約200 kN的等效溫度力。

夏季高溫季節(jié)，沿線路縱向軌道板升溫速率及幅值不盡相同，軌道板與砂漿層間離縫情況、板端翹曲程度、寬窄接縫施工質(zhì)量等基礎(chǔ)條件也不同，因此，軌道板脹板表現(xiàn)出突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)。此外，脹板發(fā)生數(shù)量與下部結(jié)構(gòu)類型無(wú)相關(guān)性，中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海局)2013年第一次發(fā)生脹板以來(lái)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，各種基礎(chǔ)類型上的脹板發(fā)生比例與基礎(chǔ)類型占總長(zhǎng)度的百分比基本一致，即不同基礎(chǔ)類型上軌道板發(fā)生脹板的概率基本相當(dāng)。

1.2 溫度梯度荷載的影響

TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中規(guī)定，無(wú)砟軌道最大正負(fù)溫度梯度的取值為90，-45 ℃/m。不同埋深下溫度梯度T可表示為

T=(t2-t1)/(h2-h1)

(2)

式中：h1,h2分別為不同埋深；t1,t2為對(duì)應(yīng)埋深下的溫度檢測(cè)值。

為了檢算溫度梯度及其變化情況，上海局在滬昆高鐵橋梁段布設(shè)了溫度測(cè)點(diǎn)，溫度傳感器分別埋設(shè)于CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道中不同埋深位置，距離軌道板上表面分別為20，100，180，215(CA砂漿層內(nèi))，260(底座板或支承層內(nèi))mm，采樣頻率0.5 Hz。本文選取2017年7月1日至31日持續(xù)高溫期間，監(jiān)測(cè)無(wú)砟軌道不同埋深處的溫度梯度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 無(wú)砟軌道不同埋深處的溫度梯度曲線

從圖1中可知：在夏季極端高溫情況下無(wú)砟軌道內(nèi)部溫度場(chǎng)隨埋深非線性變化，上表面溫度梯度最大，且最大正負(fù)數(shù)值分別為102.0，-178.9 ℃/m，均發(fā)生在距軌道板上表面20 mm處，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。

無(wú)砟軌道內(nèi)部不同埋深處的溫度梯度在晝夜循環(huán)間呈正負(fù)交替周期性波動(dòng)，越接近表層正溫度梯度持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、負(fù)溫度梯度持續(xù)時(shí)間越短，且不同深度處正負(fù)溫度梯度轉(zhuǎn)換時(shí)間隨埋深呈現(xiàn)一定滯后性。這說(shuō)明白天升溫過(guò)程中軌道板溫度從上表面逐漸傳遞至下表面，而降溫過(guò)程中軌道板溫度也最先從上表面開(kāi)始下降，因此上表面處溫度梯度變化最大。

溫度梯度的存在使得無(wú)砟軌道不同埋深處的溫度應(yīng)力及溫度變形不同步，在晝夜循環(huán)引起的溫度梯度正負(fù)交替周期性波動(dòng)下，軌道板翹曲、離縫，進(jìn)而發(fā)生脹板病害。

1.3 CA砂漿層劣化的影響

在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理念中，軌道板通過(guò)CA砂漿調(diào)整層與底座板(或支承層)黏結(jié)成一個(gè)整體共同受力，在力學(xué)上被視為只承受軸向力的桿件[8]，如圖2(a)所示。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下，軌道板與底座板被視作一根桿件共同受力，其桿件拉壓剛度(若以梁/板單元考慮則為截面抗彎剛度)滿足需求。但運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在溫度、水和基礎(chǔ)變形影響下，CA砂漿調(diào)整層離縫及黏結(jié)性能劣化，導(dǎo)致軌道板、CA砂漿調(diào)整層及底座板(或支承層)逐漸分層弱化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)共同受力，如圖2(b)所示。原設(shè)計(jì)假定的統(tǒng)一桿件體系分離為分層桿件體系，拉壓剛度顯著削弱，但構(gòu)件所承受的荷載未同步降低，導(dǎo)致脹板病害進(jìn)一步發(fā)展惡化。因此CA砂漿浸水流失及軌道板離縫、分層引起的結(jié)構(gòu)弱化，是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道高溫脹板的又一重要原因。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)簡(jiǎn)圖

