李敏霞， 張桂榮， 趙 飛

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043;2.華北電力大學 能源與環(huán)境研究院，北京 102206)

0 引言

軌道是高速鐵路和客運專線的重要組成部分，為滿足高速鐵路高安全性和高舒適性的要求，無砟軌道技術(shù)在客運專線的施工中得到了廣泛的應(yīng)用，并必將成為我國客運專線的發(fā)展方向。目前正在建設(shè)的京滬客運專線高速鐵路采用了CRTSⅡ型無砟軌道系統(tǒng)，為了保證在軌枕生產(chǎn)時具有較高的效率和質(zhì)量，對軌道板的養(yǎng)護技術(shù)進行研究是非常必要的。

1 軌道板養(yǎng)護制度

養(yǎng)護的主要控制參數(shù)有:升溫時間和升溫速度、恒溫時間和恒溫溫度、降溫時間和降溫速度。當混凝土制品的外形尺寸、原料性能、混凝土配合比及其他工藝條件一定時，養(yǎng)護工藝是決定混凝土性能及制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。根據(jù)混凝土的特性，經(jīng)過大量試驗研究，本系統(tǒng)的養(yǎng)護流程包括的四個階段:預養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫［1］，如圖 1 所示。

混凝土灌注入模前需將模板溫度控制在20～30℃之間，混凝土入模溫度在5～30℃之間，在軌道板澆筑完畢混凝土初凝并起出側(cè)模板后，應(yīng)及時在混凝土表面覆蓋帆布養(yǎng)護，預養(yǎng)期溫度為5～30℃，恒溫期溫度不超過55℃。降溫結(jié)束脫模時，軌道板溫度與環(huán)境溫度溫差不應(yīng)大于15℃，在混凝土灌注完成16 h(冬季一般延長，需要18 h左右)，只有試件強度達到48 MPa以上時，才可撤掉帆布，養(yǎng)護結(jié)束，出養(yǎng)護坑后還需保濕至少3 d。

圖1 蒸養(yǎng)制度

2 管道設(shè)計

養(yǎng)護系統(tǒng)的熱媒采用的是95℃/70℃的熱水，考慮到以下幾點原因沒有使用蒸汽:

(1)高壓蒸汽沿途凝結(jié)水排除不暢時，系統(tǒng)內(nèi)水擊嚴重。

(2)散熱設(shè)備內(nèi)蒸汽壓力高，因而散熱表面溫度高。易燙傷人和燒焦散落在上邊的有機灰塵，產(chǎn)生刺鼻的氣味，安全條件和衛(wèi)生條件較差。

(3)凝結(jié)水的溫度高。凝結(jié)水管和凝結(jié)水箱中均可能有二次汽存在。因而凝結(jié)水管徑較大，要求有凝結(jié)水降溫，二次汽利用措施，設(shè)備多、管理更復雜。凝結(jié)水送回設(shè)備復雜。

整個管線布置因為要考慮到混凝土入模前應(yīng)該達到的溫度，混凝土澆筑溫度，靜止溫度、脫模溫度等，所以必須設(shè)置電磁閥對此區(qū)間內(nèi)的養(yǎng)護進行分時段控制。同時為了使整個養(yǎng)護系統(tǒng)內(nèi)散熱均勻，采用同程式系統(tǒng)。

3 軌道板蒸汽養(yǎng)護有限元分析

混凝土蒸汽養(yǎng)護指的是在混凝土澆筑后的初期，在凝結(jié)硬化過程中進行溫度和濕度的控制，以利于混凝土獲得設(shè)計所要求的物理力學性能。采用蒸汽養(yǎng)護技術(shù)能夠有效地預防混凝土出現(xiàn)較大溫差，避免產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力和裂縫;為強度發(fā)展提供良好的熱濕環(huán)境，縮短了強度發(fā)展所必須的時間，加快了施工進度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時提高了模具及其他設(shè)備的利用率，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益［2］。養(yǎng)護過程中混凝土水化放熱會形成瞬態(tài)溫度場，通過建立熱瞬態(tài)分析的有限元模型，能夠真實地模擬混凝土水化放熱的全過程溫度場和實際熱邊界條件，從而實現(xiàn)對混凝土軌道板養(yǎng)護溫度場的數(shù)值仿真分析，為進一步優(yōu)化混凝土的蒸汽養(yǎng)護制度保證混凝土構(gòu)件質(zhì)量提供依據(jù)。

