CRTS Ⅲ型后张板式无砟轨道预应力损失及翘曲影响

赵东全

（沈阳铁路局工务检测所，辽宁沈阳110000）

CRTS Ⅲ型后张板式无砟轨道预应力损失及翘曲影响

赵东全

（沈阳铁路局工务检测所，辽宁沈阳110000）

CRTSⅢ型后张板式无砟轨道（简称Ⅲ型板）是我国无砟轨道结构的主要形式之一，其轨道板采用双向后张预应力结构，施工及使用过程中预应力损失不可避免。预应力损失影响轨道结构的受力及变形，根据Ⅲ型板预应力特征，计算施工锚固阶段及使用过程中的轨道板预应力损失，分析轨道板预应力损失对轨道结构翘曲变形及翘曲应力的影响，并得到以下结论：（1）Ⅲ型板纵向预应力总损失为158.69MPa，长期预应力损失为82.56MPa，横向预应力总损失为164.98MPa，长期预应力损失为78.62MPa；（2）预应力损失对轨道板翘曲位移影响较小；（3）正温度梯度作用下预应力损失使轨道板受压，应力略有减小；（4）负温度梯度作用下预应力损失导致轨道板受拉，应力有所增加。

CRTSⅢ型板；无砟轨道；轨道板；后张；预应力损失；翘曲变形；翘曲应力

CRTSⅢ型后张板式无砟轨道（简称Ⅲ型板）是我国自主知识产权的一种新型板式无砟轨道结构，结合了CRTSⅠ型板式无砟轨道与CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构特点，将工厂预制的轨道板铺设在混凝土支承层（路基）或钢筋混凝土底座（桥梁）上（路基上采用纵连式，桥上采用单元式[1]），具有铺设方便、调整简单等特点。Ⅲ型板最早应用于成灌铁路，而后被批准铺设于郑徐等客运专线上。

Ⅲ型板采用双向预应力轨道板，可有效提高轨道板的抗裂性能。然而在施工及使用过程中，由于锚具变形，混凝土弹性压缩，混凝土收缩、徐变及钢筋应力松弛等原因，预应力损失不可避免[2-4]。预应力损失将影响荷载作用下轨道板内的应力分布及变形，但目前对于轨道板预应力损失的研究较少，因此研究Ⅲ型板预应力损失及影响，对无砟轨道结构的设计及维修具有重要意义。

1 结构型式

Ⅲ型板从上到下由钢轨、WJ-8扣件、预制单元轨道板、配筋的自密实混凝土、限位凹槽、中间隔离层（土工布）和水硬性支承层等组成（见图1）。轨道板与自密实混凝土采用“门”型钢筋相连，自密实混凝土通过中部或两端限位凹槽与支承层相连，从而实现纵、横向力的传递与限位功能。支承层凹槽内铺设由弹性垫板及泡沫板组成的弹性垫层（见图2），支承层与混凝土之间设置隔离层（2层土工布）。

图1 Ⅲ型板结构图

图2 支承层凹槽设置

2 预应力损失

Ⅲ型板采用预制的P5600后张双向预应力轨道板，轨道板长5.60m、宽2.50m、高0.21m，纵向共8根、横向共12根Ф13mm的无粘结低松弛预应力钢棒。根据《客运专线铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道混凝土轨道板暂行技术条件》（初稿）要求，预应力筋强度1420MPa，控制预应力σcon=0.72fpk。由于轨道板采用无粘结预应力钢棒，所以不考虑管道摩阻引起的预应力损失[5]。对于后张无粘结预应力轨道板，传力锚固阶段的主要预应力损失为锚头变形及混凝土弹性压缩损失，在使用阶段的主要预应力损失则为应力松弛及混凝土收缩、徐变引起的预应力损失，也称为长期预应力损失。根据TB10002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，各项预应力损失计算如下。

2.1 由锚头变形、钢筋回缩及接缝压缩引起

当轨道板采用水泥砂浆接缝时，接缝压缩值为1mm，轨道板纵向预应力钢筋有效长度近似为5.6m，为两端张拉；横向预应力钢筋有效长度为2.4m，为单端张拉。由《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》6.3.4—2可计算出由锚头变形、钢筋回缩及接缝压缩引起的纵向预应力损失σl1=71.38MPa，横向预应力损失σl1'=83.30MPa。

2.2 由混凝土弹性压缩引起

2.3 由钢筋松弛引起

Ⅲ型板采用低松弛预应力钢棒，由《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》6.3.4-6可知，ζ=0.2（σcon/fpk-0.5）=0.044（σcon/fpk），则由钢筋松弛引起的纵向预应力松弛σl3=44.97MPa，横向预应力松弛σl3'=44.97MPa。

