CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角裂缝成因分析

李浩宇

（中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006）

1 引言

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构，从上到下主要由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土、中间隔离层（土工布）及钢筋混凝土底座等部分组成［1-2］。其中底座具有限位结构，其限位方式主要是在底座上设置凹槽，与每块轨道板对应的自密实混凝土层设置的凸台相互结合，即通过凸台凹槽的相互咬合进行轨道限位［3］，如图 1所示。

图1 CRTSⅢ型板式无砟轨道限位结构

CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角开裂现象是高速铁路建设过程中比较普遍的问题，但是经过查阅，相关的研究资料较少。根据京沈铁路客运专线无砟轨道底座施工的现场调研可知，一般情况下底座凹槽四角处首先开裂，如图2所示。我国《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》（以下简称维修规则）中对无砟轨道底座裂缝宽度分3个评定等级，分别为Ⅰ级（0.2 mm）、Ⅱ级（0.3 mm）、Ⅲ级（0.5 mm），对于Ⅰ级裂缝不进行修复，Ⅱ级和Ⅲ级分别采用“表面封闭法”和“低压注浆法”进行修复［4］。虽然维修规则中规定底座Ⅰ级裂缝可不进行修复，但随着时间的推移，尤其是在荷载的作用下或者是大温差环境下，Ⅰ级裂缝有可能发展成为Ⅱ级或Ⅲ级，甚至是贯通裂缝。而且，底座凹槽处容易积水，凹槽四角一旦开裂，积水就会轻易地渗入底座内部，加速钢筋锈蚀，影响混凝土的耐久性，降低其使用寿命，进而就会加大无砟轨道结构的维修成本。一旦形成贯通裂缝，则有可能影响轨道结构受力，降低轨道系统的稳定性和安全性。

基于此，本文依托京沈铁路客运专线轨道工程项目，采用现场调研、理论分析和数值模拟相结合的方法，对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角开裂问题进行深入的研究，揭示其产生裂缝的原因，进而确定防控措施。

图2 CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角开裂现象

2 底座凹槽四角裂缝成因分析

混凝土结构裂缝产生的原因大概可分为两类：一是荷载引起的裂缝，主要是列车荷载；二是非荷载因素引起的裂缝，主要包括温度变化、混凝土收缩等。CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角裂缝是在短期内且未受列车荷载作用产生的，故其裂缝主要是由温度变化和混凝土收缩引起的。

2.1 温度变化类型

温度变化类型一般可分为年温度变化和日温度变化两种［5］。对于无砟轨道结构来说，年温度变化主要引起轨道结构的整体温度变化，日温度变化主要引起轨道结构沿厚度方向的温度梯度。

2.1.1 整体温度变化

整体温度变化指的是气温随季节发生周期性的变化，由于其变化是长期的、缓慢的，使得混凝土结构产生整体的升温和降温，即沿结构厚度方向温度分布均匀，进而就有产生温度伸缩应力的可能。

2.1.2 温度梯度

由于混凝土的热传导性能差，白天在阳光的照射下，底座上表面温度要高于下表面，促使其沿厚度方向上形成正温度梯度；在强冷空气的侵袭或其他突然降温的情况下，底座上表面温度骤然降低，呈现出上表面温度低于下表面的情况，即沿厚度方向出现负温度梯度。温度梯度的出现会使底座产生翘曲变形和翘曲应力［6］。

综上可知，底座在不同温度变化的作用下，会出现相应的变形，比如翘曲、伸长、收缩等。由于底座与其下部基础是紧密相连的，所以下部基础会阻止底座变形，进而就会形成相应的温度应力。当形成的温度应力大于底座混凝土抗拉强度时，底座就会出现裂缝，尤其是底座凹槽四角处，由于应力集中的影响，将首先达到混凝土抗拉强度。由于底座凹槽四角开裂是短期内（自密实混凝土浇筑之前）出现的，所以不考虑年温度变化，即不考虑底座的整体升温和降温。

