魏 強(qiáng)

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

剪力齒槽是CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，在梁體施工過程中，需要澆筑成型和預(yù)埋連接鋼筋用的套筒。由于運(yùn)梁車通過時保護(hù)不好容易被壓壞，或者施工過程中操作不規(guī)范產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，對其缺陷處理要足夠重視。

1 剪力齒槽的作用機(jī)理和重要性

CRTSⅡ型板式無砟軌道的縱向力傳遞要綜合考慮軌—板—梁—墩的相互作用。溫度變化和列車荷載作用下，鋼軌和道床板之間通過扣件阻力相互作用，道床板和梁通過剪力齒槽和摩擦阻力相互作用，梁和橋墩通過支座相互作用。在梁板之間設(shè)置滑動層，使梁、板之間摩擦力減少并使梁板可以產(chǎn)生相對位移?！案≈谩庇诹好嬉陨系臒o砟軌道結(jié)構(gòu)可以通過扣件阻力達(dá)到協(xié)調(diào)變形、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。底座板通過剪力齒槽起到控制伸縮變形的作用，同時將無砟軌道產(chǎn)生的作用力傳遞到橋梁上。梁相對于底座板可以“自由”伸縮，對鋼軌和無砟道床產(chǎn)生附加力較小。底座板內(nèi)的縱向力，通過設(shè)置在固定支座處的剪力齒槽和固定的梁端直接傳遞到橋墩上。適當(dāng)增加橋墩的縱向剛度來抵抗縱向變形、減少鋼軌和無砟道床附加力;適當(dāng)增加底座板的剛度把縱向力在附近橋墩上進(jìn)行分散?？梢?，剪力齒槽在CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)起到的重要作用，是無砟軌道和橋梁之間相互作用的“紐帶”，同時是長橋上無砟軌道底座板的縱向限位裝置。

按照設(shè)計，底座板是CRTSⅡ型板式無砟軌道的主要受力結(jié)構(gòu)，按照兩端固定的拉壓桿件進(jìn)行設(shè)計檢算［1］，承受的縱向力主要包括溫度力(收縮力)和列車啟(制)動力。圖1是CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力示意圖，兩端約束為端刺結(jié)構(gòu)，中間約束為剪力齒槽。

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力示意

拉壓桿件在軸向力作用下，產(chǎn)生縱向伸縮變形，除了在橋臺背后設(shè)置端刺結(jié)構(gòu)外，橋上特別是長橋上在固定支座處梁端設(shè)置限位結(jié)構(gòu)(剪力齒槽)十分重要。如上所述，剪力齒槽通過剪力鋼筋和新舊混凝土結(jié)合把底座板與橋梁在固定支座處固結(jié)，傳遞縱向力和限制底座板位移。文獻(xiàn)［2］利用有限元方法分別計算了溫度力、制動力等縱向力作用下，多跨簡支梁上剪力齒槽的受力。一線制動荷載和溫度力作用下，剪力齒槽受力大于橋墩受力，并受底座板伸縮剛度和滑動摩擦系數(shù)影響較大，表明了剪力齒槽傳遞軌道縱向力并傳遞橋墩變形產(chǎn)生的軌道附加力。

2 剪力齒槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在剪力齒槽錨固區(qū)域，底座板與橋梁梁體通過剪力鋼筋和齒槽進(jìn)行固結(jié)［1，3］。不同的橋梁結(jié)構(gòu)具體設(shè)計不同，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)比普通簡支梁設(shè)計結(jié)構(gòu)要強(qiáng)。下面以32 m簡支梁為例介紹設(shè)計計算原理。

