城市軌道交通預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計

段玉振 ，吳建忠 ，劉 觀 ，陳應(yīng)東

（1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；4. 中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，成都 610031）

目前城市軌道交通的車場線庫內(nèi)立柱式檢查坑的立柱大多采用現(xiàn)澆混凝土立柱方案，少數(shù)采用鋼結(jié)構(gòu)立柱或者預(yù)制混凝土小立柱結(jié)構(gòu)，存在施工作業(yè)環(huán)節(jié)多、施工精度不易控制、施工進(jìn)度緩慢、施工質(zhì)量不易控制等問題[1]，難以滿足城市軌道交通施工工期、施工精度、美觀性等要求。車輛段檢查坑立柱數(shù)量巨大、施工周期長[2]，立柱需要準(zhǔn)確定位才能保證檢修線軌道的相關(guān)幾何尺寸精度。檢查坑立柱的快速準(zhǔn)確施工對于滿足車輛段的實(shí)際建設(shè)及運(yùn)營使用影響很大，開展對目前立柱式檢查坑結(jié)構(gòu)存在問題的調(diào)研分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)制生產(chǎn)、安裝施工及造價等方面系統(tǒng)地優(yōu)化比選與研究十分必要。

鑒于此，研發(fā)了一種城市軌道交通用預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)，專門用于立柱式檢查坑軌道，由傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配化。

1 各種立柱式檢查坑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

1.1 現(xiàn)澆混凝土立柱方案

現(xiàn)澆混凝土立柱方案軌道結(jié)構(gòu)一般是現(xiàn)場綁扎鋼筋后灌注混凝土，其結(jié)構(gòu)高度一般有兩種：一種軌道結(jié)構(gòu)高度為500 mm，土建單位負(fù)責(zé)軌面500 mm以下的立柱施工，并在立柱頂面預(yù)留鋼筋，軌道施工單位負(fù)責(zé)軌面下500 mm范圍內(nèi)的立柱施工。此種方案的結(jié)構(gòu)立柱需要兩家施工單位共同配合完成，盡管軌道施工范圍內(nèi)精度易保證，但立柱需要兩次澆筑，整體性及美觀性較差。另一種軌道結(jié)構(gòu)高度為190 mm，土建單位負(fù)責(zé)整根立柱的施工，軌道專業(yè)負(fù)責(zé)軌道設(shè)備。此種方案立柱一次澆筑，整體性及美觀性較好，但土建和鋪軌單位共同配合施工，增加了一定的施工配合難度[3-4]?，F(xiàn)澆混凝土立柱現(xiàn)場施工見圖1。

圖1 現(xiàn)澆混凝土立柱方案示意Figure 1 Cast-in-place concrete column

現(xiàn)澆混凝土立柱方案一般采用架軌法施工，將施工誤差消除在立柱中。首先綁扎結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及立柱鋼筋，再用鋼軌支承架將鋼軌架好，吊裝好扣件及尼龍?zhí)坠?，依?jù)鋪軌基標(biāo)調(diào)整好鋼軌方向、高低及軌距，然后灌注立柱混凝土。

現(xiàn)澆混凝土立柱方案是目前城市軌道交通庫內(nèi)線采用最多的一種結(jié)構(gòu)，方案成熟、應(yīng)用廣泛、造價低，但存在如下問題：①庫內(nèi)立柱數(shù)量較大，立柱現(xiàn)場綁扎鋼筋工作量大，耗時長；②支?，F(xiàn)澆空間狹小，混凝土難以振搗密實(shí)，尤其鋼軌底部，導(dǎo)致實(shí)際承載力偏低；③需土建(澆筑立柱)和鋪軌單位(架軌)共同配合施工，增加了施工配合難度；④現(xiàn)澆立柱表面粗糙，精度差、不美觀；⑤軌道尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋精度及承軌面平整度較差；⑥土建施工誤差控制不好時，易產(chǎn)生水平誤差大、立柱嚴(yán)重偏斜、鋼軌安裝困難、豎向誤差大、現(xiàn)澆混凝土破碎等情況。

