城市軌道交通預(yù)制鋼彈簧浮置板技術(shù)研究

劉雪鋒 楊 松 郭 驍 丁靜波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

地鐵在解決城市交通擁堵問題的同時,引發(fā)的負面影響與日俱增[1],其運營過程中產(chǎn)生的振動和噪聲隨鋪設(shè)里程的增加不斷蔓延,給人們的生活環(huán)境造成不良影響。因此,地鐵的減振降噪問題迫在眉睫[2]。軌道結(jié)構(gòu)作為地鐵車輛的直接載體,成為研究的焦點之一。鋼彈簧浮置板道床作為現(xiàn)有最高等級的軌道減振措施,引起越來越多研究者的關(guān)注[3]。隨著現(xiàn)澆鋼彈簧浮置板道床設(shè)計施工技術(shù)的日益成熟,提高其預(yù)制化率、優(yōu)化鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)成為軌道減振措施發(fā)展的主流方向[4-5]。

傳統(tǒng)的鋼彈簧浮置板采用現(xiàn)場綁扎鋼筋籠、現(xiàn)場澆筑混凝土的方式施工[6],存在施工效率低、作業(yè)環(huán)境差、施工質(zhì)量難以保證等問題。另外,單塊現(xiàn)澆板長25m,運營后難以更換,且現(xiàn)場混凝土作業(yè)多,不利于環(huán)境保護[7]。

預(yù)制鋼彈簧浮置板在保證減振水平的同時,可提高軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)精度和施工效率,美觀整潔,是現(xiàn)有鋼彈簧浮置板整體道床的首選結(jié)構(gòu)形式[8]。

(1)預(yù)制鋼彈簧浮置板為工廠預(yù)制構(gòu)件,承軌臺尺寸和軌枕間距精確,軌距穩(wěn)定可靠,配套使用CPⅢ測量技術(shù),軌道鋪設(shè)精度高,有利于消除初始不平順,提高乘坐舒適性[9]。

(2)預(yù)制鋼彈簧浮置板尺寸小,可通過軌排井下料,也可利用盾構(gòu)井下料,縮短了運輸距離,具有較好的施工便捷性。

(3)單塊預(yù)制鋼彈簧浮置板質(zhì)量小,通常情況下可在天窗時間內(nèi)完成更換,不影響正常運營。

(4)預(yù)制鋼彈簧浮置板美觀、整潔,可減少現(xiàn)場鋼筋籠綁扎和混凝土澆筑工作量,提高軌道結(jié)構(gòu)預(yù)制化程度,對于減少環(huán)境污染具有重要作用[10-11]。

預(yù)制鋼彈簧浮置板在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展迅速,在總結(jié)既有應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[12-14],從預(yù)制板型式尺寸、配筋設(shè)計等方面進行深入優(yōu)化,研究更為合理可靠的預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主要設(shè)計參數(shù)

為保證預(yù)制鋼彈簧浮置板的通用性,選取城市軌道交通軌道系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的鋼軌、扣件及相關(guān)技術(shù)參數(shù)開展研究,見表1。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

2.2 預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)型式尺寸設(shè)計

預(yù)制鋼彈簧浮置板型式尺寸設(shè)計從以下幾方面考慮。

①尺寸選取應(yīng)在滿足限界要求的基礎(chǔ)上留有適當?shù)挠嗔俊?/p>

②提高參振質(zhì)量可以消耗更多的能量進而提高減振效果,同時加長板長可以減少板之間的連接元件數(shù)量,增強結(jié)構(gòu)整體性[15]。

③當預(yù)制鋼彈簧浮置板鋪設(shè)在曲線地段時,考慮曲線矢距,板長不應(yīng)過長,以避免預(yù)制板中心線與線路中心線偏差過大。

④考慮施工便捷性,預(yù)制鋼彈簧浮置板質(zhì)量不應(yīng)過重,以避免增加運輸、吊裝、調(diào)整等施工工序的難度。

根據(jù)以上原則,結(jié)合既有設(shè)計經(jīng)驗,最終確定兩種板型尺寸。

①直線及曲線半徑≥500m曲線地段,浮置板尺寸為4.77m×2.7m×0.37m,質(zhì)量約為12.2t,結(jié)構(gòu)型式見圖1(a)。

②曲線半徑<500m曲線地段,浮置板尺寸為3.57m×2.7m×0.37m,質(zhì)量約為9.1t。結(jié)構(gòu)型式見圖1(b)。

圖1 預(yù)制鋼彈簧浮置板型式(單位:mm)