圖2是32 m簡支梁的剪力齒槽設(shè)計，設(shè)置在固定支座處的梁端，距離梁縫中心線1 536 mm。剪力齒槽設(shè)計三道耳墻和三道凹槽，靠近梁端的耳墻上頂寬360 mm，高度50 mm，與梁端粘貼的擠塑板等高。中間兩道耳墻為正梯形，上寬132 mm，下寬170 mm。凹槽形狀為倒梯形，上寬138 mm，下寬100 mm，深度為65 mm。在每道中間耳墻上設(shè)置φ28 mm的HRB335級鋼筋7根，共14根，鋼筋采用預(yù)埋方式在箱梁澆筑時埋入。在澆筑底座板混凝土?xí)r，需要提前安裝剪力釘(φ28 mm的HRB335級鋼筋)。剪力釘與預(yù)埋鋼筋通過連接套筒連接，連接套筒長度為2×1.5×28=84 mm，剪力釘擰入深度不得小于連接套筒長度的一半，即42 mm。設(shè)計要求鋼筋螺紋、連接套筒和連接接頭擰緊力矩以及相關(guān)抗疲勞性能要符合《滾軋直螺紋鋼筋連接接頭》(JG163—2004)和《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107—2003)的相關(guān)要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］中鐵科院提供的設(shè)計原理部分，京津城際鐵路設(shè)計主要進(jìn)行了錨筋檢算、鋸齒塊(以下稱耳墻)局部承壓檢算和抗沖剪力檢算。錨筋檢算簡化力學(xué)模型如圖3所示，認(rèn)為利用錨筋的抗拔力來抵抗縱向力，其前提是耳墻和底座板下突部分不被剪切破壞。并保證新舊混凝土在耳墻的斜面上不發(fā)生破壞，抗拔力與耳墻的斜面角度有關(guān)系，其關(guān)系式為

圖2 32 m簡支梁的剪力齒槽設(shè)計斷面(單位:mm)

其中，θ為斜面傾角。鋸齒塊(耳墻)局部承壓檢算主要利用縱向力產(chǎn)生的垂直耳墻斜面的力作用在耳墻的壓應(yīng)力，認(rèn)為小于容許壓應(yīng)力就可以通過檢算。

其中，θ為斜面傾角。根據(jù)式(1)和式(2)，實(shí)際上把縱向力分解為兩部分，一部分是垂直力，利用剪力釘?shù)目拱瘟淼挚?一部分是垂直耳墻斜面的力，利用混凝土的抗壓能力來抵抗。這種設(shè)計充分發(fā)揮了鋼筋抗拉和混凝土抗壓的性能，但是應(yīng)進(jìn)行耳墻混凝土的抗剪檢算。建議對耳墻混凝土進(jìn)行配筋設(shè)計，并加強(qiáng)底座板下凸塊的配筋設(shè)計，提高抗剪能力。同時底座板和剪力齒槽的新舊混凝土結(jié)合面要牢固，真正實(shí)現(xiàn)“固結(jié)”。

圖3 京津城際鐵路剪力齒槽受力示意

3 剪力齒槽質(zhì)量缺陷分析及處理

在施工中，由于對剪力齒槽重視程度不夠，造成質(zhì)量缺陷，或者保護(hù)不善，對已經(jīng)成型的剪力齒槽造成破壞，這些都會對Ⅱ型板式無砟軌道的使用安全產(chǎn)生影響。本文重點(diǎn)對施工中容易產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析。

3.1 耳墻混凝土質(zhì)量缺陷分析及處理

在梁面上成型剪力齒槽比較困難，一般采用組合鋼(木)模板或定型鋼模板。由于耳墻尺寸較小，造成搗固困難，使混凝土不密實(shí)，如圖4所示。另一缺陷是由于梁面收面時的混凝土澆筑在耳墻內(nèi)，或者搗固耳墻時未去除浮漿，使混凝土內(nèi)粗骨料減少。這兩種情況都會使混凝土齡期強(qiáng)度降低，在承受壓力時被壓碎而破壞。此時剪力釘通過抗拔力抵抗縱向力轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^剪切力來抵抗縱向力，剪切力比正常情況下的抗拔力增加1/tanθ，當(dāng)θ為11°時(京津城際鐵路的θ設(shè)計值)，將增加5倍。

圖4 耳墻混凝土不密實(shí)