1.2 鋼立柱方案

鋼立柱方案主要特點(diǎn)是將立柱的材質(zhì)改為鋼結(jié)構(gòu)柱，柱子的頂面焊接承軌的平臺。從下至上依次包含混凝土條形基礎(chǔ)、定位鋼板、連接部件和預(yù)制鋼立柱、軌道設(shè)備。鋼立柱方案見圖2。

圖2 鋼立柱方案示意Figure 2 Steel column scheme

鋼立柱方案的主要施工方法：清潔土建基礎(chǔ)表面、扶正結(jié)構(gòu)預(yù)留門型筋→架軌→安裝扣件和鋼立柱→調(diào)軌并固定鋼軌→澆筑鋼立柱下方的條形混凝土基礎(chǔ)。也有條形基礎(chǔ)的施工方案，定位鋼板由土建預(yù)埋，軌道專業(yè)負(fù)責(zé)定位鋼板以上范圍安裝。

鋼立柱方案主要優(yōu)點(diǎn)有：①采用混凝土條形基礎(chǔ)、錨固鋼筋(或螺栓)、預(yù)制鋼立柱，使得軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)減少，勞動強(qiáng)度降低，施工效率高、美觀性佳等優(yōu)點(diǎn)；②通過使用與該結(jié)構(gòu)配套的自上而下的施工工法，使得該類軌道結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可實(shí)施性，且施工精度易于保證。

鋼立柱方案主要存在的問題有：①保證軌道精度前提下，柱腳螺栓預(yù)埋精度較難保證；②鋼結(jié)構(gòu)后期維護(hù)成本大；③造價高。

1.3 預(yù)制混凝土小立柱方案

預(yù)制混凝土小立柱方案主要特點(diǎn)是將現(xiàn)澆的鋼筋混凝土立柱工廠預(yù)制，再通過特殊工藝將柱底與基礎(chǔ)連接。預(yù)制混凝小立柱柱腳連接方式主要有4種：①鋼套筒(內(nèi)螺紋)，逆向安裝施工；②柱腳預(yù)留鋼筋，預(yù)制立柱預(yù)留鋼筋孔后澆做法；③柱腳杯口式連接；④柱腳預(yù)埋螺栓連接。目前主要采用第一種連接形式。預(yù)制小立柱現(xiàn)場施工見圖3。

圖3 預(yù)制小立柱方案示意Figure 3 Precast small column scheme

預(yù)制小立柱方案的主要施工方法：土建綁扎立柱下部基礎(chǔ)鋼筋籠→架軌→安裝扣件和預(yù)制混凝土立柱→將鋼筋一頭擰進(jìn)立柱底部的鋼套管中，另外一頭與土建下部基礎(chǔ)鋼筋籠綁扎在一起→土建澆筑下部基礎(chǔ)混凝土。

預(yù)制混凝土小立柱的主要優(yōu)點(diǎn)有：基本上解決了原來現(xiàn)澆方案不美觀、精度不高的問題。其主要存在問題有：只對小立柱做了預(yù)制，施工時依然需要采用自上而下的施工工序，依然依賴土建的施工精度，施工工序更加復(fù)雜。

1.4 預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)方案

鑒于以上各種立柱檢查坑地段軌道方案存在的問題，研究設(shè)計出一種軌道交通立柱檢查坑地段用預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)方案，以克服上述缺陷。預(yù)制H型板柱組合結(jié)構(gòu)，將立柱式檢查坑結(jié)構(gòu)中的立柱及下部基礎(chǔ)結(jié)合在一起，統(tǒng)一在工廠預(yù)制，代替目前的現(xiàn)場澆筑立柱及柱下基礎(chǔ)板，從而實(shí)現(xiàn)立柱式檢查坑預(yù)制裝配化。該結(jié)構(gòu)具有施工工序簡單、勞動強(qiáng)度低，施工精度易控制、施工效率高、美觀性好等特點(diǎn)，能很好地解決現(xiàn)澆立柱存在的施工效果差、施工速度慢、勞動力投入多強(qiáng)度大等問題。