1.4 寬窄接縫病害的影響

圖3 寬窄接縫應(yīng)力及破壞狀態(tài)

寬窄接縫的狀態(tài)很大程度上決定了軌道板的實(shí)際縱連狀態(tài)，同時(shí)也決定了軌道板中溫度力的傳遞狀態(tài)。

由于寬窄接縫的構(gòu)造特征，較難保證其在橫截面上的均勻受力及施工質(zhì)量的均勻性。從圖3寬窄接縫應(yīng)力及破壞狀態(tài)可知：在軌道板縱向力傳遞過(guò)程中，窄接縫受力更為不利，存在一定的應(yīng)力集中，一般先于寬接縫破壞。隨著窄接縫的破壞，寬窄接縫受力中心偏移，寬接縫應(yīng)力水平升高，甚至發(fā)生擠碎或劈裂破壞。寬窄接縫的破壞，往往伴隨著軌道板的上拱。

2 脹板整治技術(shù)

2.1 脹板預(yù)加固的理論分析

對(duì)于軌道板的上拱變形問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的整治技術(shù)可分為改變既有體系和不改變既有體系2大類。目前，出于對(duì)運(yùn)營(yíng)安全與運(yùn)輸穩(wěn)定性的考慮，尚不具備對(duì)既有體系作重大調(diào)整的現(xiàn)實(shí)條件，而在既有體系基礎(chǔ)上采取成熟簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)有效的措施成為必然選擇，植筋和注膠即為現(xiàn)階段脹板整治的切實(shí)可行的做法。

植筋注膠整治技術(shù)的原理為：通過(guò)豎向植入鋼筋，并在軌道板底注膠的方式，使原本離縫、分層弱化的軌道結(jié)構(gòu)，重新恢復(fù)成一個(gè)整體，由此提高結(jié)構(gòu)抗壓剛度。具體實(shí)施步驟為：錨固區(qū)板底注膠、軌道板植筋錨固→軌道板解鎖→板縫壓膠及軌道板修復(fù)→軌道板張拉、板間接縫澆筑→板底注漿→寬接縫相鄰軌道板植筋→鋼軌精調(diào)[9-10]。

在軌道板整體升溫55 ℃、底座板升溫30 ℃、鋼軌升溫50 ℃的溫度荷載工況下，通過(guò)有限元分析得到植入4根HRB500φ28鋼筋條件下植筋及軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，如圖4、圖5所示。

圖4 溫度荷載作用下植筋的應(yīng)力分布(單位：kN/m2)

圖5 植筋孔截面軌道板及底座板的應(yīng)力分布(單位：kN/m2)

由圖4中計(jì)算結(jié)果可知：植筋體上、下兩端受拉應(yīng)力作用，1/2高度附近由于軌道板與底座板的縱向相對(duì)位移而存在剪應(yīng)力。圖5中計(jì)算結(jié)果顯示在植筋孔附近的混凝土存在一定的應(yīng)力集中，但幅值有限，處于材料強(qiáng)度安全范圍內(nèi)。

植筋條件下單根鋼筋的最大計(jì)算內(nèi)力見(jiàn)表1。對(duì)于HRB500φ28鋼筋而言，其抗拉承載力和抗剪承載力的計(jì)算值均小于容許值，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 植筋條件下單根鋼筋最大計(jì)算內(nèi)力

綜上所述，溫度荷載作用下盡管軌道板在縱向上存在較大溫度力，但發(fā)生脹板的豎向上拱力較小，采用植筋加固對(duì)軌道結(jié)構(gòu)施加一定的豎向約束，可有效降低脹板風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 脹板預(yù)加固的實(shí)踐分析

