彈性體伸縮縫在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

王樂(lè)然，牛斌

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

彈性體伸縮縫在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

王樂(lè)然，牛斌

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

通過(guò)對(duì)城市軌道交通高架橋常用梁型和跨度的混凝土簡(jiǎn)支梁梁間接縫變形的分析，結(jié)合國(guó)家軌道中心輕軌試驗(yàn)線U形和T形梁梁間接縫的防水密封工程，在理論和施工工藝上證實(shí)了TTXF型彈性體伸縮縫應(yīng)用于城市軌道交通高架橋梁接縫密封的可行性，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了3年的跟蹤調(diào)查，至今彈性體伸縮縫材料狀態(tài)良好，與混凝土梁粘接牢固，雨雪天氣未出現(xiàn)梁間接縫滲漏水現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果可為城市軌道交通混凝土高架橋梁端防排水工程提供參考和技術(shù)支撐。

城市軌道交通 橋梁 彈性體 伸縮縫

由于高架線路投資經(jīng)濟(jì)、施工快捷、運(yùn)營(yíng)成本低、線路適應(yīng)性良好，在城市軌道交通建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中以預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁為主要結(jié)構(gòu)。

工程實(shí)踐表明，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境長(zhǎng)期的使用過(guò)程中極易出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)、混凝土碳化、鋼筋電化學(xué)銹蝕、酸雨破壞、凍融循環(huán)等耐久性病害，這些病害的產(chǎn)生、發(fā)展均與水有關(guān)，因此采取有效的防排水措施是提高結(jié)構(gòu)耐久性、保證軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的重要手段［1］。我國(guó)地鐵相關(guān)規(guī)范規(guī)定:橋面應(yīng)設(shè)防水層;梁縫處應(yīng)設(shè)伸縮縫，伸縮縫除保證梁部能自由伸縮外，還應(yīng)有效防止橋面水滲漏［2］。我國(guó)高速鐵路普遍采用橡膠止水帶伸縮裝置［3］，但該裝置安裝、維修和更換困難，嚴(yán)重影響了裝置的使用壽命和防排水質(zhì)量。德國(guó)Maurer公司研制的Betoflex樹脂混凝土，將邊梁的錨固增加粘接工序，提高了施工質(zhì)量和減震降噪性能。日本的MS和SILICON系列密封膠已在日本高速鐵路橋梁防排水工程中得到了成功的應(yīng)用。硅酮密封膠早在上世紀(jì)八十年代就應(yīng)用于歐美的機(jī)場(chǎng)、公路等工程的大變形混凝土接縫密封［4］。CPU彈性體材料在我國(guó)高速鐵路橋梁接縫密封工程中已經(jīng)得到了成功應(yīng)用［5］。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析計(jì)算和工程實(shí)踐對(duì)軌道交通高架橋使用“非固定式”彈性體伸縮縫的可行性和適用性進(jìn)行了分析。

1 梁間接縫變形情況分析

我國(guó)的城市軌道交通，除了特殊區(qū)段外，高架橋梁的結(jié)構(gòu)形式也逐漸趨于統(tǒng)一，但目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)圖或通用圖。隨著城市軌道交通項(xiàng)目的持續(xù)開展，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位和設(shè)計(jì)單位從線路適應(yīng)性、受力性能、結(jié)構(gòu)變形、施工因素以及經(jīng)濟(jì)性等多方面對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、跨度進(jìn)行了比較選擇［6-8］。已開通運(yùn)營(yíng)的線路中，高架橋梁有箱形、并置T形、U形、空心板式以及下承脊式等多種梁型結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)支體系跨度一般在40 m以下，連續(xù)體系通常采用3×25 m和3×30 m兩種跨度組合。工程實(shí)踐和研究結(jié)論均顯示，30，25 m標(biāo)準(zhǔn)跨度的雙箱單室組合和單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱形結(jié)構(gòu)的綜合性能最優(yōu)，應(yīng)用最廣。城市軌道交通高架橋梁在受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式等方面與高速鐵路橋梁非常相似:①橋面均鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)，列車荷載相對(duì)公路汽車荷載較大，且不直接作用于梁部;②梁軌間相互作用導(dǎo)致梁部受力較為復(fù)雜;③線路平順性及行車的安全和舒適性較高，線路變形控制嚴(yán)格，橋梁上部及下部結(jié)構(gòu)剛度較大，基礎(chǔ)沉降小。

影響混凝土橋梁梁間接縫密封的因素有二期恒載、預(yù)應(yīng)力混凝土的收縮徐變、列車動(dòng)活載、整體溫度力以及列車引起的縱向力。二期恒載和預(yù)應(yīng)力混凝土的收縮徐變引起接縫的永久變形，屬于主力恒載;列車動(dòng)活載和整體溫度力引起接縫的動(dòng)態(tài)變形，屬于主力活載;縱向力屬于附加力，所引起的接縫變形不經(jīng)常發(fā)生。

