双块式无砟轨道裂缝形式及控制标准研究

陆达飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

无砟轨道作为一种露天放置、反复承受列车荷载的结构物,在列车荷载、温度变化、基础变形以及混凝土自身收缩变形的影响下容易产生裂缝。多数轻微细小的宏观裂缝,对结构的承载能力、使用功能和耐久性不会有大的影响。当可见宏观裂缝较宽较深时,会诱发钢筋锈蚀或加速混凝土的自然老化,从而损害工程结构的承载能力、使用功能和耐久性。通常通过限制裂缝宽度来控制裂缝的发展和影响。

1 国外双块式无砟轨道结构设计原理与裂缝控制

德国路基上双块式无砟轨道采用纵向连续配筋的混凝土道床板,其设计主要借鉴公路中的连续配筋混凝土路面(CRCP)。连续道床板内钢筋调置在中面附近,其主要作用在于限制裂缝宽度在0.5 mm以内,保证荷载自裂缝一侧向另一侧的可靠传递。在有支座桥梁上铺设时,为减轻桥梁伸缩对无砟轨道的影响,采用了单元双块式无砟轨道。

德方认为：裂缝宽度在0.5 mm以内时对钢筋锈蚀几乎没什么影响,钢筋以上混凝土保护层的厚度和其抗渗性能在钢筋锈蚀过程中有决定性作用。

2 双块式无砟轨道裂缝型式

目前，双块式无砟轨道的裂缝主要发生在道床板、支承层和底座上,这些裂缝可归纳为以下几种形式。

(1)道床板上双块式轨枕的角裂缝

双块式无砟轨道在道床板上出现比较多的裂纹是轨枕块的四个角处发展角裂缝。

(2)路基上连续道床板上支承层假缝处的反射裂缝

路基上支承层假缝处均在道床板上有反射裂缝,反射裂缝主要特征有：①反射裂缝大多在轨枕块处开裂；②反射裂缝一般多是贯穿裂缝；③反射裂缝的宽度是道床板裂缝中最宽的裂缝之一。

(3)道床板上龟裂缝

浇筑道床板时由于养护不当,道床板表面缺水导致形成龟裂缝。

(4)支承层横向贯通裂缝

由于支承层浇筑完成后,支承层的假缝设置时间比较迟,在支承层上每隔5～10 m左右出现横向贯通裂缝。

3 双块式无砟轨道裂缝产生机理

裂缝产生的原因可分为两类：一是结构型裂缝,是由外荷载引起的,包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝；二是材料型裂缝,是由非受力变形变化引起的,主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。

(1)温度裂缝

温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。温差可分为以下三种：水化热引起的混凝土内外温差、结构整体的温度升降差、结构从上表面至下表面的温度梯度。