還有一種常見的耳墻缺陷是由于運(yùn)梁機(jī)碾壓使耳墻掉塊、不完整(圖5)，造成耳墻受壓面積減少，承受壓力不足使耳墻破壞。特別是預(yù)埋剪力釘部位混凝土缺失，直接影響鋼筋的抗拔力，產(chǎn)生不良后果［4］。對于耳墻缺損、掉塊，現(xiàn)場一般采用兩種處理方式。一種處理方式是按照原耳墻尺寸進(jìn)行修補(bǔ)，另一種處理方式是不對耳墻進(jìn)行修補(bǔ)，缺損部分在底座板施工時一同澆筑。兩種處理方式的受力方式都是相同的，修補(bǔ)面處是受力破壞的主要部位，由原設(shè)計局部受壓轉(zhuǎn)化為接觸面受剪。出于混凝土整體施工質(zhì)量較好的考慮，建議采用后一種處理方式。但是應(yīng)進(jìn)行植筋處理，將壓力等效轉(zhuǎn)化為鋼筋剪力，同時要認(rèn)真進(jìn)行接觸面的處理。如果缺損部分低于原設(shè)計頂面高度較小，可采用對凹槽進(jìn)行鑿深的處理方式。

圖5 耳墻混凝土缺損

以上缺陷產(chǎn)生質(zhì)量問題的后果是相同的，都可能產(chǎn)生底座板縱向位移，影響無砟軌道的安全使用。

耳墻存在的另一個質(zhì)量缺陷是尺寸控制問題，特別是斜面坡度。從式(1)、式(2)可知，水平力的分解與坡面角度存在關(guān)系，坡面角度設(shè)置不當(dāng)直接影響錨筋抗拔力和混凝土壓力的分配?，F(xiàn)場施工應(yīng)使用定型的、符合設(shè)計要求的鋼模板，以控制整個齒槽的尺寸。

3.2 凹槽質(zhì)量缺陷分析及處理

凹槽質(zhì)量缺陷主要包括深度不足和混凝土不密實(shí)。由于采用槽型模板施工，凹槽處混凝土被模板蓋住，造成搗固困難。振搗中不能排除氣泡和去掉表面浮漿，致使該部位混凝土不密實(shí)、氣泡多、浮漿多(圖6)。處理不當(dāng)與底座板澆筑的混凝土結(jié)合時形成薄弱面，受縱向力作用易被剪切破壞。

圖6 凹槽及耳墻混凝土氣泡較多

凹槽深度不足產(chǎn)生的主要原因是在澆筑混凝土?xí)r對模板上浮控制不嚴(yán)，其產(chǎn)生的后果也使耳墻受壓面積減少，產(chǎn)生3.1中論述的后果。

凹槽模板的制作和加工質(zhì)量十分關(guān)鍵，在模板上應(yīng)采取一些排氣措施，同時建議考慮混凝土澆筑時上浮力的影響。加強(qiáng)模板加固措施的同時，盡量使凹槽深度富余一些。對于深度已經(jīng)不足成型的凹槽，應(yīng)人工鑿除至設(shè)計深度。

3.3 混凝土表面鑿毛不足的質(zhì)量缺陷分析及處理

在現(xiàn)場施工中，存在接觸面如圖7所示鑿毛過于簡單不符合要求的現(xiàn)象。按照相關(guān)的設(shè)計原理，如果混凝土表面鑿毛不足，特別是耳墻的斜面，造成該接觸面為滑動面，使底座板產(chǎn)生順斜面方向滑動的趨勢，從而增加錨筋的上拔力，一旦發(fā)生破壞，使軌道上拱，產(chǎn)生不良后果。