預(yù)制 H型板柱組合結(jié)構(gòu)主要施工方法：土建施工素混凝土墊層→吊裝預(yù)制H型板柱組合結(jié)構(gòu)至墊層上→架板→對板進(jìn)行精調(diào)及固定→澆筑預(yù)制板柱下的填充調(diào)整層→安裝扣件及鋼軌。預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)示意Figure 4 Prefabricated H-shaped slab-pillar combined track

預(yù)制H型板柱組合軌道的優(yōu)點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)：①工廠化預(yù)制制作精度高，滿足軌道安裝精度要求；②對土建基礎(chǔ)底板的精度要求較低，軌道安裝不依賴土建的施工精度，有利于安裝工程與土建部分的結(jié)合，提高了整體施工質(zhì)量；③該預(yù)制板柱全部在工廠里制作，可以提前預(yù)制，現(xiàn)場檢查坑的鋼筋安裝量大幅減少，有效提高整體施工進(jìn)度，且能減少現(xiàn)場工序交叉施工帶來的安全風(fēng)險；④預(yù)制板柱全部采用C50混凝土，工廠化集中制作，施工質(zhì)量控制較好，特別是立柱的施工質(zhì)量比現(xiàn)場澆筑的質(zhì)量更高，成品外觀質(zhì)量好，施工現(xiàn)場整潔有序，整體提高了施工質(zhì)量和現(xiàn)場文明施工標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)制H型板柱組合裝配式軌道存在的問題：質(zhì)量較重，需要配備特殊起重安裝設(shè)備；異型結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸存放相對復(fù)雜。

1.5 各種立柱式檢查坑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)

本節(jié)從常規(guī)現(xiàn)澆混凝土立柱方案、鋼立柱方案、預(yù)制混凝土小立柱方案及預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計、施工便利性、施工精度控制、施工質(zhì)量控制及工程造價等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的比選分析。為了便于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造價計算時軌道高度統(tǒng)一按預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)高度計算，即軌面下1 850 mm。具體分析見表1。

表1 各種立柱方案對比分析Table 1 Comparative analysis of various column schemes

2 預(yù)制板柱組合軌道結(jié)構(gòu)方案

2.1 預(yù)制H型板柱組合軌道受力分析

2.1.1 計算參數(shù)的選取及評價指標(biāo)

1) 材料屬性參數(shù)。鋼軌直接承受車輪荷載并將荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)，本次主要對預(yù)制構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗拔力、吊裝荷載及運(yùn)輸荷載進(jìn)行驗(yàn)算。采用梁單元對鋼軌進(jìn)行建模。鋼軌采用50 kg/m型號工字軌，扣件采用 DJK5-1型扣件，豎向靜剛度為35×106N/m，橫向剛度取 50×106N/m，縱向剛度為11×106N/m。扣件的作用是將鋼軌上的力傳遞到預(yù)制板柱組合結(jié)構(gòu)上，因此用彈簧模擬。

預(yù)制板柱組合結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度等級為C50。按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，C50混凝土泊松比取0.2，密度為2 500 kg/m3，線膨脹系數(shù)為1×10-6，彈性模量為3.45×1010Pa[5]。路基承受軌道板的荷載產(chǎn)生變形，根據(jù)Winker地基理論，地基每單位面積上承受的壓力與地基沉陷成正比，地基上某一點(diǎn)的沉陷取決于作用于該點(diǎn)上的壓力，而與鄰近的地基無關(guān)。該假設(shè)偏于安全且易于計算，故將地基簡化為線性彈簧處理。而由于本預(yù)制板柱組合結(jié)構(gòu)澆筑于一層混凝土支撐層上，混凝土剛度較大，故其豎向剛度按照《客運(yùn)專線無砟軌道設(shè)計理論與方法》地基系數(shù)取1 200 MPa/m[6]。

