郑家辉 薛志强 陈进杰 王建西，3

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学 交通运输学院，河北石家庄 050043；3.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043)

CRTSⅢ型无砟轨道是我国自主研发的无砟轨道结构，由于其单元结构的易维修性，已逐渐成为我国高速铁路工程中最主要的结构形式。成贵高铁、京沈高铁、郑万高铁等多条高速铁路均采用这种轨道形式。自密实混凝土和底座板凹槽组成限位结构，其工作性能是CRTSⅢ型无砟轨道安全服役的重要指标。

由于底座板多为现场浇筑施工，受环境温度影响较大。通过现场调研发现，有太阳照射的路基地段底座板裂缝远多于没有太阳照射的隧道地段，个别凹槽角裂纹已发展为横向贯通裂纹(见图1)。凹槽角裂纹的出现可能会影响轨道结构的受力特性和耐久性，导致其使用寿命降低。

图1 凹槽角开裂

对于底座板凹槽角裂纹的成因，已有许多学者进行了相关研究，周珂等主要考虑凹槽四周弹性垫层参数对底座板应力的影响[1]；李兆伦等从养护措施的角度分析如何预防底座板凹槽开裂[2]；于东等针对高寒地区的混凝土施工裂缝进行研究，为施工早期混凝土的保温提供了可行性建议[3]。另外，霍春阳对CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工阶段水化热对道床板开裂的影响进行了研究[4]；苏成光研究了双块式无砟轨道施工早期温度场，为其现场浇筑施工提供了理论依据[5]。总体来说，CRTSⅢ型无砟轨道底座板服役时间较短，目前针对凹槽角裂纹的研究存在大量空白。

以京沈高铁为背景，对CRTSⅢ型无砟轨道底座板浇筑时期的应力场特性进行研究，基于ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型无砟轨道底座板三维实体模型，分析在施工阶段浇筑温度对底座板凹槽角开裂的影响。

1 底座板施工阶段模型

1.1 模型建立

根据路基段CRTSⅢ型无砟轨道底座板施工阶段的结构特性和施工步骤，建立底座板、基床表层、基床底层、路基本体和地基的有限元模型(如图2所示，总长11.32 m)。底座板为现场浇筑，施工前，应在底座板四周及凹槽内壁设置位移约束模具。

图2 施工阶段CRTSⅢ型无砟轨道模型

底座板混凝土与外界环境温度存在差值时，发生的热交换可采用文献[4]中的混凝土表面在空气中的对流换热系数表达式，水化热可采用文献[5]中的双曲线水化热表达式，混凝土的收缩徐变可参考文献[6]。在仿真计算中，通过等效降温的方法来模拟混凝土收缩影响。浇筑温度取外界环境温度，并假设每天温度变化相同(取承德地区5月份单日平均的气温变化值)，以减小特殊天气对温度场计算的影响。

选取不同凹槽角来分析应力随时间的变化情况，进而通过应力值来反映底座板凹槽角处裂纹情况。如图3所示。

图3 底座板测点分布

1.2 模型参数

底座板为C35混凝土，截面尺寸为3.1 m×0.3 m，凹槽尺寸为0.7 m×1 m×0.1 m。底座板浇筑过程中，混凝土弹模的变化如图4所示，浇筑完成后，底座板材料参数见表1。

图4 混凝土弹性模量

表1 底座板材料参数

2 水化热和混凝土浇筑温度的影响

以下研究凹槽角裂纹的萌生，若拉应力超过混凝土抗拉强度，则认为出现裂纹。8个测点关于纵轴两两对称，底座板中部较两侧散热速率慢，水化热产生的热量较难释放，故中部的内外温差较大，测点F、G处的应力也就更大。另一方面，模具对混凝土初期养护具有保护作用，在拆模之前，混凝土大部分处于受压状态，距离模具距离越远的点，受保护程度越小。经仿真模拟也可发现，测点F、G处在各个入模温度的工况下，应力均为最大。基于最不利因素考虑，提取G点数据，用于分析底座板凹槽角裂纹的萌生。

2.1 不同浇筑温度对底座板温度场的影响

当外界环境温度分别为12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃时，底座板凹槽角测点G的温度场变化曲线如图5所示。

图5 底座板G点温度变化曲线

由图5可知，无论浇筑温度为多少，底座板温度场均在浇筑完成后1 d内达到极值。当浇筑温度为分别为12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃时，极值分别为27.2 ℃、29.1 ℃、29.5 ℃、30.2 ℃和31.5 ℃。随着养护时间的推移，底座板温度逐渐下降，最终均稳定在24 ℃～25 ℃之间。

2.2 不同浇筑温度对裂纹萌生的影响

当外界环境温度分别为12 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃和30 ℃时，底座板凹槽角测点G的应力变化曲线与混凝土抗拉强度对比如图6所示。

图6 底座板G点应力变化曲线

(1)当浇筑温度为12 ℃时，在浇筑完成5 d时，拉应力极值稳定在0.32 MPa；且整个养护28 d期间，应力极值均未超过混凝土抗拉强度，故认为不会出现裂纹。

(2)当浇筑温度为18 ℃时，在浇筑完成5 d时，拉应力极值稳定在0.2 MPa，且整个养护阶段应力极值均未超过混凝土抗拉强度，故认为不会出现裂纹。

(3)当浇筑温度为22 ℃时，在浇筑完成5 d时，每日拉应力极值稳定在1.35 MPa，在3～4 d内，应力极值超过混凝土抗拉强度，故认为可能会出现裂纹。

(4)当浇筑温度为24 ℃时，在3 d时拉应力极值超过混凝土抗拉强度，之后随着养护时间增长，混凝土强度升高，在10 d时，凹槽角应力极值开始低于混凝土抗拉强度，故认为凹槽角在3～10 d可能出现裂纹。