(2)板體結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)制鋼彈簧浮置板在工作過程中持續(xù)上下振動,故板體需要有足夠的強度。預(yù)制鋼彈簧浮置板采用C60混凝土,縱向采用φ16mm鋼筋,橫向采用φ16 mm和φ12mm鋼筋組合,在隔振器周圍設(shè)置抗裂鋼筋,預(yù)埋套管周圍設(shè)置螺旋筋,預(yù)制板端部設(shè)置加強筋,確保預(yù)制板強度滿足使用要求,見圖2。

圖2 預(yù)制鋼彈簧浮置板配筋(單位:mm)

(3)鋼彈簧隔振器布置

一般地段,鋼彈簧隔振器布置方案為縱向間距1200mm,橫向間距1860m。鋼彈簧浮置板與低于其減振級別的道床型式相接時,對隔振器橫縱向分別進行加密處理,以實現(xiàn)剛度過渡,過渡一側(cè)設(shè)置5對600mm間距隔振器,其中,第一對隔振器中間增設(shè)1對橫向加密隔振器,間距1100mm,見圖3。

圖3 過渡段隔振器布置(單位:mm)

(4)曲線地段調(diào)整方案

曲線地段,采用“以直代曲”的預(yù)制鋼彈簧浮置板設(shè)計方案及半矢距的調(diào)整原則,以板端起第2組承軌臺中心連線與預(yù)制板縱向中心線交點為每塊預(yù)制板的基準點,每塊預(yù)制板的2個基點均位于線路中心線上。如圖4所示,通過調(diào)整扣件實現(xiàn)軌距調(diào)整。

圖4 曲線地段扣件調(diào)整示意(單位:mm)

(5)雜散電流設(shè)計

道床鋼筋作為雜散電流的主收集網(wǎng),鋼筋截面積需滿足雜散電流排流需求,同時應(yīng)預(yù)留向外排流的接口。與雜散電流排流相關(guān)的鋼筋進行焊接處理,并在預(yù)制板四角預(yù)留4處連接端子,如圖5所示。

圖5 預(yù)制鋼彈簧浮置板雜散電流接口示意

3 理論計算

3.1 預(yù)制鋼彈簧浮置板配筋驗算

采用有限元方法建立預(yù)制鋼彈簧浮置板計算模型,分別計算自重作用下和列車荷載作用下浮置板的受力。

(1)有限元模型建立

建立3塊浮置板長度的有限元模型,列車荷載施加于第二塊浮置板中部,提取第二塊浮置板的應(yīng)力及彎矩。模型中鋼軌、浮置板、基底均采用實體單元模擬,材料參數(shù)見表2?？奂閆X-2型扣件,扣件靜剛度為35kN/mm。隧道基底采用彈性基礎(chǔ),地基模量為1200MPa/m。有限元模型見圖6、圖7。

圖6 預(yù)制鋼彈簧浮置板有限元模型

圖7 鋼軌-板-基礎(chǔ)-隧道有限元模型

表2 有限元模型參數(shù)匯總

(2)預(yù)制鋼彈簧浮置板受力計算

分別計算預(yù)制鋼彈簧浮置板在自重荷載和列車荷載作用下縱、橫向應(yīng)力,計算結(jié)果如表3所示,應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 自重荷載下浮置板應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖9 列車荷載下浮置板應(yīng)力云圖(單位:Pa)

表3 預(yù)制鋼彈簧浮置板應(yīng)力匯總 MPa

根據(jù)規(guī)范要求[16],按承載能力極限狀態(tài)計算配筋,按正常使用極限狀態(tài)檢算裂縫,對應(yīng)的荷載組合下浮置板設(shè)計彎矩如表4所示。

表4 預(yù)制鋼彈簧浮置板設(shè)計彎矩 kN·m

(3)配筋驗算

根據(jù)規(guī)范[17]中承載能力極限狀態(tài)計算方法對預(yù)制鋼彈簧浮置板進行配筋計算,浮置板橫截面底部所需配筋面積為4396mm2,頂部所需配筋面積為2198mm2;浮置板縱截面底部及頂部所需配筋面積均為3819mm2;浮置板裂縫寬度限值為0.233mm。經(jīng)計算,配筋及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

3.2 模態(tài)分析

為研究預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的頻譜特性及隧道結(jié)構(gòu)的影響,對預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)模型進行模態(tài)分析[18]。

(1)鋼軌-扣件-板-基底結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在不考慮隧道結(jié)構(gòu)的情況下,對預(yù)制鋼彈簧浮置板整體道床進行模態(tài)分析,第一階彎曲振動和第一階扭轉(zhuǎn)振動形態(tài)見圖10、圖11。

