基于早期温度应力的道床板施工方式

第14卷第10期铁道科学与工程学报Volume14Number10 2017年10月Journal of Railway Science and Engineering October2017
基于早期温度应力的
道床板施工方式
赵坪锐1，向芬1，邓非凡1，刘观2，龚闯1
(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031；
2.中国铁建国际集团有限公司，北京100855)
摘要：建立考虑水化热、混凝土收缩和弹性模量等时变参数的双块式无砟轨道道床板早期温度应力瞬态分析有限元模型，分析道床板内部水化热与外部环境温度共同作用下的道床板早期温度应力分布特征，比较不同施工季节、浇筑时刻以及钢模支撑条件对道床板早期温度应力的影响。

研究结果表明：道床板早期温度应力受水化热和外界环境温度影响较大，内部应力主要受控于水化热，表面应力主要受控于环境温度，轨枕侧边是容易产生早期温度裂缝的薄弱环节。

在施工温度降低条件下，道床板侧边和顶面容易产生裂纹。

为减少混凝土早期裂缝的开展，应选择在傍晚时分浇筑混凝土，适当延长拆模时间，气温较低时拆模至少为3d后，浇筑温度较高时拆模至少为4d后。

关键词：双块式无砟轨道；道床板；早期温度场；温度应力；养护
中图分类号：U213文献标志码：A文章编号：1672−7029(2017)10−2082−09
Study about the construction methods of bed slab based on
the early temperature stress
ZHAO Pingrui1,XIANG Fen1,DENG Feifan1,LIU Guan2,GONG Chuang1
(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China;
2.China Railway Construction International Group Co.,Ltd,Beijing100855,China)
Abstract:Considering the heat of hydration,shrinkage of concrete,elasticity modulus and other time-variable parameters,a finite element model of early transient analysis of temperature stress of two-block ballastless track bed was established.The distribution of early temperature stress was then analyzed under the combined action of internal heat of hydration and external ambient temperature of bed slab.The different construction seasons,time and supporting conditions of steel model and their influence on early temperature stress of bed slab was compared, the results show that heat of hydration and external ambient temperature have a greater influence on early temperature stress of bed slab.The internal stress is mainly controlled by the heat of hydration,while surface stress is mainly controlled by ambient temperature.Side of sleeper is the weak point which is prone to occur early temperature cracks.When the construction temperature decreases,the side and the top of bed slab is easy to crack. In order to reduce the development of early crack of concrete,it is necessary to elongate from removal time when
收稿日期：2016−10−14
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB036202)；国家自然科学基金资助项目(U1434208)；中国铁路总公司重大项目(Z2013 G001.2014G001-A)
通信作者：赵坪锐(1978−)，男，山东胶南人，副教授，博士，从事高速重载轨道结构、轨道动力学等研究；E−mail：przhao@
第10期赵坪锐，等：基于早期温度应力的道床板施工方式2083 pouring in evening,at least3days at low temperature,and at least4days at high temperature after pouring.
Key words:double-block ballastless track;bed slab;early temperature field;temperature stress;maintenance
CRTSI型双块式无砟轨道由于结构整体性好、结构平顺性好、受力明确和适应性强等一系列优点而大量铺设，CRTSI型双块式无砟轨道轨枕为预制轨枕，道床板采用现浇法施工。

双块式无砟轨道道床板在浇筑之后在混凝土凝结硬化过程中，水泥的水化反应，会产生大量水化热，内部水化热不易散发，内外温差导致巨大的内应力，造成道床板内部温度场分布不均匀，进而导致早期温度应力分布不均匀。

同时养护方式不到位容易形成早期裂纹[1]，影响无砟轨道的观感和长期耐久性能。

本文针对混凝土浇筑初期的道床板早期温度场分布特性进行研究，分析浇筑温度、外界环境等对道床板早期温度场的影响特性。

浇筑道床板混凝土时，现场浇筑温度过高或过低都可能使道床板产生早期裂缝，合理的养护方式对道床板混凝土裂纹起到一定控制作用。

因此，有必要确定合适的养护时机和方法，以确保道床板在浇筑后不会产生早期裂缝，并为施工提供指导。

1双块式无砟轨道有限元模型与相关参数取值
1.1双块式无砟轨道有限元模型
根据双块式无砟轨道的结构特征与施工步骤，建立双块式无砟轨道有限元模型，如图1所示。

轨道结构参数如表1所示，由于钢轨和扣件对轨道板温度场影响较小，模型中不予考虑，双块式轨枕、道床板、支承层与路基均采用实体单元模拟，各部件牢固黏接以保证热传导条件连续。

