轨道交通线路轨道板结构耐久性研究

城市公共交通中轨道交通系统的地位愈发凸显，对线路结构长期稳定性的要求也更高了，轨道板是轨道结构里的关键部分，其性能稳定程度和使用时长对列车运行的平稳性与安全性起着决定性影响，受复杂环境和频繁荷载的共同影响，轨道板往往会有裂缝延展、钢筋生锈及材料老化等问题，极大降低了整体结构的耐久性，该问题既提高了维护成本，还对运营安全造成危害，急需开展深入探究以找到优化途径。

一、轨道板结构耐久性基础理论与影响

（一）轨道板结构形式及工作原理

轨道板作为无砟轨道的关键承载部件，其主要类型有整体板式、双块式和分离式结构，CRTSⅡ型板式无砟轨道被普遍采用，由轨道板、底座板、道床板构成。轨道板约200mm 厚，采用C55 - C60 高性能混凝土，布置双向钢筋网，借由CA 砂浆层与底座粘结，达成荷载的逐级传递，列车轴载处于170 - 230 kN 范围以及温湿度变化产生的变形应力，需由结构本体协同承受，故而轨道板应具备良好的抗裂、抗疲劳和抗冲击性能，保障长期服役安全。

结构耐久性的定义与评价指标

轨道板结构耐久性意味着它在荷载和环境长期影响下保持结构性能及功能的能力，常用的评价指标有裂缝宽度[1]。这些指标可借助现场检测、实验加载和有限元模拟等方式综合评定，以评估并指导轨道板耐久性提升设计。

(Ξ) 影响轨道板耐久性的主要因素

轨道板耐久性受材料性能、环境侵蚀、荷载特征、施工质量和结构设计等关键因素左右，将高性能混凝土（C60 以上）和聚丙烯纤维配合起来，可高效控制收缩与开裂现象，HRB500E 钢筋搭配环氧涂层可提升抗腐蚀性能，高湿度、氯盐及冻融环境会促使结构加速劣化，列车高速运行产生的冲击荷载同样容易引发裂缝，施工时振捣与养护操作不当以及配筋量不足，都会削弱结构耐久性，缩短服役寿命。

二、轨道板结构耐久性退化机理研究与数值分析

（一）裂缝发展机制分析

轨道板裂缝产生大多是因为弯拉应力、温度梯度与收缩变形相互耦合造成的，车辆行驶会使板底承受拉力，倘若钢筋布置不恰当或混凝土强度不达标，会引发底部纵向裂缝产生；若温差变化大于 15^∘C ，上下表面会出现附加应力，很容易让板面形成网状裂缝；干缩致使混凝土体积减小，若遭受外部约束，同样会引发裂缝，在实际的工程项目里，某地铁线路轨道板服役半年后出现平均宽度达0.3 毫米的裂缝，裂缝成因是养护不到位和干缩应力释放不均衡。

碳化与钢筋锈蚀作用机理

混凝土碳化是 CO₂ 和 Ca(OH)₂发生反应生成 CaCO₃ ，造成混凝土碱性减弱，失去对钢筋的钝化保护效果，碳化速度一般约为每年2 毫米，受环境湿度、 CO₂ 浓度以及混凝土质量的综合影响，碳化深度一旦达到钢筋保护层厚度，钢筋与空气直接接触，尤其是处于氯盐环境，锈蚀反应会更剧烈，锈胀压力会造成保护层剥落、表层裂缝延展，最终形成贯通裂缝，损害结构耐久性。

（三）冻融循环与氯盐侵蚀作用

处于冻融环境时，混凝土孔隙内的水分持续交替结冰与融化，造成体积出现变化，容易产生微裂缝并扩展到结构表层，氯盐的侵蚀使混凝土的导电性和电化学腐蚀速率提高，推动钢筋加速腐蚀，北方寒冷地区，一年中混凝土冻融次数超100 次，研究表明此时混凝土质量损失率能达到 6% ，强度降低约 15% ，冻融损伤往往与氯盐侵蚀共同作用，构建起“冻融+腐蚀”耦合劣化机制，加快轨道板结构寿命的缩短。