(2)混凝土收缩引起裂缝

混凝土的收缩类型有很多种,其中引起混凝土开裂的主要包括干燥收缩和塑性收缩。

(3)钢轨的伸长引起裂缝

双块式无砟轨道施工若不能及时松开扣件,钢轨的伸缩将带动轨枕在新浇混凝土土中移动从而产生裂缝。

(4)混凝土骨料塑性沉落引起的裂缝

当骨料的沉落受到钢筋的阻挡时,将出现沿钢筋的走向的裂缝,施工过程中如果模板绑扎不好、模板沉陷、移动时也会出现此类裂缝。

(5)新旧混凝土不良黏结裂缝

在双块式轨枕的侧面及角部,常出现由于新旧混凝土黏结不良而引起的裂缝。

(6)其他因素

此外,结构基础不均匀沉陷、冻胀以及钢筋锈蚀等均会引起双块式无砟轨道产生裂缝。下部支承层中存在裂缝或结构缝时,同样也会产生反射裂缝。

列缝产生的原因及控制措施如表1所示。

表1 裂缝产生的原因及控制措施

4 双块式无砟轨道裂缝控制标准

4.1 相关行业混凝土裂缝控制标准

(1)德国DIN1045-1标准

根据不同的暴露种类,将结构进行分析,根据结构分析确定的钢筋混凝土构件裂缝宽度容许值如表2所示。

(2)欧洲混凝土委员会

根据混凝土结构耐久性要求、结构所处条件及荷载作用的情况,对允许的最大裂缝宽度做出了规定,如表3所示。

表2 DIN 1405-1中对裂缝宽度的限制要求

注：对于特殊结构物,如桥梁,水箱,车库有更高的要求。

表3 EuroCode裂缝宽度 mm

(3)日本土木学会与建筑学会

日本土木学会标准中把允许裂缝宽度玉保护层厚度结合在一起考虑,这就能更好地反映裂缝对结构产生危害的关系。日本土木学会与建筑学会允许的裂缝控制宽度如表4所示。

表4 日本允许裂缝宽度

注：c为保护层厚度(mm)。

(4)美国混凝土协会(ACI)

ACI规定不同环境下钢筋混凝土允许裂缝宽度如表5所示。

表5 ACI裂缝宽度限值

(5)我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)

钢筋混凝土和预应力混凝土构件应按所处环境类别和使用要求,选用相应的裂缝控制等级,并按下列规定进行受拉边缘应力或下截面裂缝宽度验算：

一级——严格要求不出现裂缝的构件；

二级——一般要求不出现裂缝的构件；

三级——允许出现裂缝的构件,在荷载的标准组合下,并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度,应符合下列规定：wmax≤wlim,如表6所示。

(7)连续配筋混凝土路面

根据对已有CRCP的调查,横向裂缝间距在0.3～0.6 m的路段破坏最多；横向裂缝间距1.2～1.5 m的路段钢筋锈蚀最小；横向裂缝间距在1.5～2.5 m的路段传荷能力最佳,弯沉及荷载应力最小；横向裂缝间距大于2.5 m的路段裂缝宽度较大,传荷能力减小并发生剥落。美国建议的裂缝间距为0.8～3.0 m,比利时建议的裂缝间距1.0～4.0 m。裂缝宽度以不严重渗水为好,一般认为宽度应小于0.6 mm,低温下应不大于1.0 mm。

表6 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝控制宽度限值

CRCP的配筋率通常是指纵向钢筋与混凝土的面积比,取值范围一般在0.5%～0.7%之间。配筋形式一般采用纵、横向变形钢筋搭接而成的钢筋网构造。钢筋网一般布置在板厚的1/3～1/2处,也有采用双层钢筋网布置在板的上部及底部；钢筋的保护层最小厚度6 cm。

4.2 裂缝对双块式无砟轨道的影响

(1)钢筋锈蚀

钢筋锈蚀发生锈胀,会使混凝土保护层脱落,严重的产生纵向裂缝,影响正常使用。钢筋锈蚀导致钢筋有效截面减小,破坏钢筋与混凝土的黏结,使结构承载能力降低,甚至导致结构破坏,是影响钢筋混凝土结构耐久性的最重要的因素。

(2)混凝土碳化

如果空气中的二氧化碳CO2进入混凝土中,足够的空气湿度会使其形成碳酸,即H2CO3。随后碳酸与氢化钙互相作用,产生碳酸钙CaCO3。 若Ca(OH)2晶体中的碳酸钙未溶解,混凝土孔隙水的pH值就会降低到钝化极限值：即钢筋失去其抗腐蚀性。

4.3 双块式无砟轨道裂缝控制标准

确定裂缝最大宽度所需考虑的因素主要为耐久性(环境条件和构件使用条件)和外观要求。目前世界各国的规定不完全一致,但大致相同,如从结构耐久性要求,承载力要求及正常使用要求,最严格的允许裂缝宽度为0.1 mm。近年来,许多国家已根据大量试验与泵送混凝土的经验将其放宽到0.2 mm。当结构所处的环境正常,保护层厚度满足设计要求,无侵蚀介质,钢筋混凝土裂缝宽度可放宽至0.4 mm；在湿气及土中为0.3 mm；在海水及干湿交替中为0.15 mm,沿钢筋的顺筋裂缝有害程度高,必须处理。根据各国不同规范确定的无砟轨道最大裂缝宽度如表7所示。