2.4 由混凝土收缩、徐变引起

对于预应力构件，由于收缩、徐变引起混凝土试件长度缩短，同时预应力钢筋长度随之缩短，从而造成预应力损失。其值可由内力平衡及钢筋混凝土的变形协调条件计算，具体计算方法见参考文献[6]。

混凝土徐变系数终极值及收缩应变终极值按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》6.3.4—3取值。对于纵向预应力钢筋，传力锚固时混凝土正应力为2.106MPa，计算截面理论厚度为h=357.0mm，收缩应变终极值为ε∞=0.1396×10-3，徐变系数终极值为φ∞=1.348，梁的配筋率换算系数μn=0.0465，则由混凝土收缩、徐变引起的纵向预应力损失σl4=37.59MPa。

对于横向预应力钢筋，传力锚固时混凝土正应力为1.353MPa，计算截面理论厚度为h=390.7mm，收缩应变终极值为ε∞=0.1379×10-3，徐变系数终极值为φ∞=1.340，μn=0.0353，ρA=1，则由混凝土收缩、徐变引起的纵向预应力损失σl4'=33.65MPa。

由锚头变形、钢筋回缩和接缝压缩及混凝土弹性压缩引起的预应力损失称为瞬时预应力损失；钢筋松弛及混凝土收缩徐变引起的预应力损失称为长期预应力损失。则Ⅲ型板纵向预应力总损失为158.69MPa，长期预应力损失为82.56MPa；横向预应力总损失为164.98MPa，长期预应力损失为78.62MPa。一般来说长期预应力损失在使用后3年全部完成，其中，使用1年时钢筋松弛引起的预应力损失全部完成，混凝土收缩徐变引起的预应力损失完成85%。Ⅲ型板在使用过程中的预应力损失见图3。

图3 使用过程中的预应力损失

3 预应力损失影响

3.1 模型建立

通过有限元软件Abaqus建立了Ⅲ型板实体模型，分析轨道板预应力损失对轨道结构受力及变形的影响[7]。模型中考虑了钢轨、轨道板、预应力钢筋、自密实混凝土层、底座板及底座凹槽。为消除边界效应影响，模型长度最短为3块轨道板；为减小计算规模，沿线路方向结构中心线选取半轨道结构进行计算（见图4）。

图4 三维有限元计算模型

模型中钢轨采用2节点线性梁单元B31模拟；轨道板、自密实混凝土层、支承层板采用8节点三维线性应力单元C3D8R模拟；扣件系统采用t弹簧单元模拟；因轨道板与自密实混凝土间有门型筋连接增加其整体性，故模型中轨道板与自密实混凝土层进行粘接；自密实混凝土层与底座板进行粘接；下部基础采用均布支撑的垂向线性弹簧单元模拟垂向支撑，纵向非线性弹簧模拟道床纵向阻力。钢轨两端及地基弹簧进行全部约束，底座板两端约束纵、横向位移。

3.2 基本参数

模型中轨道板尺寸为5.60m×2.50m×0.21m，采用C60混凝土，弹性模量为36500MPa，热膨胀系数1×10-5m/℃；自密实混凝土层尺寸为5.60m×2.50m×0.10m，弹性模量为34000MPa，热膨胀系数1×10-5m/℃；底座板宽2.90m，厚度为0.20m，采用C40混凝土，弹性模量34000MPa，热膨胀系数1×10-5m/℃；凹槽内弹性垫层弹性模量10000MPa，热膨胀系数为2.4×10-4m/℃；泡沫层弹性模量10000MPa，热膨胀系数为1.8×10-4m/℃。扣件垂向刚度为50kN/mm，纵向阻力9kN/个，路基垂向支承面刚度为76MPa，道床纵向阻力为2860N/mm。

在计算轨道板预应力损失对轨道结构影响时，主要考虑预应力损失对轨道板翘曲变形的影响。根据《客运专线无砟轨道设计理论与方法》规定，当仅检算预应力损失后轨道板的翘曲应力及位移影响时，寒冷地区最大正温度梯度为90℃/m，最大负温度梯度为-44℃/m。

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4 计算结果

4.1 翘曲位移

Ⅲ型板运营之初，轨道板在温度梯度作用下翘曲变形见图5。

由图5可知，在90℃/m的最大正温度梯度作用下，轨道板板角向下产生翘曲变形，板中产生向上的翘曲位移，整体形成上拱的翘曲变形。在-44℃/m的最大负温度梯度作用下，轨道板板角产生向上的翘曲位移，板中产生向下的翘曲位移。预应力损失后轨道板翘曲位移见表1。