3.1 有限元模型的建立

軌道板在整個軸向方向上截面都相同，同時可近似認為在軸向方向無溫度梯度，因此可以建立軌道板截面的二維模型。有限元仿真模型根據(jù)軌道板設(shè)計圖按原幾何尺寸建立，由Thermal Solid元素類型中的Quad 4node55單元組成，該單元可作為一個具有二維溫度傳導能力的平面或軸對稱單元使用，具有四個節(jié)點，每個節(jié)點只有一個溫度自由度，可用于二維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析問題［3］。此外，如果包含熱單元的模型還需要進行結(jié)構(gòu)分析或受力分析，該單元可被一個等效的單元結(jié)構(gòu)(如PLANE42)所代替。

3.2 物性參數(shù)的確定

影響軌道板溫度場的主要因素包括混凝土構(gòu)件的熱力學參數(shù)、水化生成熱特點以及結(jié)構(gòu)的初始條件和邊界條件。其中混凝土的熱物理性能主要包括混凝土的導熱系數(shù)、比熱容等熱工參數(shù)?；炷翆嵯禂?shù)的影響因素很多，混凝土集料的品種及其用量、周圍介質(zhì)的溫度、混凝土的密度及其含水率等對它都有很大影響［4］;溫度變化1℃時，單位質(zhì)量混凝土所吸收或放出的熱量稱為混凝土比熱(J/kg·℃)，混凝土的比熱取決于周圍介質(zhì)的溫度、水灰比和集料品種及用量等，一般波動在840～1170 J/(kg·K)范圍內(nèi)。條件允許時，混凝土構(gòu)件的導熱系數(shù)和比熱都可以通過實驗測得，但由于室內(nèi)實驗的局限性，室內(nèi)實驗測得的混凝土熱物理系數(shù)與實際有較大出入，而且混凝土的熱物理系數(shù)影響因素較多，因此，在缺少實驗數(shù)據(jù)的情況下，可根據(jù)經(jīng)驗參考相關(guān)文獻選取參數(shù)［5］。對于客運專線鐵路高性能混凝土，參考文獻［5］，本文中混凝土導熱系數(shù)取3.2 W/(m·℃)，比熱取980 J/(kg·℃)，密度取2360 kg/m3。

3.3 邊界條件的確定

軌道板的養(yǎng)護是在模板內(nèi)完成的，其底部和側(cè)面分布有養(yǎng)護管道，頂部用帆布覆蓋。因此均以第一類邊界條件進行施加，頂部以實測室溫進行施加，其余各面均依據(jù)實測坑內(nèi)溫度進行溫度載荷施加［6］。

3.4 水化熱的計算

水化熱可在量熱器中直接測量，也可通過熔解熱間接計算。水化熱的計算對于構(gòu)件的溫度控制、防止混凝土表面產(chǎn)生裂縫、保證混凝土的強度及其他性能至關(guān)重要。關(guān)于水化熱的計算，曾提出過很多方法，如多元回歸經(jīng)驗公式等，其中對于混凝土養(yǎng)護時水化熱計算比較方便的是蘇聯(lián)沃茲涅辛斯基提出的經(jīng)驗公式。沃氏經(jīng)驗公式

式中，qc為單位質(zhì)量水泥放出的水化熱;M為普通水泥計算標號;W/C為水灰比;ε為度時參數(shù)。

經(jīng)上述沃氏經(jīng)驗公式計算后的水化放熱以生熱率載荷的形式施加。

已經(jīng)對水化熱的生成量進行過計算，但水化熱的釋放不是均勻進行的，還有其特定的釋放規(guī)律。本文采用朱伯芳院士［7］的復合指數(shù)式，其表達式為