表7 无砟轨道最大裂缝宽度

表7的对比分析可以看出,各国规范对于裂缝宽度的限制均较高,其中日本按耐久性要求的裂缝宽度最严,当保护层厚度为30 mm时,最大裂缝宽度仅容许为0.15 mm,Din1045和欧洲混凝土委员会规定稍宽,为0.3 mm,我国混凝土结构设计规范则规定为0.2 mm,介于其中。日本属于海洋性气候,易受氯盐的侵蚀,为保证其结构的耐久性,故而从严规定其裂缝宽度限值。欧洲环境条件较好,其防止钢筋锈蚀,多采用加厚保护层和增加水泥含量等措施,其裂缝宽度限值稍松。

我国幅员辽阔,各地气候条件不同,裂缝宽度限值宜参照我国混凝土结构设计规范,考虑保护层厚度的影响,即无砟轨道允许裂缝宽度限值取为0.2 mm,当混凝土保护层厚度超过30 mm时,裂缝宽度允许值取0.2 mm与系数c/30的乘积(混凝土保护层以≥50 mm为宜)。隧道内排水良好、无腐蚀性环境时裂缝宽度可适当放宽,距离隧道洞口200 m以上的隧道内裂缝宽度标准可按室内正常环境选择,即裂缝宽度允许值取0.3 mm(保护层厚度30 mm时)。

5 双块式无砟轨道配筋方式

雷达2000与旭普林双块式无砟轨道结构根据德国AKFF规定,德国双块式无砟轨道结构采用单层配筋设计,钢筋设置在轨道板的中间位置附近。配筋率均为0.8%～0.9%,裂缝设计控制宽度为0.5 mm,裂缝间距为1～2 m左右。

双块式无砟轨道中钢筋的作用主要有以下几点：

(1)承受列车荷载、温度荷载、基础不均匀变形等因素引起的弯矩作用及轴力,提高结构承载能力；

(2)当结构出现裂缝时,限制裂缝宽度,保证结构耐久性；

(3)依造钢筋的销栓作用和骨料的咬合作用将荷载自裂缝一侧传递至另一侧,当裂缝宽度太大时,骨料的咬合作用难以保证荷载的有效传递,荷载的传递将主要依靠钢筋的销栓作用。

对于单元双块式无砟轨道,结构裂缝的产生主要是由于列车荷载弯矩、温度梯度和基础不均匀变形,而对于连续双块式无砟轨道,混凝土的收缩以及环境温度的变化则是引起裂缝的主要因素。当降温荷载较大时可能会产生较大的裂缝,为保证结构耐久性及荷载的有效传递,需增大配筋，从控制裂缝宽度和保证裂缝处荷载的有效传递来说,单层配筋和双层配筋均可满足使用要求,但双层配筋时由于混凝土保护层厚度的减小,裂缝控制标准更为严格。

6 结论

德国双块式无砟轨道结构采用单层配筋设计,钢筋设置在轨道板的中间位置附近。配筋率均为0.8%～0.9%,裂缝设计控制宽度为0.5 mm,裂缝间距为1～2 m左右。我国幅员辽阔,各地气候条件不同,裂缝宽度限值宜参照我国混凝土结构设计规范,考虑保护层厚度的影响,无砟轨道允许裂缝宽度限值可取为0.2 mm,当混凝土保护层厚度超过30 mm时,裂缝宽度允许值取0.2 mm与系数c/30的乘积(混凝土保护层以≥50 mm为宜)的控制标准。

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