圖10 第一階彎曲振動

圖11 第一階扭轉(zhuǎn)振動

預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)第一階自振頻率為13.105Hz,為整個結(jié)構(gòu)的彎曲振動;發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動的第一階自振頻率為19.922Hz。從第五階彎曲振動開始,浮置板板體自身發(fā)生明顯彎折,自振頻率為31.931Hz,到達板自身的第一階彎曲模態(tài);從第三階扭轉(zhuǎn)振動開始,浮置板板體自身發(fā)生明顯扭轉(zhuǎn),自振頻率為34.623Hz,到達板自身的第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

(2)鋼軌-扣件-板-基底-隧道結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在考慮隧道結(jié)構(gòu)的情況下,對預(yù)制鋼彈簧浮置板整體道床進行模態(tài)分析,第一階彎曲振動和第一階扭轉(zhuǎn)振動形態(tài)見圖12、圖13。

圖12 第一階彎曲振動

圖13 第一階扭轉(zhuǎn)振動

分別提取兩種工況下前十階的彎曲振動模態(tài)和前六階的扭轉(zhuǎn)振動模態(tài),并對自振頻率進行對比分析,以驗證隧道結(jié)構(gòu)對浮置板振動形態(tài)的影響,如表5所示。

表5 預(yù)制鋼彈簧浮置板自振頻率及模態(tài)統(tǒng)計 Hz

不難看出,兩種工況下預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)低頻各階自振頻率相差較小,模態(tài)振型基本一致,因此,隧道結(jié)構(gòu)對預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和低頻各階自振頻率影響較小,不會改變軌道結(jié)構(gòu)的頻譜特性。

4 廠內(nèi)試制及檢驗

根據(jù)以上設(shè)計方案,制定了相關(guān)技術(shù)要求,并對預(yù)制鋼彈簧浮置板進行廠內(nèi)試制。

(1)預(yù)制鋼彈簧浮置板在工廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn),板內(nèi)預(yù)制件應(yīng)嚴格按照定位尺寸澆注于板體內(nèi)。

(2)板體長、寬、厚,隔振器外套筒位置,預(yù)埋套管位置,各部位平整度均應(yīng)符合設(shè)計要求。

(3)鋼筋、混凝土性能應(yīng)嚴格按照相關(guān)規(guī)范,混凝土保護層厚度為35～40mm,雜散電流排流用鋼筋應(yīng)焊接牢固。

(4)預(yù)制鋼彈簧浮置板可采用蒸汽養(yǎng)護,待達到混凝土立方體抗壓強度標準值75%后方可脫模,預(yù)制板脫模后保溫、保濕總時間不應(yīng)小于14d。

試制完成后進行產(chǎn)品性能檢驗,檢驗項目包括外觀檢驗、型式尺寸檢驗、靜載開裂檢驗、試件混凝土抗壓強度和檢驗、縱向電阻測試、疲勞試驗、預(yù)埋套管抗拔力檢驗等。

4.1 外觀檢驗

預(yù)制鋼彈簧浮置板表面應(yīng)密實、干整、光潔、顏色均勻,避免有露筋、蜂窩、孔洞、疏松、麻面、裂縫、起砂或起鼓、棱角破損等缺陷。經(jīng)檢驗,預(yù)制板的外觀符合設(shè)計要求,如圖14所示。

圖14 外觀檢驗

4.2 型式尺寸檢驗

型式尺寸檢驗包括預(yù)制鋼彈簧浮置板的長度、寬度、厚度、平整度、預(yù)埋套管位置等,經(jīng)檢驗各項型式尺寸均滿足設(shè)計要求,如圖15所示。

圖15 型式尺寸檢驗

4.3 靜載開裂試驗

靜載開裂檢驗中,對預(yù)制鋼彈簧浮置板按圖16、圖17要求進行加載,橫截面加載20kN,縱截面加載15kN,若浮置板縱橫向截面均無開裂,判定靜載開裂性能合格;若有2個截面開裂,則判定靜載開裂性能不合格;若有1個截面開裂,允許重新抽樣進行試驗;若無開裂,判定靜載抗裂性能合格;若仍有截面開裂,則判定靜載抗裂性能不合格[19]。經(jīng)檢驗,橫縱截面均無開裂,滿足設(shè)計要求,如圖18所示。

圖16 橫向加載示意(單位:mm)

圖17 縱向加載示意(單位:mm)