基床四周和底面以及轨道结构纵向边界面采用绝热边界条件，道床板表面可直接与空气对流换热，道床板侧边通过模板与空气对流换热。

1.2参数取值
在混凝土浇筑初期，随着水泥水化反应的进行，混凝土的状态及诸时变参数，其中对早期温度场有影响的主要包括水化热、混凝土弹性模量、对流系数等。

表1轨道结构参数
Table1Parameters of track structure
项目单位数值轨枕长×宽×高m0.844轨枕宽m0.314
轨枕高m0.174轨枕线膨胀系数1×10−5
轨枕导热系数kJ(h·m·℃)8.45
轨枕比热kJ(kg·℃) 1.01
道床长m 4.55
道床宽m 2.8
道床高m0.26道床线膨胀系数1×10−5
道床导热系数kJ(h·m·℃)8.45
道床比热kJ(kg·℃) 1.01
支承层长m 4.55
支承层宽m 3.2
支承层高m0.3支承层线膨胀系数1×10−5
支承层导热系数kJ(h·m·℃)8.45
支承层比热kJ(kg·℃)
0.89
图1双块式无砟轨道温度场有限元模型
Fig.1Finite element modelof temperature field of two-block
ballastless track
1.2.1水化热
影响水泥水化热的因素很多，主要决定于熟料
铁道科学与工程学报2017年10月2084
矿物的组成与含量[2]。

水化过程中的发热量Q(t)通常为Q0与一个随时间t→∞而无限接近于1的增函数的乘积表示[3−4]，计算可得单位体积混凝土最终发热量为1.14×105kJ/m3[5]。

1.2.2混凝土弹性模量
混凝土弹性模量一般可采用复合指数公式[6−7]对混凝土的弹性模量进行计算。

1.2.3对流系数
道床板混凝土与空气之间存在温差发生热对流现象，二者之间的热交换效率可用对流系数表征。

热对流受固体表面粗糙度及流体流速、黏滞系数等因素的影响。

针对混凝土与空气对流系数的取值，国内外学者开展过许多相关的试验研究[8−10]。

无砟轨道道床板混凝土浇筑，参照相关公式[10]计算得到混凝土和钢模的对流系数分别为13.8W/(m2·℃)和12.46W/(m2·℃)。

1.2.4其他参数取值
混凝土和水硬性材料的导热系数均取为8.45 kJ/(h·m·℃)，比热分别为1.01kJ/(kg·℃)和0.89 kJ/(kg·℃)。

2双块式无砟轨道早期温度应力
为比较在有无钢模支撑条件下道床板混凝土浇筑后应力随时间变化情况，选取道床板上表面中心(A点)、无砟道床中心(B点)、双块式轨枕中间下方(C点)、无砟道床侧边(D点)、轨枕内侧边(E点)、轨枕下侧边(F点)、轨枕外侧边(G点)进行分析，如图2
所示。

图2双块式无砟轨道温度应力数据提取点
Fig.2Extractingpoint of temperature stress for two-block
ballastless track
外界环境温度取成都地区某双块式无砟轨道试验段夏季某天实测的数据[11]，如图3所示。

为减小每天温度随机变化的影响，假设每天的温度变化
相同。

图3气温变化曲线
Fig.3Changing curve of temperature
2.1无钢模支撑道床板早期温度应力
不同季节施工时混凝土浇筑温度不同，分别以30，15和5℃代表夏季、春秋和冬季时分的混凝土浇筑温度，分析不同季节施工时道床板早期应力分布情况。

如图4所示，在水化热和气温共同作用下，道床板不同位置的应力值差别很大，气温和水化热对道床板的影响程度也有很大差异。

图4可以看出，道床板混凝土内部第1主应力以受拉为主，其应力波动受控于水化热与自身弹性模量的增长，总体呈先增大后减小的趋势。

道床板中心(B点)水化热最为集中，但温度变化幅度小，应力水平较低。

道床板混凝土上表面(A点)和侧边(D点)直接与环境接触，受气温影响明显，第1主应力最大值分别为0.44MPa和1.19MPa。

双块式轨枕下方(C点)第1主应力最大值为0.7MPa左右，分析表明，离道床板中心位置越近，水化热对其影响越大，最大应力出现的时间就越晚，离中心位置越远，应力最大值出现越早，其应力主要受控于气温和自身弹模的增长。