2.2 混凝土收缩

混凝土的收缩与外荷载无关，是混凝土在空气中结硬时其体积缩小的一种现象。一般认为混凝土的收缩主要由以下两方面的原因引起：一是凝胶体本身的体积收缩（凝缩）；二是混凝土因失水而产生的体积收缩（干缩）［7］。混凝土收缩变形早期发展较快，两周已完成全部收缩变形的25%左右，一般情况下，混凝土的最终收缩应变为（2～5）×10-4，而混凝土开裂时的拉应变为（0.5～2.7）×10-4，可见收缩应变若受到约束，则很容易导致混凝土开裂［8］。所以在底座施工时要尽量控制混凝土收缩，尤其在混凝土养护时要到位，要根据现场实际情况制定相应的养护措施。

2.3 底座凹槽四角裂缝有限元分析2.3.1 有限元模型建立

本文采用大型通用有限元仿真软件ABAQUS［9-10］对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角开裂问题进行计算分析，建立了钢筋混凝土底座三维有限元模型，如图3所示。底座采用实体单元模拟，钢筋采用桁架单元模拟，钢筋嵌入（emb约束）底座中。

2.3.2 材料特性

底座混凝土强度等级为C35，弹性模量为3.15×104MPa，抗拉强度为2.2 MPa，线膨胀系数为1×10-5。钢筋采用CRB550钢筋，弹性模量为2.1×105MPa，屈服强度为550MPa，线膨胀系数为1.2×10-5。

2.3.3 边界条件

底座通过L型钢筋与桥梁连接，模拟分析时有限元模型底座的底面采用全约束。

2.3.4 温度取值

假定温度梯度沿底座厚度方向呈线性分布［11］，底座分4层（每层50 mm）进行加载温度荷载。其中负温度梯度分别取值 -15℃／m、-25℃／m、-35℃／m。计算负温度梯度作用时，底座板面至板底分别按-3～0℃（线性级差1℃）、-5～0℃（线性级差1.6℃）、-7～0℃（线性级差2.3℃）依次加载；正温度梯度取我国规定的最大正温度梯度90℃／m［12］，根据底座的厚度（200 mm）情况，取温度梯度修正系数为1.05，即正温度梯度取值为94.5℃／m；计算正温度梯度作用时，底座板面至板底按18.9～0℃（线性级差6.3℃）加载；混凝土收缩按整体降温考虑。

2.3.5 温度梯度作用下底座受力分析

（1）负温度梯度作用下底座受力分析（见图4～图9）

由底座凹槽四角混凝土应力图可知，负温度梯度为-15℃／m、-25℃／m时，凹槽四角处的混凝土拉应力处于上升趋势，最大值分别为1.38 MPa、2.20 MPa，而且在 -25℃／m时正好达到C35混凝土抗拉强度标准值，处于混凝土开裂的极限状态；在负温度梯度为-35℃／m时，底座凹槽四角处拉应力值为1.97 MPa，相比-25℃／m时有下降趋势，说明此时混凝土已开裂。

图3 底座有限元模型

由底座上层钢筋网片应力图可知，在负温度梯度分别为 -15℃／m、-25℃／m、-35℃／m时，钢筋网片的最大应力值分别为9.34 MPa、15.64 MPa、25 MPa。说明随着负温度梯度的增加，钢筋网片的最大应力值也增加，并且发生在靠近凹槽四角的防裂钢筋处，亦可以推断出底座凹槽四角处已发生应力集中现象。此结果进一步证明了负温度梯度对底座凹槽四角开裂的影响。