圖18 靜載開裂試驗

4.4 試件混凝土抗壓強度檢驗

生產(chǎn)過程中,取試樣制作混凝土抗壓強度試件,試件應(yīng)與預(yù)制鋼彈簧浮置板同條件成型和養(yǎng)護,試驗標準符合相關(guān)規(guī)范[20],經(jīng)檢驗,試件強度滿足設(shè)計要求,如圖19所示。

圖19 試件混凝土抗壓強度檢驗

4.5 雜散電流收集網(wǎng)縱向電阻測試

預(yù)制鋼彈簧浮置板主收集網(wǎng)鋼筋縱向電阻值應(yīng)滿足雜散電流設(shè)計要求(建議不大于3mΩ),經(jīng)檢驗,滿足設(shè)計要求,如圖20所示。

圖20 雜散電流收集網(wǎng)縱向電阻測試

4.6 預(yù)埋套管抗拔力檢驗

抽取1塊預(yù)制鋼彈簧浮置板,任選3個預(yù)埋套管進行抗拔力檢驗,若3個套管的抗拔力均不低于100kN,則判定為合格;若有1個預(yù)埋套管不能達到要求,可再選一塊重新檢驗,抗拔力均大于100kN,判定為合格;若再出現(xiàn)套管抗拔力低于100kN,則判定整批次不合格。經(jīng)檢驗,預(yù)埋套管抗拔力滿足設(shè)計要求,如圖21所示。

圖21 預(yù)埋套管抗拔力檢驗

4.7 疲勞試驗

抽取1塊預(yù)制鋼彈簧浮置板,在荷載60kN、支距1860mm的簡支狀態(tài)下(如圖22所示),經(jīng)200萬次疲勞試驗后,裂縫不應(yīng)大于0.2mm,經(jīng)檢驗疲勞試驗后未出現(xiàn)裂縫,滿足設(shè)計要求。

圖22 疲勞試驗示意(單位:mm)

按設(shè)計方案進行工廠試制并進行相應(yīng)試驗后,預(yù)制鋼彈簧浮置板各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求。

5 施工方案

根據(jù)預(yù)制鋼彈簧浮置板的結(jié)構(gòu)特點,提出與之匹配的施工流程,用于指導(dǎo)預(yù)制鋼彈簧浮置板整體道床施工。

(1)施工準備

技術(shù)準備→場地準備→崗前培訓(xùn)→施工勞動組織→機械設(shè)備及計量器具配置。

(2)控制網(wǎng)復(fù)測、基底加密基標放樣測量

控制網(wǎng)復(fù)測→道床中心線復(fù)測→基底加密基標放樣測量。

(3)預(yù)制鋼彈簧浮置板基底施工

結(jié)構(gòu)底板清理→基底鋼筋綁扎→基底模板安裝→基底混凝土澆筑→基底修整及清理。

(4)臨時走行線鋪設(shè)

基底施工完成后,鋪設(shè)浮置板臨時走行線路。

(5)預(yù)制鋼彈簧浮置板位置放樣測量

以軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)為基準對浮置板位置進行放樣測量。

(6)預(yù)制鋼彈簧浮置板鋪設(shè)

浮置板儲存→浮置板吊裝運輸→浮置板鋪設(shè)。

(7)扣件、鋼軌安裝

用過預(yù)制板內(nèi)預(yù)埋套管安裝軌道扣件及鋼軌。

(8)浮置板道床頂升

密封條安裝→隔振器安裝→浮置板頂升調(diào)試。

(9)浮置板附屬設(shè)施安裝

進行剪力鉸等附屬設(shè)備的安裝。

(10)軌道長軌精調(diào)

在鋼軌焊接、應(yīng)力放散和軌溫鎖定后,軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)復(fù)測完成的條件下進行長軌精調(diào)。

6 結(jié)論

預(yù)制鋼彈簧浮置板可解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼彈簧浮置板現(xiàn)場施工繁瑣、施工精度難以保證、施工質(zhì)量差、不具備可維修性等問題。在既有預(yù)制鋼彈簧浮置板應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對板型尺寸、結(jié)構(gòu)配筋、隔振器布置等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)受力分析及模態(tài)分析,驗證設(shè)計方案滿足要求。在理論計算的基礎(chǔ)上開展廠內(nèi)試制試驗,其外觀、型式尺寸、結(jié)構(gòu)強度、縱向電阻值、疲勞性能、預(yù)埋套管抗拔力等參數(shù)均滿足設(shè)計要求,可保證運營的安全性和可靠性。基于其產(chǎn)品精度高、施工便捷性高、預(yù)制化率高、可維修性高、美觀整潔等優(yōu)點,可在城市軌道交通中推廣使用。