轨枕内侧(E点)、下侧(F点)、外侧(G点)为轨枕与道床板新旧混凝土结合面，是容易产生初始损伤的位置，各点第1主应力以受拉为主，且G点>E 点>F点。

各点应力在72h内的最大值如表2所示。

第10期赵坪锐，等：基于早期温度应力的道床板施工方式
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(a)夏季；(b)春秋；(c)冬季图4
道床板温度应力时程曲线
Fig.4Time-history curve of temperature stress of bed slab
夏季混凝土浇筑后30h 道床板第1主应力分布如图5所示，其他季节施工时的分布基本类似。

第1主应力最大值出现于轨枕外侧边，以受拉为主，养护不当情况下新老混凝土连接处容易产生界面裂缝[12]。

表272h 内各点最大应力值
Table 2Maximum stress points in 72h
MPa
监测点最大应力
夏季春秋冬季A 0.440.730.97B 0.160.120.09C 0.710.570.45D 1.19 1.020.96E 1.01 1.23 1.32F 0.510.420.34G
1.67
1.58
1.54
图5夏季施工后30h 的道床板应力分布
Fig.5
Stress distribution of bed slabin winter construction
after 30h
2.2钢模作用下道床板早期温度应力
考虑钢模的约束作用，采用同样的方法分析双块式无砟轨道早期温度应力变化，如图6所示。

以夏季施工为例，由于钢模的支撑约束作用，双块式轨枕下方(C 点)以受拉为主，其第1主应力最大值为1.11MPa ，道床板侧边(D 点)以受压为主，其第1主应力最大值为−2.32MPa 。

若浇筑2d 后拆模，由于模板对道床板约束作
用消除，道床板内部第1主应力以受拉为主，气温对其应力变化影响显著。

B 点应力值较小且变化幅度小。

由于A 点和D 点直接与外界接触，气温变化对其影响明显，其第1主应力最大值分别为0.44MPa 和1.19MPa ，C 点第1主应力最大值为0.67MPa 。

在道床板混凝土浇筑初期，最大拉应力位于轨枕下方，由于模具的约束，对道床侧面混凝土起到了一定的保护作用[13]。

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拆模前，E点和G点以受压为主，其第1主应力分别为−1.02MPa和−1.53MPa；F点以受拉为主，第1主应力最大值为1.15MPa。

拆模后，道床板第1主应力以受拉为主，且G点＞E点＞F点。

不同季节施工时拆模前后各点应力在72h内的最大值如表3
所示。

(a)夏季；(b)春秋；(c)冬季
图6各测点第1主应力变化曲线
Fig.6First principal stress changing curve of
each measuring point
表3拆模前后72h内各点最大应力值
Table2Maximum stress value of each point within72h
before and after demolding MPa 工序监测点
最大应力
夏季春秋冬季
拆模前
A0.010.010.01
B−0.29−0.19−0.13
C 1.110.790.54
D−2.32−1.35−0.67
E−1.02−0.67−0.46
F 1.150.780.54
G−1.53−1.02−0.71
拆模后
A0.440.690.83
B0.160.120.09
C0.670.410.26
D 1.19 1.030.97
E 1.12 1.23 1.31
F0.570.360.23
G 1.59 1.43
1.43
(a)拆模前；(b)拆模后
图7冬季拆模前后第1主应力对比云图
Fig.7Comparison of the first principal stress before and after
demolding in winter
第10期赵坪锐，等：基于早期温度应力的道床板施工方式2087
冬季施工时，拆模前后第1主应力对比云图如图7所示。

拆模前，道床板混凝土第1主应力的拉应力主要位于轨枕底部靠外侧区域。

拆模后，道床两侧无约束，道床板混凝土横向受拉，第1主应力主要分布于轨枕内外侧边缘。

由此可得，模具对混凝土温度分布影响不明显，但由于模具约束与支撑作用，一定程度上影响了道床混凝土应力分布。

3道床板不同位置开裂可能性分析
水化热和气温对道床不同位置的应力影响程度不同，新旧混凝土的粘接面以及混凝土自身的物态和弹模增长也影响着道床板应力[14]。

分析在不同浇筑温度下同一位置道床应力的变化，深入地了解温度和水化热对道床板不同位置应力的影响程度，选取双块式轨枕中间下方(C点)、无砟道床侧边(D 点)、轨枕内侧边(E点)和轨枕外侧边(G点)4个代表性测点进行应力分析，如图8所示。