由表1可知，随着轨道板长期预应力的损失增加，正温度梯度作用下轨道板翘曲位移略有增加；负温度梯度作用下轨道板翘曲位移略有降低，但变化幅度均较小。可见，轨道板长期预应力的损失对轨道板翘曲位移影响较小。

图5 轨道板翘曲变形

表1 预应力损失后轨道板翘曲位移 mm

4.2 翘曲应力

Ⅲ型板运营之初，轨道板在温度梯度作用下的翘曲应力见图6、图7。

由图6、图7可知，在90℃/m的最大正温度梯度作用下，轨道板产生上拱翘曲变形，轨道板全部承受压应力作用，且板中压应力值最大，纵向最大压应力达到8.733MPa，横向最大压应力值为6.796MPa，板边压应力最小。在-44℃/m的最大负温度梯度作用下，轨道板板角向上翘曲，板中承受拉应力，板边由于预应力钢筋作用主要承受压应力，板中纵向最大拉应力为2.290MPa，横向最大拉应力为1.524MPa。预应力损失后轨道板翘曲应力见表2。

图6 轨道板纵向翘曲应力

图7 轨道板横向翘曲应力

表2 预应力损失后轨道板翘曲应力 MPa

由表2可知，随着轨道板预应力损失的增加，正温度梯度作用下轨道板压应力略有减小。分析其主要原因为：由于正温度梯度作用在轨道板内产生压应力，同时轨道板预应力钢筋使轨道板内产生压应力，当预应力损失时，预应力引起的混凝土压应力随之减小，从而导致正温度梯度作用下轨道板内的压应力随预应力损失而减小。负温度梯度作用于轨道板时，由于长期预应力损失，轨道板内的拉应力随之增大。最大负温度梯度作用下，当轨道板长期预应力损失（即钢筋松弛及混凝土收缩、徐变引起的预应力损失）全部完成时，轨道板纵向拉应力增加了5.41%，横向拉应力增加了4.27%，其纵向拉应力达到2.414MPa，横向拉应力为1.589MPa，均小于轨道板的抗拉强度2.850MPa，满足强度要求。

5 结论

根据Ⅲ型板预应力特征，计算在施工锚固阶段及使用过程中的轨道板预应力损失，并在此基础上分析轨道板预应力损失对轨道结构翘曲变形及翘曲应力的影响。最后得到以下结论：

（1）因Ⅲ型板为后张无粘结预应力结构，其预应力损失主要是由锚头变形、混凝土弹性压缩、钢筋应力松弛及混凝土收缩、徐变引起的预应力损失。

（2）Ⅲ型板纵向预应力总损失为158.69MPa，长期预应力损失为82.56MPa；横向预应力总损失为164.98MPa，长期预应力损失为78.62MPa。

（3）在正温度梯度作用下，轨道板板角向下产生翘曲变形，板中产生向上的翘曲位移；在负温度梯度作用下，轨道板板角产生向上的翘曲位移，板中产生向下的翘曲位移。预应力损失对轨道板翘曲位移影响较小。

（4）在正温度梯度作用下，轨道板全部承受压应力作用，且板中压应力值最大；在负温度梯度作用下，板中承受拉应力作用，板边由于预应力钢筋作用主要承受压应力作用。

（5）正温度梯度作用下，轨道板预应力损失使轨道板压应力略有减小；负温度梯度作用下，预应力损失导致轨道板拉应力有所增加。

[1] 杨荣山. 轨道工程[M]. 北京：人民交通出版社， 2013.

[2] 李准华，刘钊. 大跨度预应力混凝土梁桥预应力损 失及敏感性分析[J]. 世界桥梁，2009(1)：36-42.

[3] 李永斌. 大跨径钢构-连续组合梁桥结构计算与预 应力损失研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2005.

[4] 王敏丰. 高速铁路预应力混凝土简支箱梁的预应力 损失研究[D]. 成都：西南交通大学，2005.

[5] 中国建筑科学研究院. JGJ 92—2004无粘结预应 力混凝土结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出 版社，2005.

[6] TB 10002.1—2005 铁路桥涵基本设计规范[S].

[7] 陈俊，李明，肖祥淋，等. 连续梁大直径预应力钢 棒试验研究[J]. 中国铁路，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

赵东全（1983—），男，工程师。

E-mail：49789464@qq.com

责任编辑 李葳

2016-12-11