(5)当浇筑温度为30 ℃时，从2 d开始，凹槽角的应力极值超过混凝土抗拉强度且在整个养护28 d期间，每日应力极值均超过混凝土抗拉强度，故认为在2～28 d均有可能出现裂纹。

2.3 升降温对裂纹萌生的影响

除每日最低温和每日最高温以外，其他时间进行浇筑存在2种可能：外界环境正在升温或外界环境正在降温。以下考虑升降温对底座板凹槽角的影响，取18 ℃时，10:00浇筑和21:00浇筑为一组对比工况。另取24 ℃时，12:00浇筑和18:00浇筑为一组对比工况。

(1)温度为18 ℃时，10:00浇筑和21:00浇筑底座板凹槽角G点应力变化曲线如图7所示。

图7 底座板G点应力变化曲线

由图7可知，10:00浇筑和21:00浇筑时，底座板凹槽角测点应力变化趋势基本一致。21:00浇筑时测点达到压应力峰值的时间较10:00浇筑时晚2 h左右，拉应力峰值早2 h左右。10:00浇筑和21:00浇筑时各测点的拉压应力峰值基本一致，且均小于混凝土抗拉强度。整体来说，浇筑温度为18 ℃时，升降温对底座板凹槽角处的应力场影响不大。

(2)浇筑温度为24 ℃时，12:00和18:00浇筑底座板凹槽角G点应力的变化曲线如图8所示。

图8 底座板G点应力变化曲线

12:00和18:00浇筑测点变化趋势基本一致，但12:00浇筑时，入模温度较高且浇筑后温度升高较快，测点迅速升温。由于模具的存在，混凝土受热膨胀受到抑制，测点很快达到压应力极值。12:00浇筑时的压应力极值较18:00大0.2 MPa左右。12:00浇筑时前期受到较大的压应力，故拆模后拉应力极值到达时间相对较晚。12:00浇筑时凹槽角应力值在3～6 d时超过混凝土抗拉强度，由此可以认为浇筑温度为24 ℃时，12:00浇筑较18:00浇筑更能避免裂纹的出现。

2.4 拆模时机的选择

由于底座板侧向的支撑钢膜可以重复利用，提早拆模可以提高施工的效率并节省材料。但模具在混凝土浇筑完成后对混凝土开裂可以起到一定的保护作用，过早拆模不利于混凝土的受力。目前，CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板拆模时间一般为2d，为了提高施工效率且不影响混凝土的受力，有必要对不同温度下拆模时机的选取进行计算。

图9为无钢膜支撑时，底座板凹槽G点应力随时间的变化曲线。

如图9所示，在无钢膜支撑时，凹槽点受压时间明显缩短，浇筑后不久便开始受拉，且达到的拉应力峰值均大于有钢膜支撑时的峰值。

图9 底座板G点S11(横向)S22(垂向)S33(纵向)应力随时间变化曲线

当浇筑温度为12 ℃时，浇筑完成15 h后，应力开始小于混凝土抗拉强度。当浇筑温度为18 ℃时，浇筑完成10 h后，应力开始小于混凝土抗拉强度。因此，认为在1 d之内拆模并不会影响混凝土受力，可提前拆模。

当浇筑温度为24 ℃和30 ℃时，无模具状态下应力值在2 d后依然超过混凝土抗拉强度，不适合提早拆模。

3 混凝土收缩作用下底座板裂纹萌生分析

将混凝土收缩作为一个单独的因素对CRTSⅢ型无砟轨道底座板凹槽角裂纹进行分析。由于底座板凹槽角位置关于纵轴对称，故选取一半测点进行分析。测点A、B、E、F处在混凝土收缩作下应力随时间变化曲线如图10所示。

图10 S11(横向)S22(垂向)S33(纵向)应力随时间变化曲线

混凝土收缩作用下，主要影响底座板凹槽角的纵向应力，横向和垂向应力变化不大。各测点的应力变化趋势较为一致。A、B两点处在整个养护过程中未超过混凝土抗拉强度，认为在混凝土收缩作用下A、B、C、D4个测点不会出现裂纹。在25 d时，E点纵向应力超过混凝土抗拉强度，在24 d时，F点超过混凝土抗拉强度，故认为E、F、G、H4个测点在混凝土收缩作用下会发生破坏，建议加强养护。

4 结论与建议

利用有限元软件对施工阶段CRTSⅢ型无砟轨道底座板凹槽角裂纹的萌生进行了分析，主要考虑外界环境因素和水化热共同作用，以及混凝土收缩单独作用对裂纹萌生的影响，得到以下结论。

(1)当底座板浇筑温度在22 ℃以下时，在整个养护阶段不会出现裂纹；当浇筑温度>22 ℃时，在浇筑完成3～10 d时，建议每日中午洒水降温；浇筑温度高于30 ℃时，不建议进行浇筑施工。

(2)当浇筑温度一定时，升降温对底座板整个养护阶段的应力状态影响不大。

(3)当浇筑温度小于18 ℃时，在底座板混凝土完成终凝后即可拆模；浇筑温度大于24 ℃时，不建议提早拆模。

(4)在混凝土收缩作用下，底座板中间2个凹槽四角易发生伤损，证明了养护阶段底座板薄膜覆盖的必要性。