城市軌道交通的列車荷載集度要遠(yuǎn)小于鐵路列車荷載集度，地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，城市軌道交通高架橋梁的設(shè)計(jì)荷載采用實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車荷載，常見車型的設(shè)計(jì)荷載分為A型、B型、C型3種(圖1)。

國(guó)內(nèi)有研究對(duì)A型、B型、C型車輛荷載與UIC設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果顯示，從荷載的靜動(dòng)效應(yīng)，同時(shí)考慮未來(lái)車輛的發(fā)展，0.6UIC荷載能夠替代目前城市軌道交通常用車輛設(shè)計(jì)荷載，并留有余量［9］。本文車輛荷載引起的梁間接縫的變形按照0.6UIC荷載進(jìn)行計(jì)算，梁縫寬度按照7 cm計(jì)算。

根據(jù)上述計(jì)算分析和規(guī)定，得出城市軌道交通高架線路常用跨度混凝土簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)接縫最大變形情況，見表1。其中主力恒載引起的接縫永久變形最大伸長(zhǎng)率為+24.76%，主力活載引起的動(dòng)態(tài)變形最大伸長(zhǎng)率分別為+4.09%(列車動(dòng)荷載)，+23.14%(溫度活載)，附加力荷載引起的最大伸長(zhǎng)率為+15.47%。相比高速鐵路混凝土簡(jiǎn)支梁梁間接縫變形，城市軌道交通高架橋梁梁間接縫的變形量與之基本相當(dāng)。為驗(yàn)證適用于高速鐵路混凝土橋梁梁間接縫密封的TTXF型彈性體伸縮縫在城市軌道交通領(lǐng)域的可行性和適用性，課題組于2011年10月份在位于北京東北五環(huán)的輕軌試驗(yàn)環(huán)線進(jìn)行了TTXF型彈性體伸縮縫安裝施工。

圖1 城市軌道交通車輛設(shè)計(jì)荷載

表1 城市軌道交通高架線路常用跨度簡(jiǎn)支梁橋接縫伸縮(率)統(tǒng)計(jì)

2 驗(yàn)證性應(yīng)用

國(guó)家輕軌試驗(yàn)線新建于中國(guó)鐵道科學(xué)研究院國(guó)家軌道試驗(yàn)中心，正線與既有大環(huán)試驗(yàn)線并行，線上有高架橋、隧道、小半徑曲線等各種形式的試驗(yàn)段。高架橋?yàn)閱尉€橋，位于城軌試驗(yàn)線的西側(cè)，設(shè)計(jì)里程為K7+ 573.351—K8+359.534，線路縱坡25‰～28‰，總長(zhǎng)約786 m，均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，共計(jì)54片29跨，其中30 m的T梁32片、25 m的T梁18片、25 m的U形梁4片。原設(shè)計(jì)梁間接縫使用C80，C100型耐腐合金止水帶伸縮縫，共計(jì)140.40 m。

為驗(yàn)證TTXF彈性體伸縮縫在城市軌道交通高架橋上的適用性，選定在U形梁和T形梁上使用彈性體伸縮縫替代原設(shè)計(jì)，梁間接縫分為U-U梁接縫、U-T梁接縫兩種，見圖2。彈性體伸縮縫安裝施工環(huán)境溫度為15℃。根據(jù)原設(shè)計(jì)，試驗(yàn)線上兩種梁型梁端均設(shè)有現(xiàn)澆擋水臺(tái)，因此將彈性體伸縮縫澆注于兩擋水臺(tái)之間，同時(shí)可根據(jù)需要在現(xiàn)澆擋水臺(tái)時(shí)預(yù)留槽口，以方便彈性體伸縮縫的安裝。

圖2 TTXF彈性體伸縮縫設(shè)計(jì)示意

主要施工步驟有混凝土基面處理、襯墊定位及安裝、底涂料涂刷、彈性體澆注、面涂料噴涂、擋水凸臺(tái)二次澆注以及過(guò)程中的覆蓋養(yǎng)護(hù)，詳述如下。

1)由于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留槽口尺寸較小導(dǎo)致表面混凝土出現(xiàn)蜂窩麻面，選擇使用手持式混凝土打磨設(shè)備進(jìn)行混凝土基面處理，將薄弱、疏松或破碎的表面混凝土清除，并清理表面的浮土、浮銹、脫模劑、油污等污物。