圖7 混凝土鑿毛不足

設(shè)計要求底座板與剪力齒槽固結(jié)，要求混凝土良好的結(jié)合，使剪力齒槽受力形式符合計算圖式的要求，保證新舊混凝土結(jié)合面不被剪切破壞。相關(guān)文獻(xiàn)表明［5］，新舊混凝土結(jié)合面的處理方式、粗糙程度和新混凝土配合比對黏結(jié)力影響較大，粗糙度越高，黏結(jié)力越大。所以應(yīng)對整個剪力齒槽進(jìn)行充分的鑿毛，圖8所示為鑿毛較好，鑿除了浮漿，鑿出了粗糙的混凝土面。同時建議，由于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計造成的必須間隔施工，應(yīng)該按照設(shè)計縫進(jìn)行處理。必要時進(jìn)行計算以滿足固結(jié)要求，符合設(shè)計中剪力齒槽的受力設(shè)想，或者提出新舊混凝土面結(jié)合措施，必要可以采取特殊處理。

圖8 混凝土鑿毛較好

3.4 剪力釘安裝產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷分析及處理

剪力釘安裝主要存在幾個方面的質(zhì)量缺陷:①預(yù)埋套管不進(jìn)行注油封蓋，長期被水浸泡，內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，筒內(nèi)螺紋被腐蝕失效;或者被異物填充，鑿除時破壞螺紋(圖9)。②剪力釘旋入困難時，直接砸入，破壞螺紋。③剪力釘安裝時旋入深度不夠或者力矩不夠。以上三點(diǎn)缺陷都導(dǎo)致錨固鋼筋的抗拔力以及抗疲勞性能降低，甚至失效。④剪力釘安裝不豎直(圖10)。由于按照設(shè)計剪力釘應(yīng)受到垂直向上的力，如果剪力釘安裝不順直，將產(chǎn)生旁彎變形的趨勢。即使考慮混凝土的約束作用，受到拉力時產(chǎn)生的附加彎距，也將產(chǎn)生附加應(yīng)力，使鋼筋內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力會有所增加。增加的幅度決定于鋼筋的傾斜角度，傾角越大，鋼筋受到的拉力越大。圖11和式(3)表明了傾斜鋼筋受到的拉力和設(shè)計抗拔力的關(guān)系。

式中，F(xiàn)′為傾斜鋼筋受到的拉力，F(xiàn)為設(shè)計抗拔力，α為鋼筋與豎直線的夾角。

圖9 預(yù)埋套管被混凝土堵住

圖10 剪力釘安裝傾斜

圖11 剪力釘傾斜受力分解示意

螺紋破壞在現(xiàn)場一般采用重新刻絲的工藝進(jìn)行處理。如果進(jìn)行重新刻絲，需要將原絲口磨平，這樣導(dǎo)致套筒內(nèi)徑增大、筒壁變薄，從而使鋼筋的抗拔力降低。所以，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的內(nèi)徑對剪力釘?shù)闹睆街匦逻M(jìn)行選配，并應(yīng)該降低經(jīng)過處理的錨筋設(shè)計抗拔力，損失部分通過植筋進(jìn)行補(bǔ)償。對于安裝不豎直的剪力釘，豎直抗拔力已經(jīng)降低，應(yīng)實(shí)際測量歪斜角度，計算損失的抗拔力，通過植筋進(jìn)行補(bǔ)償。

4 結(jié)語

通過剪力齒槽作用機(jī)理的分析表明，剪力齒槽是無砟軌道系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)之間傳力的“紐帶”，是橋梁上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)。施工中質(zhì)量控制難度大，一旦發(fā)生質(zhì)量缺陷，不但難以處理，而且可能改變原設(shè)計的受力狀態(tài)，應(yīng)該引起足夠重視。

［1］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)報告［R］.北京:鐵道部工程管理中心，2008.

［2］曹利.簡支梁橋上博格板式無砟軌道縱向力分析［D］.成都:西南交通大學(xué)碩士論文，2007.

［3］閻紅亮.京津城際鐵路無砟軌道設(shè)計綜述［J］.鐵道建筑，2008(增刊):10-15.

［4］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［5］袁群，趙國藩，趙志方.新老混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響因素分析［J］.人民黃河，2000，22(4):31-33.