2) 列車荷載。機(jī)車車輛采用 A型地鐵車輛，庫內(nèi)車速按全自動駕駛工況最大為25 km/h考慮，軸重取16 t。因?yàn)锳型車車輛定距為15.7 m，遠(yuǎn)大于單塊軌道板長度2.35 m，相鄰轉(zhuǎn)向架的荷載傳遞效應(yīng)很小，因此本計算只考慮單個轉(zhuǎn)向架荷載，即兩軸荷載。

直線軌道上的垂直荷載考慮速度的影響，其計算公式為：Pd=(1+α)×Pj。式中Pd為作用于鋼軌上的車輪豎向動荷載(kN)，Pj為靜輪載(kN)，α為速度系數(shù)。

當(dāng)計算鋼軌下沉及軌下基礎(chǔ)各部件的荷載以及受力時，應(yīng)當(dāng)在上述公式計算后乘以0.75的折減系數(shù)[7]，故列車動荷載為：

Pd=(1+α)×Pj=(1+0.6×25×0.75/100)×80=89 kN。根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》，橫向荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：Qk=0.25×Pj=0.25×80=20 kN[8]，計算橫向加載時單軌承受荷載，另一軌不承受荷載。

3) 評價指標(biāo)。庫內(nèi)立柱主要承受壓力、剪力及抗拔力的影響。預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C50。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，預(yù)制板柱組合結(jié)構(gòu)最大允許壓應(yīng)力小于等于32.4 MPa，最大允許拉應(yīng)力小于等于2.64 MPa。

抗拔力計算主要影響尼龍?zhí)坠芘c四周混凝土的剪應(yīng)力。根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，可得C50混凝土的純剪容許應(yīng)力[τc]為1.55 MPa[9]。

2.1.2 計算模型

根據(jù)上文材料屬性及參數(shù)，利用有限元軟件ANSYS建立模型，鋼軌采用Beam188單元模擬，按實(shí)際截面屬性建模，可全面考慮縱、橫、垂向線位移及轉(zhuǎn)角?？奂捎脧椈蓡卧M，縱向、橫向和垂向均采用Combin14線性彈簧單元模擬，可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度，扣件間距為1.25 m。軌道板采用專門模擬鋼筋混凝土的solid65單元。有限元模型見圖5。

圖5 ANSYS有限元模型Figure 5 ANSYS finite element model

2.1.3 抗剪、抗壓強(qiáng)度及抗拔能力驗(yàn)算

1) 抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。在垂向荷載和橫向荷載的共同作用下，板柱組合結(jié)構(gòu)立柱與底板內(nèi)側(cè)相交處拉應(yīng)力最大，最大值為2.12 MPa，滿足規(guī)范要求的拉應(yīng)力限值2.64 MPa。應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 列車荷載作用下第一主應(yīng)力Figure 6 The first principal stress under train load

2) 抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。在垂向荷載和橫向荷載的共同作用下，板柱組合結(jié)構(gòu)柱與底板外側(cè)相交處壓應(yīng)力最大，最大值為3.85 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的壓應(yīng)力限值32.4 MPa。應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 列車荷載作用下第三主應(yīng)力Figure 7 The third principal stress under train load

3) 抗拔力驗(yàn)算。根據(jù)規(guī)范TB/T 2190-2013《混凝土枕》抗拔力實(shí)驗(yàn)要求，抗拔力最大值取60 kN[10]。套管加載60 kN荷載作用下，套筒周圍混凝土應(yīng)力最大1.32 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的限值1.55 MPa。此處的混凝土的純剪容許應(yīng)力是以混凝土的抗剪強(qiáng)度極限值除以相應(yīng)的安全系數(shù)而得出的指標(biāo)，且該規(guī)范中安全系數(shù)取值為 2，安全系數(shù)取值較大，富余量較多。應(yīng)力云圖見圖8。

圖8 套筒周圍混凝土受力Figure 8 Concrete force around the sleeve

2.1.4 吊裝及運(yùn)輸強(qiáng)度驗(yàn)算

預(yù)制結(jié)構(gòu)在吊裝和運(yùn)輸過程中受動力荷載影響，容易發(fā)生破壞。因此，應(yīng)對預(yù)制的軌道板吊裝以及運(yùn)輸時的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