2)試驗(yàn)線上為分塊式軌道結(jié)構(gòu)，選擇實(shí)心PP棒材(直徑不小于20 cm)，作為彈性體伸縮縫的底襯材料，安裝時(shí)要求成形面平順、無(wú)接頭。安裝完成后，檢查襯墊的定位尺寸，預(yù)留空腔尺寸不得小于設(shè)計(jì)要求。

3)底涂料為本彈性體材料專用的界面處理劑，涂刷面應(yīng)均勻、不露底面、不堆積，并至少大于粘接面外輪廓，涂刷完成后覆蓋養(yǎng)護(hù)。

4)TTXF型彈性密封材料，由A，B組分在現(xiàn)場(chǎng)澆注機(jī)內(nèi)恒溫混合而成?；旌贤瓿珊螅蛇x擇人工或機(jī)械方式進(jìn)行澆注，澆注過(guò)程中避免帶入空氣，隨時(shí)注意除泡，配制好的液態(tài)密封材料應(yīng)在30 min用完，隨用隨配，保證澆注過(guò)程的連續(xù)性(圖3)。澆注完成后覆蓋養(yǎng)護(hù)，確保密封材料外觀的清潔、干燥。

圖3 TTXF彈性體伸縮縫澆注施工

5)澆注完成12 h以內(nèi)，且膠面不黏手時(shí)，進(jìn)行面涂料噴涂，噴涂完成后繼續(xù)覆蓋養(yǎng)護(hù)至材料實(shí)干，養(yǎng)護(hù)中避免水份、灰塵、雜質(zhì)落入，并防止機(jī)械損傷。

6)為保證橋面積水不在伸縮縫兩端漫流至橋下，可在彈性體實(shí)干后進(jìn)行擋水凸臺(tái)的二次澆注，凸臺(tái)高于伸縮縫表面2 cm。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家軌道中心輕軌試驗(yàn)線高架橋彈性體伸縮縫施工完成至今已近3年，課題組在冬夏季，雨雪天氣等特殊氣候條件下對(duì)彈性體伸縮縫的使用狀況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)伸縮縫在多種因素的共同作用下，在保證梁端長(zhǎng)期防水密封質(zhì)量的前提下完全可以滿足橋梁伸縮變形的要求，安裝施工和后期養(yǎng)護(hù)方便快捷，解決了目前常用的固定式伸縮裝置質(zhì)量受施工因素影響大，且安裝、維修不便，基本無(wú)法更換的實(shí)際困難，為城市軌道交通高架橋梁梁間接縫的防水密封提供了新技術(shù)和新材料。

［1］殷寧駿．高速橋梁的耐久性［J］．鐵道建筑，1997(7):9-12．

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB/T 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003．

［3］張軍．客運(yùn)專線橋面附屬設(shè)施設(shè)計(jì)研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(2):54-56．

［4］袁素蘭，盧麟，鄒百軍，等．低模量高伸長(zhǎng)率硅酮密封膠在混凝土接縫防水中的應(yīng)用［J］．城市道橋與防洪，2007 (5):65-68．

［5］牛斌．京滬高速鐵路橋梁彈性體伸縮縫應(yīng)用試驗(yàn)研究［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011．

［6］姚亞茹．軌道交通高架區(qū)間橋梁形式比選與經(jīng)濟(jì)比較［J］．鐵路工程造價(jià)管理，2006，26(2):41-44．

［7］曹玉忠，柳學(xué)發(fā)．城市軌道交通高架橋特點(diǎn)與設(shè)計(jì)對(duì)策［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(8):60-63．

［8］方昌福，胡京濤，陳罄超．城市軌道交通高架線的設(shè)計(jì)研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(5):91-96．

［9］徐志發(fā)．城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)活載圖式研究［J］．交通科技，2010(2):94-96．

Study on application of elastomer expansion joints in structures of urban transit system

WANG Leran，NIU Bin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he article mainly analysed the deformation between adjacent concrete simply-supported bridge spans in urban rail traffic，and focused on engineering application of T T XF elastomer expansion joint in light-rail testing line in which there were U-type Beam and T-type Beam．T he effect had been tracked for 3 years．T he results showed that the elastomer material of bridge expansion joints had been in good condition，and it attached to the concrete girders tightly without leakages in rainy or snowy days．T he T T XF elastomer expansion joint applied in bridge joints seals in urban rail traffic proved feasible and it can provide technical support for the similar engineering．

Urban rail traffic;Bridge;Elastomer;Expansion joint

U443.31

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．02

1003-1995(2015)04-0006-03

(責(zé)任審編周彥彥)

2014-09-10;

2015-01-15

王樂(lè)然(1979—)，男，河北獻(xiàn)縣人，助理研究員，碩士。