鋪設(shè)無(wú)砟軌道的極限溫度跨度是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修難點(diǎn)。大跨度連續(xù)梁在我國(guó)高速鐵路中被廣泛應(yīng)用，但連續(xù)梁上由于溫度跨度大，相應(yīng)失穩(wěn)后產(chǎn)生的軌道幾何尺寸變化和對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞也大，因此在運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中，特別是高溫季節(jié)需重點(diǎn)關(guān)注連續(xù)梁上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并采取相應(yīng)的加固措施。

杭(州)長(zhǎng)(沙)線跨金華江大橋(預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，75 m+4×135 m+75 m)是目前我國(guó)高速鐵路中單跨跨度最大的橋梁，其溫度跨度，即相鄰兩聯(lián)梁伸縮位移為0處之間的距離為378 m[11]。橋梁上部鋪設(shè)的正是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，由于在建設(shè)期就采取了植筋加固措施，2014年年底開(kāi)通運(yùn)營(yíng)至今，運(yùn)營(yíng)情況良好，尚未發(fā)現(xiàn)因?yàn)闇囟葢?yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生的脹板或軌道幾何尺寸變化現(xiàn)象。

3 后續(xù)優(yōu)化措施

3.1 開(kāi)展隔熱涂層的試驗(yàn)試用

基于上述分析可知，溫度荷載是軌道板脹板的主要外部因素，因此夏季高溫季節(jié)降低脹板風(fēng)險(xiǎn)最直接的措施是降低軌道板溫度。隔熱涂料是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種阻擋、反射輻射太陽(yáng)光近紅外熱量的功能性水性涂料，從特性原理上可以分為3種：隔絕傳導(dǎo)型隔熱涂料、反射型隔熱涂料和輻射型隔熱涂料。

在軌道板表面涂刷隔熱涂料，部分阻擋、反射太陽(yáng)光近紅外熱量，可降低軌道板溫度，從而控制夏季高溫期間脹板風(fēng)險(xiǎn)。為此，需進(jìn)一步開(kāi)展隔熱涂層的試驗(yàn)試用工作，包括研制適用于高速鐵路無(wú)砟軌道板的隔熱涂料，研究隔熱涂料施工涂布工藝，建立隔熱涂料應(yīng)用效果評(píng)價(jià)體系等。

3.2 開(kāi)展CA砂漿改性材料的研究

從結(jié)構(gòu)體系上分析，CA砂漿基本功能的弱化或失效是軌道板脹板的另一個(gè)重要原因，導(dǎo)致CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)抵御溫度變形的能力減弱，使脹板的臨界溫度有逐年下降的趨勢(shì)。這一方面可以通過(guò)植筋注膠的方式，加固已經(jīng)分層弱化的軌道結(jié)構(gòu)；另一方面可以開(kāi)展CA砂漿改性材料的研究，強(qiáng)化充填層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

1)溫度荷載是CRTSⅡ型無(wú)砟軌道脹板的主要外部因素，其中整體升溫荷載引起結(jié)構(gòu)縱向伸縮變形，溫度梯度荷載引起軌道板的翹曲變形。設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)關(guān)注CRTSⅡ型板鎖定板溫的問(wèn)題。

2)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受溫度、水和基礎(chǔ)變形影響導(dǎo)致的軌道板離縫、分層等結(jié)構(gòu)弱化，削弱了軌道板的抗壓剛度、豎向約束和穩(wěn)定性能，是脹板病害進(jìn)一步發(fā)展惡化的次要因素。

3)寬窄接縫的傷損改變了連續(xù)軌道板的縱向力傳遞狀態(tài)，形成受力薄弱環(huán)節(jié)，容易演變成應(yīng)力釋放出口，從而造成接縫破損和軌道板上拱。

4)植筋注膠是目前成熟簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)有效的整治措施，這種方式一定程度上使CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)向原設(shè)計(jì)初衷發(fā)展，更有利于安全。

5)為降低CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道脹板風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)可開(kāi)展隔熱涂層的試驗(yàn)與試用；從強(qiáng)化充填層結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，開(kāi)展CA砂漿改性材料的研究。