式中，Q(t)為混凝土水化熱;Q0為最終水化熱;a，b為系數(shù)。

Q0和系數(shù)a，b應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工混凝土配合比通過試驗來確定，也可根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反推得到。粗略計算時可查混凝土特性表取值計算。水化熱是通過生熱率HGEN來施加的［8］。生熱率就是單位時間內(nèi)混凝土的生熱量，即所產(chǎn)生的熱量對時間的導數(shù)，其表達式為

式中，HGEN為混凝土水化生熱速率;Wc為單位體積混凝土水泥用量。由此可知生熱率的計算式為

水化熱的釋放可作為內(nèi)熱源來處理，加載時的載荷類型對應(yīng)為生熱率載荷。經(jīng)模擬得出軌道板養(yǎng)護的實時溫度場云圖，如圖2～圖5所示。

圖2 靜養(yǎng)初期溫度場云圖

圖3 靜養(yǎng)后期溫度場云圖

圖4 升溫階段溫度場云圖

圖5 恒溫階段溫度場云圖

3.5 溫度場分析

從模擬數(shù)據(jù)來看，混凝土澆筑后，養(yǎng)護期間各項指標都符合規(guī)范要求。軌道板表面和芯部溫差小于20℃，軌道板芯部溫度不超過55℃。

(1)預養(yǎng)階段(圖2、圖3)。在養(yǎng)護的初期，由于溫度較低水化熱生成量較小，由于從邊界傳入板體的熱量也較少，因此軌道板表層溫度低，預養(yǎng)后期芯部溫度由于預養(yǎng)期產(chǎn)生的水化熱而偏高，但整體溫差很小(在2℃以內(nèi))。

(2)升溫階段(圖4)。隨著養(yǎng)護溫度升高，底部與側(cè)面?zhèn)魅氚弩w的熱量逐漸增多，但頂部沒有布設(shè)養(yǎng)護管道，這時頂部空間溫度比板體溫度低，且內(nèi)部水化熱不易傳出，因此形成芯部溫度高，表層溫度低的云圖，但芯部與表層溫差在10℃以內(nèi)。

(3)恒溫階段(圖5)。隨著板體溫度的升高，水化熱的釋放速率增大，水化熱影響占主導。最高溫度44℃左右，從初始的15℃上升到最高溫度44℃左右，又要從44℃降至環(huán)境溫度，溫度變化比較大，引起的溫度應(yīng)力變化也很大，易產(chǎn)生溫度裂縫。所以在工程中對混凝土初始溫度和最高溫度以及內(nèi)外溫差進行控制，以防溫度裂縫的產(chǎn)生。

由此可以得出，在軌道板的養(yǎng)護過程中，板體的溫度場受到水化熱和養(yǎng)護溫度兩方面的影響，在靜養(yǎng)期和恒溫階段水化熱的影響占主導地位，而在升溫階段則受養(yǎng)護空間溫度影響較大。

環(huán)境溫度低時，尤其在冬季，軌道板上部加強保溫。環(huán)境溫度低于20℃。應(yīng)在帆布上再加蓋保溫層，材料推薦棉篷布。如條件允許，可在上部養(yǎng)護坑邊布置熱風機和熱輻射板，對軌道板上部空間加熱。

經(jīng)計算，軌道板芯部測點的溫度12 h后可達最大值44.64℃，與山東棗莊軌道廠冬季某實測的13 h后溫度達到峰值45.12℃吻合極佳。因此，建立的有限元分析模型能很好的仿真實際溫度場，為溫度控制提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對軌道板養(yǎng)護技術(shù)的養(yǎng)護制度和工藝流程設(shè)計，以及基于有限元分析法的養(yǎng)護過程的實時溫度場模擬，結(jié)果表明，采用合理的養(yǎng)護工藝和控制技術(shù)能夠較好的保證混凝土制品的質(zhì)量，采用有限元的方法對養(yǎng)護過程的溫度場進行模擬能夠較為準確的給出實時溫度場的分布云圖。

在溫度場的有限元分析的過程中，因為對實際條件進行了必要的簡化，如混凝土制品與外部邊界的熱量交換并沒有考慮輻射的作用，然而其又是現(xiàn)實存在的，因此會產(chǎn)生一定的誤差，在以后的工作中將進一步進行完善和優(yōu)化。

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