图4 负温度梯度15℃／m时凹槽四角混凝土应力最大值

图5 负温度梯度15℃／m时上层钢筋网片应力分布

图6 负温度梯度25℃／m时凹槽四角混凝土应力最大值

图7 负温度梯度25℃／m时上层钢筋网片应力分布

图8 负温度梯度35℃／m时凹槽四角混凝土应力最大值

图9 负温度梯度35℃／m时上层钢筋网片应力分布

由此可知，随着负温度梯度的增加，底座凹槽四角处的混凝土由于发生应力集中现象，将首先退出工作，即裂缝出现。

（2）正温度梯度作用下底座受力分析（见图10）

图10 正温度梯度为94.5℃／m时底座底面混凝土应力分布

由以上仿真结果可知，当正温度梯度取我国规定的最大值时，最大拉应力发生在底座底面边缘处，其值为2.191 MPa，未达到C35混凝土抗拉强度标准值，且底座顶面凹槽四角处产生的是压应力，其最大值为0.319 MPa，远未达到C35混凝土的抗压强度标准值。由此可知，正温度梯度对底座凹槽四角开裂的影响小，可以忽略不计。

2.3.6 混凝土收缩作用下底座受力分析

我国《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005）规定［13］：混凝土收缩的影响，可按降低温度的方法来计算，其降温幅度可根据表1按结构类型取值。根据CRTSⅢ型板式无砟轨道底座的结构可知，其对应表1中的分段灌注的钢筋混凝土结构类型。

_表1 混凝土收缩降温幅度

我国《高速铁路轨道工程施工技术指南》规定［14］：无砟轨道底座养护时间为7昼夜，根据京沈铁路客运专线项目调查，底座凹槽四角开裂一般在养护结束后7 d左右开裂，所以对14 d混凝土的收缩进行仿真计算，而两周已完成全部收缩变形的25%左右，所以混凝土收缩量按整体降温2.5℃（10℃×25%）考虑。其仿真计算结果如图11所示。

图11 整体降温2.5℃时底座顶面混凝土应力分布

由以上仿真结果可知，最大拉应力为1.425 MPa，发生在凹槽四角处，虽然未达到C35混凝土标准抗拉强度，但对开裂有一定的促进作用，所以在施工时要注意加强底座养护，减少混凝土收缩。

3 底座凹槽四角裂缝防控措施

在温度变化和（或）混凝土收缩时，CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角处由于应力集中极易产生裂缝，所以在施工时要有针对性地采取有效措施防止裂缝产生。

（1）待底座养护结束后，仍然要注意控制底座的温度变化，使其在合理的范围内。比如，待底座满足设计强度要求后，可及时铺设轨道板，并浇筑自密实混凝土，以达到控制底座温度变化的目的。

（2）优化底座凹槽四角设计，可由直角做成圆弧型，减少应力集中现象。

（3）优化底座凹槽四角配筋，减少裂纹宽度的发展和长度的延伸，使其保持在0.2 mm以内。

（4）掺加对拌合物性能影响较小的纤维，提高混凝土的极限抗拉强度。

（5）按相关规范和设计要求从水泥的品种和用量，骨料的性质、粒径和含量，施工环境以及养护条件等方面严格控制混凝土收缩。

4 结论

CRTSⅢ型板式无砟轨道底座凹槽四角开裂现象在高速铁路建设过程中较为普遍，且相关的研究资料较少，本文依托京沈铁路客运专线轨道工程项目，从温度变化和混凝土收缩两方面对其进行了分析，主要结论如下：

（1）当负温度梯度超过25℃时，即底座顶面温度低于底面温度5℃时，凹槽四角处就达到混凝土抗拉强度标准值，有开裂的可能。所以在底座养护结束后，仍需注意底座的温度变化，尤其是在昼夜温差较大的环境中，应加强控制。

（2）正温度梯度（按国家规定的最大正温度梯度计算）对底座凹槽四角开裂的影响较小，可以忽略不计。

（3）混凝土收缩对底座凹槽四角开裂有一定的促进作用，应严格控制影响混凝土收缩的因素，尤其要保障混凝土的原材料质量和养护条件，减少混凝土收缩。

（4）采用优化底座凹槽四角形状、配筋和掺加合适纤维等措施控制凹槽四角开裂。