CRTSⅡ型板式无砟道岔板下自流平混凝土填充质量影响分析

齐春雨

(铁道第三勘察设计院集团有限公司轨道交通勘察设计工程实验室，天津 300142)

自流平混凝土由水泥、砂石、掺和料、超塑化剂等混合配制而成,加水拌和后即可泵送施工。它具有良好的流动性,在自重作用下能够自流平,自密实,具有良好的均匀性和稳定性,在流态时不泌水,不起泡,硬化后体积稳定性好,不产生收缩裂缝；初凝时间较长,终凝时间较短,具有较高的早期强度；表面较为平整、耐磨性好；与基层材料黏结力较强。可节约劳力以及施工费用,提高施工效率和质量,加快工程进度,特别适应于大面积的板下灌注。

CRTSⅡ型板式无砟道岔是一种新型的无砟道岔结构形式,国内第一次使用在京津城际高速铁路上,并在随后的京沪高速铁路上获得了广泛使用。CRTSⅡ型板式无砟道岔在施工过程中,需要向无砟道岔板下灌注自流平混凝土,由于施工、材料等系列原因,可能会导致自流平混凝土灌注局部不密实；运营期间在列车荷载长期作用下,这些潜在的缺陷可能劣化,乃至将导致道岔板与自流平混凝土之间出现脱层、局部出现空隙现象,在脱层以及出现空隙的部位会出现较大的应力集中,导致脱层在横纵向快速扩展,影响无砟轨道结构的受力,进而影响列车运行的舒适性以及安全性。对此,加强施工管理是必须的,但是什么样的缺陷将会产生多大的应力集中,需要针对不同的工况,建立合理的力学模型进行定量分析。

1 CRTSⅡ型板式无砟道岔区结构设计

CRTSⅡ型板式无砟道岔区无砟轨道自上而下由以下部分组成：道岔、扣件、道岔板、底座(自流平混凝土层)和找平层,其中找平层采用C25混凝土,不配筋,混凝土厚度为13 cm；道岔板钢筋混凝土厚24 cm,其上设置300 mm宽、纵向间距为60 cm的横向承台,承台表面水平；承台间的道岔板表面设置0.5%的横向排水坡以及横向预裂缝,预裂缝深4 cm。道岔板混凝土强度等级为C55,设置HRB335级钢筋,工厂预制。底座厚度为180 mm。底座混凝土强度等级为C40,采用流动性好的混凝土(自流平混凝土)现场浇筑,在道岔板与底座两端间设置一定量的剪力筋。如图1，图2所示。

图1 等待灌注自流平混凝土的道岔板

图2 岔区板式无砟轨道结构横断面

2 分析工况及其假设简化

为了分析自流平混凝土填充不密实对无砟轨道结构的具体影响情况,在存在空隙的道岔板正上方施加垂向荷载,分析轨道结构的应力集中情况,假设在铁路经过一段时间的运营后,钢轨正下方的道岔板与自流平混凝土之间存在0.2 m×0.2 m、0.3 m×0.3 m、0.4 m×0.4 m、0.6 m×0.6 m大小的规则的不密实区域,自流平混凝土空隙位置如图3所示。在灌注自留平混凝土时,正常不会出现0.4 m×0.4 m大小的空隙,只有在经过列车运行一段时间后空隙旁边的混凝土在列车荷载的碾压作用下,会变成散粒体,从而形成更大的空隙。假定出现空隙的道岔板为18号高速无砟道岔中的一块,尺寸为6 m×2.7 m×0.24 m。

图3 道岔板填充不密实平面简图

3 分析模型与主要参数

本文利用大型有限元软件ANSYS,计算分析18号高速无砟道岔板下自流平混凝土填充局部不密实的工况下,无砟轨道结构的受力情况。所建有限元模型中钢轨用beam4梁单元模拟,扣件用combin14弹簧单元模拟,道岔板用solid65体单元模拟,自流平混凝土填充密实部分用combin14弹簧单元模拟,为减小相邻道岔板的影响,有限元分析模型中纵向取3块道岔板,假设左右两边道岔板的自流平混凝土填充完好,只有中间一块道岔板局部出现填充不密实情况。分析模型中找平层底部全部约束,模型如图4所示,计算参数如表1所示。列车垂直荷载为125 kN。

图4 计算模型侧面简图

表1 主要计算参数

4 结构受力分析(图5、图6、表2)

图5 第一主应力比较

图6 第三主应力比较

表2 各工况轨道结构最大主应力 MPa

从图5、图6中可以看出,当道岔板与自流平混凝土之间的空隙小于0.3 m×0.3 m时,并没有出现较为明显的应力集中；当空隙大小为0.4 m×0.4 m时,开始产生明显的应力集中,应力集中区域开始扩展;当空隙为0.6 m×0.6 m时,轨道板应力集中已十分明显,且应力集中区域较大。图5、图6的(c)中空隙大小为0.4 m×0.4 m,从该部分图形中可以看出,空隙处与填充完全的混凝土边界处会产生应力集中,图5(c)中应力集中边界处两边的第一主应力分别为1.10 MPa、0.28 MPa,应力集中较为明显；同时在图5(c)中,轨道结构的左边钢轨处道岔板与自流平混凝土之间填充密实,右边的对称位置处存在不密实的填充区域,两者在轨道结构的横向形成对比,显然右边部分应力集中区域较大。图5、图6的(d)图中空隙大小为0.6 m×0.6 m,由于道岔板与自流平混凝土之间的空隙较大,其应力集中区域范围较上一种工况更大,图5(d)中应力集中边界处两边的第一主应力分别为1.11、0.37 MPa。表2为各工况轨道结构的最大主应力值,从表中可以看出,随着道岔板与自流平混凝土之间空隙的增大,主应力也相应增大。因此当列车在无砟道岔结构上运行长久后,自流平混凝土填充层中较小的不密实区域慢慢演变为较大的空隙,空隙处将产生较大的应力集中,导致空隙沿纵向与横向快速扩张,轨道与道岔板变形会迅速增长,因此必须提前采取相关维护措施。

5 结语

当自流平混凝土在一定范围内填充不密实时,在列车垂直荷载作用下会导致该区域出现应力集中,应力集中区域随着填充空隙的增大而迅速劣化,需要进行快速且有效地轨道结构维护工作,防止在列车荷载作用下,道岔板与自流平混凝土之间的分层现象迅速沿着轨道横纵向扩展。

自流平混凝土配合比设计是底座板灌注能否顺利、会否出现不密实缺陷的关键,必须严格按照作业指导书施工。施工前必须进行严格的原材料选择和充分的室内试验,以及大量的仿真模拟灌注试验。包括放样、绑扎钢丝、吊装道岔板及按照现场的灌注工艺,灌注自流平混凝土,直至混凝土扩张度、和易性、强度等性能稳定。施工过程中对找平层的高程和平整度要进行严格控制,找平层必须进行相应的拉毛处理,保证找平层与自流平混凝土之间具有足够的摩擦力。同时在灌注自流平混凝土之前必须检查中间扣压装置与侧向扣压装置,防止道岔板在浇筑自流平混凝土后产生过大的上浮量。

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