拆模前，道床板侧边D点以受压为主，拆模后以受拉为主，其应力值变化规律与浇筑温度和气温变化相同。

双块式轨枕下方C点，第1主应力值随浇筑温度的增加而增加，C点拆模之前应力高于拆模后，夏季施工时，其第1主应力在48h内已接近混凝土的抗拉强度。

(a)C点；(b)D点；(c)E点；(d)G点
图8各监测点应力变化曲线
Fig.8Changing curves of each monitoring point
轨枕内侧E点和轨枕外侧G点的应力拆模前以受压为主，并随着浇筑温度的升高而增大，拆模后，E点应力随浇筑温度的升高而减小，G点应力随浇筑温度升高而增大；轨枕下侧F点与C点类似，拆模前应力高于拆模后，夏季施工时，第1主应力在48h内已经很接近混凝土抗拉强度，因此，在道床板混凝土初期养护时应考虑到轨枕下方道床混凝土的养护。

轨枕外侧G点在拆模之后其拉应力已经超过了混凝土抗拉强度，夏季施工时，道床板混凝土在浇筑后第4天仍然超出了抗拉强度，因此随着
铁道科学与工程学报2017年10月2088
浇筑气温的升高，拆模时间应适当推迟，在浇筑后72h内，应适当洒水以降低水化热的影响。

4合理浇筑时机探讨
不同浇筑时刻对轨道结构温度场影响也不相同，不同的浇筑时刻，轨道结构在浇筑初期的应力
大小不同。

图9不同浇筑时刻各监测点应力变化曲线
Fig.9Changing curves of stress of each monitoring point in
different pouring time
从图9可以看出，在所选4种浇筑时刻，道床板混凝土应力波动幅值不大，而混凝土抗拉强度随时间的延长而增长，时间越长，混凝土抗拉强度就越高，因此最佳浇筑时刻可用不同浇筑时刻所达到各自第1个应力峰值的时间来判断。

由C点浇筑后应力对比可知，傍晚19时浇筑道床板混凝土时，C 点在20h后达到了第1个应力最大值，在上午7时浇筑道床板混凝土时，C点在10h后达到了第1个应力最大值。

由此可以得出，在所选4个浇筑时刻中，傍晚19时为最佳浇筑时刻；道床板侧面(D点)的第1主应力由大到小依次为凌晨1时、早晨7时、中午13时、傍晚19时，傍晚19时浇筑时，侧面D 点所受应力最小，19时为所选的4个浇筑时刻中的最佳浇筑时刻。

5合理拆模时机探讨
道床板不同位置水化热和气温对应力的影响不同，除了温度的影响外，影响道床板应力的因素主要是新旧混凝土的黏接面、道床混凝土自身的结
构和混凝土强度增长。

(a)D点；(b)E点；(c)G点
图10不同季节施工时各监测点应力变化曲线Fig.10Changing curves of stress of each monitoring point in
different construction season
图10为同一位置在不同浇筑季节的应力变化以及混凝土强度增长曲线，从图中可以看出，道床
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板侧面D点的应力随着浇筑温度的升高应力也随之增大。

夏季施工时，在浇筑后30h左右，D点应力将高于混凝土的抗拉强度，可能会引起混凝土开裂。

B和C点位于道床板内部，受水化热影响较大，浇筑温度的增加其第1主应力值也随之增加，但气温对其影响较小，应力水平不高，并不会引起开裂。

轨枕内侧E点50h的应力值已非常接近混凝土抗拉强度，不同季节的气温影响明显，气温越高，应力越低。

轨枕下侧应力值相对而言变化不大。

轨枕外侧应力随浇筑温度升高而增大，且受气温影响明显，其位置为新旧混凝土交界面。

夏季施工时，96h的应力值已超过了混凝土抗拉强度，春秋和冬季施工时，72h内既有部分超过混凝土抗拉强度。

为了减缓轨枕外侧开裂，建议春秋季节施工时，拆模宜安排在3d后，夏季道床板混凝土浇筑施工时，拆模宜为4d后，以确保混凝土有时间达到足够的强度[15]。

6结论
1)在内部水化热和气温的共同作用下，现浇道床板内容易产生分布均匀的早期温度应力，内部温度应力主要受控于水化热，表面温度应力主要受控于环境温度，轨枕侧边应力水平较高，是容易产生早期温度裂缝的薄弱环节。

2)施工温度降低时，水化热释放减缓，但向外散热的速度更快，从而造成更大的不均匀温度分布，道床侧边和顶面容易产生裂纹。

3)比较而言，傍晚19时浇筑道床板混凝土，混凝土内部温度应力达到峰值的时间可适当延长，综合考虑弹性模量和抗拉强度的增长曲线，选择傍晚时分浇筑混凝土有助于控制温度裂缝的产生。

4)钢模对于轨道结构有一定的支撑和约束作用，为减少温度裂缝的出现，建议温度较低时拆模至少为3d后，浇筑温度较高时，拆模应为4d后。

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