吊裝時，將預(yù)制軌道板的8個吊點(diǎn)固定，并根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中 9.6.2條規(guī)定[5]，對軌道板施加1.5倍的重力。運(yùn)輸時將方木置于軌道板下方，同樣施加1.5倍的重力。

1) 吊裝強(qiáng)度驗(yàn)算。吊裝時板柱組合結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力最大的位置均在H型底板橫梁和縱梁的交接處，最大值分別為1.55 MPa與1.59 MPa，均滿足規(guī)范規(guī)定的限值。應(yīng)力云圖見圖9。

圖9 吊裝時板柱組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Figure 9 Stress cloud diagram of slab-column combined structure during hoisting

2) 運(yùn)輸強(qiáng)度驗(yàn)算。運(yùn)輸時板柱組合結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力位置在立柱與底板交接處，最大值為0.28 MPa，未超過規(guī)范規(guī)定的拉應(yīng)力限值2.64 MPa；最大壓應(yīng)力位置在工字型底座橫梁和縱梁的交接處，最大值為0.29 MPa，均超過規(guī)范規(guī)定的拉應(yīng)力限值32.4 MPa。應(yīng)力云圖見圖10。

3) 存放、運(yùn)輸和裝卸要求。①預(yù)制立柱成品應(yīng)按型號和生產(chǎn)批次分別存放，不合格預(yù)制立柱應(yīng)單獨(dú)存放；②預(yù)制立柱存放基礎(chǔ)應(yīng)堅(jiān)固平整；③預(yù)制立柱存放以平放為原則；④預(yù)制立柱存放和運(yùn)輸時，應(yīng)在預(yù)埋套管、起吊套管等處安裝相應(yīng)防護(hù)裝置；⑤預(yù)制立柱裝卸時應(yīng)利用起吊裝置水平緩慢起吊，使四角的起吊套管均勻受力；⑥預(yù)制立柱宜采用鐵路或公路運(yùn)輸，運(yùn)輸時應(yīng)保證預(yù)制立柱不受過大沖擊；⑦預(yù)制立柱在存放、裝卸及運(yùn)輸時不應(yīng)損傷。

2.2 預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段鋪設(shè)

為了驗(yàn)證預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)的各方面性能，建立了立柱檢查坑地段預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段，試鋪?zhàn)C明預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)美觀性較好，施工速度快、勞動強(qiáng)度小?，F(xiàn)場鋪設(shè)見圖11。

圖11 施工中的預(yù)制H型板柱組合結(jié)構(gòu)Figure 11 Prefabricated H-shaped slab-column combined structure under construction

雖然試驗(yàn)段整體效果還不錯，但存在一些需要優(yōu)化之處，如試驗(yàn)段板的尺寸較厚，立柱尺寸偏大，質(zhì)量較重，吊裝相對困難。目前已根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)在滿足結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下優(yōu)化了截面尺寸，優(yōu)化后預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)的尺寸小巧、外觀更加美觀，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)已開始在深圳16號線鋪設(shè)。

3 結(jié)語

預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)方案是在結(jié)合常規(guī)立柱檢查坑地段各種軌道結(jié)構(gòu)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上研發(fā)而成，旨在解決城市軌道交通車場線庫內(nèi)立柱檢查坑地段的結(jié)構(gòu)存在施工作業(yè)環(huán)節(jié)多、施工精度不易控制、施工進(jìn)度緩慢、難以滿足城市軌道交通施工工期、施工精度及美觀性等問題。相較于常規(guī)立柱檢查坑方案，預(yù)制H型板柱組合軌道結(jié)構(gòu)方案有簡化作業(yè)環(huán)節(jié)、降低勞動強(qiáng)度，提高施工精度、提升施工效率、增強(qiáng)其美觀性等特點(diǎn)，為后續(xù)解決庫內(nèi)立柱檢查坑地段的立柱相關(guān)問題提供了借鑒和參考。