（四）有限元数值模拟分析

借助ABAQUS 构建混凝土 - 钢筋复合模型，引入非线性本构关系与锈蚀膨胀应力，对钢筋腐蚀发展进程及其给结构应力场带来的影响进行模拟，结果表明：当钢筋锈蚀率达到 10% ，结构整体刚度降低约 12% ，裂缝宽度增幅超 30% ，且应力重分布特征显著，参数化研究表明，将混凝土等级提升至C60 以上、把保护层厚度增加到 35mm ，把配筋率维持在 0.35% 上下，能让裂缝出现时间推迟3 - 5 年，使结构服役寿命得以延长，证实了优化设计在延缓结构退化方面意义重大。

三、轨道板结构耐久性提升对策与工程应用

(-) 材料层面的优化设计

挑选C60 - C70 等级高性能混凝土，添加占比10%～15%的硅灰和粉煤灰，来增强混凝土的密实性、抗渗性和抗碳化能力；同时添加 0.9kg/m^′ ³的聚丙烯纤维，能大幅提升早期塑性收缩性能，防止微裂缝形成，增强整体耐久性。选择钢筋时，推荐选用HRB500E 精轧螺纹钢或像SUS304 这类耐腐蚀性能出色的不锈钢筋，且在其表面涂覆厚度不低于 150μm 的环氧树脂涂层，可有效抑制氯离子渗透与碳化侵蚀所引发的锈胀破坏，面对高腐蚀环境，像海港、盐碱地和地下高湿度空间，可用FRP 筋替换传统钢筋，其不导电、耐腐蚀特性可大幅增强结构的自身耐久性能。

（二）结构设计与构造改进

轨道板结构设计要以增强抗裂性和延缓退化为目的，纵向钢筋配筋率宜控制在 0.3%-0.4% ，横向钢筋间距控制为不超过 150mm ，以此增强整体受力均匀度和抗弯能力。在温差影响明显的区域，要设置诱导缝，让裂缝有序延伸，杜绝不规则裂缝肆意扩展[2]。在轨道板与底座板间增置EVA 滑动层，既能降低温度梯度产生的附加应力，还可消除施工误差引发的内力聚集，减轻约束边界对混凝土自由变形的束缚，锚固系统应当优化构造方式，通过采用柔性锚固结构来降低应力集中区裂缝扩展与疲劳破坏的可能性。

（三）施工工艺与质量控制

为确保轨道板施工质量达标，需借助自动布料系统以及激光辅助模板定位技术，增强施工精准度与连贯性。进行混凝土浇筑时要配置高频振捣装置，恰当控制振捣的时长和频率，杜绝混凝土产生离析、泌水以及蜂窝麻面等瑕疵，完成浇筑后，要即刻实施为期7 天的湿麻布结合洒水及保温膜的复合式养护措施，保证水化反应完全、表层不出现裂缝，增强早期强度与抗渗性，结构服役过程中倘若出现表面微小裂缝，需立刻运用环氧树脂低压灌浆进行修补，封堵渗透渠道，阻止水分和氯离子进入结构内部让劣化加剧。

（四）耐久性监测与维保策略

轨道板全寿命监测体系应囊括施工完成后至运营期的关键时段。在结构的易损处布置应变计、裂缝宽度传感器和湿度探头，能达成对结构内力、裂缝扩展以及环境变化的实时在线监控，构建可视化数据反馈平台[3]。整合人工巡检、地质雷达扫描以及红外成像等无损检测手段，对隐蔽缺陷开展阶段性补充评估，增强维护工作的精准度与前瞻性，依据裂缝宽度（像 0.2mm 阈值）、碳化深度以及锈蚀发展状况设置风险分级预警体系，预先规划维修方案。

总结：轨道板作为轨道交通线路的核心结构，其耐久性对线路的运营安全和使用寿命有着直接关联。剖析轨道板结构耐久性的关键影响因素，明晰其长期服役时的退化机制，融合数值模拟与工程实际，提出涵盖材料优化、结构改善、施工把控与健康监测的多维度提升途径，耐久性设计需贯穿轨道板整个生命周期，系统且前瞻地考量结构在复杂环境中的性能衰减，助力轨道交通基础设施达成高质量可持续发展。

参考文献

[1]段海滨,段玉振,陈鹏.城市轨道交通预制轨道板尺寸与线路线型适应性研究[J].城市轨道交通研究,2024,27(07):181-186.

[2]贺蕾铭.轨道交通地下工程混凝土结构耐久性问题的实践[J].工程技术研究,2021,6(03):168-169.

[3]俞海勇,刘朝,陈嘉敏.上海轨道交通混凝土结构耐久性控制及应用实践[J].隧道与轨道交通,2021,(S2):14-17