徐 紅,于 鵬,許正洪,張馨太,張高揚,怯延峰

(1.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 830026； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.銀龍軌道有限公司,天津 300134)

城市軌道交通活動斷層區(qū)域用寬枕板試制及試驗研究

徐 紅1,于 鵬2,許正洪3,張馨太1,張高揚2,怯延峰3

(1.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 830026； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.銀龍軌道有限公司,天津 300134)

烏魯木齊城市軌道交通1號線穿越活動斷層區(qū)域采用的寬枕板是一種新型軌道結(jié)構(gòu),為驗證寬枕板的制造、吊運及其力學(xué)特性滿足工程需求,對寬枕板進(jìn)行試制及試驗研究。按照先張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計寬枕板,并制定寬枕板試制工藝及型式尺寸檢驗要求,基于有限元分析方法確定靜載試驗的檢驗荷載并進(jìn)行寬枕板靜載抗裂試驗。結(jié)果表明：按照設(shè)計生產(chǎn)工藝制造的寬枕板,其制造誤差可以控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi),吊運方便且穩(wěn)定,可以滿足工程需求,其靜載抗裂特性可以滿足工程需求。

城市軌道交通；活動斷層；寬枕板；試制；靜載試驗；抗裂試驗

烏魯木齊市存在多條活動斷層，且部分?jǐn)鄬釉诎倌陜?nèi)具有活動性，在地質(zhì)構(gòu)造作用下可能會產(chǎn)生瞬時空間大變形[1]。在城市軌道交通穿越具有活動性的活動斷層時，為降低工程實施風(fēng)險，設(shè)計在結(jié)構(gòu)、防水、接觸網(wǎng)、軌道等方面均采取了工程措施，以便在活動斷層發(fā)生瞬時空間大變形時城市軌道交通工程可以快速、便捷修復(fù)。

有砟軌道道砟層是由散粒體道砟顆粒組成，在列車的動荷載作用下，道砟容易流動，造成軌面下沉和扭曲，破壞軌道的幾何形位。為了保證行車的安全性和舒適性，需要定期對道砟進(jìn)行搗固和恢復(fù)，這給工務(wù)維修增加了難度和工作量[2-3]。尤其在城市地鐵中，隧道內(nèi)施工空間狹小，維護(hù)不便，因此地鐵中一般采用無砟軌道。但是有砟軌道具有彈性好、能夠適應(yīng)較大變形以及出現(xiàn)問題后易修復(fù)的特點，聚氨酯固化道床是一種新型的軌道結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)溆杏许能壍篮蜔o砟軌道的優(yōu)點，可在有特定需求的區(qū)段鋪設(shè)[4-5]。無砟軌道中的板式軌道廣泛應(yīng)用于中國、日本、德國、意大利等國的高速鐵路中，是一種很有前景的軌道結(jié)構(gòu)形式[6]。板式軌道要求基礎(chǔ)堅實的特點決定它應(yīng)優(yōu)先應(yīng)用于隧道和高架橋區(qū)段，以及城市地鐵等[7]。烏魯木齊地鐵中需要面對軌道處于斷裂帶大變形區(qū)段瞬時變形量大的特點，因此本項目采用了寬枕板與聚氨酯固化道床相結(jié)合的方式，保證在大變形的情況下，能夠?qū)壍赖钠茐挠绊懣刂圃谳^小的范圍內(nèi)，并實現(xiàn)快速修復(fù)。

軌道采用的設(shè)防方案是采用寬枕板式固化道床，軌道結(jié)構(gòu)自上而下分別為鋼軌、扣件、寬枕板、聚氨酯固化道床等。寬枕板軌道橫向采用的是軌枕設(shè)計理念[8]，軌道板采用單向預(yù)應(yīng)力軌道板[9-10]，其橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，縱向設(shè)置普通鋼筋。為驗證寬枕板的力學(xué)特性滿足工程需求，需要對寬枕板進(jìn)行試制及試驗研究[11-12]。

1 寬枕板設(shè)計參數(shù)

寬枕板為單向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，長1.04 m、寬2.2 m、高0.2 m(承軌臺處0.23 m)。每塊板上布置2對承軌臺、4個灌注孔，板側(cè)面布置4個起吊、支撐用螺栓孔。

寬枕板橫向布置上下兩層共計14根1 570 MPa級φ9 mm的消除應(yīng)力鋼絲，端部設(shè)置有錨固板，以降低預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力傳遞長度，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力為1 020 MPa?？v向布置17根φ10 mm的HRB400級鋼筋。

寬枕板混凝土強(qiáng)度等級為C60級。寬枕板外形及配筋設(shè)計如圖1、圖2所示。

圖1 寬枕板平面(單位：mm)

圖2 寬枕板配筋

2 寬枕板試制

寬枕板試制工作主要包括準(zhǔn)備工作、鋼筋及預(yù)埋件安裝、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力放張、脫模、封錨砂漿施工等[13]。

寬枕板的試制應(yīng)首先對原材料進(jìn)行檢驗，并對振動臺、張拉臺座、千斤頂、鋼模板等工裝設(shè)備的工作性能、質(zhì)量進(jìn)行檢查[14]，確保原材料及所有工裝設(shè)備檢驗合格后方可進(jìn)行寬枕板試制。

在對試制工裝設(shè)備檢驗完成后，進(jìn)行鋼模板及鋼筋的安裝，并對鋼筋與預(yù)埋件位置偏差進(jìn)行檢驗、調(diào)整，確保鋼筋及預(yù)埋件的偏差滿足設(shè)計要求。鋼筋、預(yù)埋件安裝圖及鋼筋與預(yù)埋件位置偏差檢驗。鋼筋及預(yù)埋件位置偏差檢驗合格后，采用臺座法張拉預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力值采用雙控，以張拉力數(shù)值為主，系統(tǒng)伸長值作校核。預(yù)應(yīng)力施加應(yīng)均勻，并且控制張拉速率不應(yīng)大于4 kN/s，張拉力增至控制值時持荷時間不應(yīng)少于1 min。張拉完畢后澆筑C60級混凝土，并在振動臺上進(jìn)行振動、抹面。

振動密實后對寬枕板進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，以縮短寬枕板脫模時間。蒸汽養(yǎng)護(hù)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計的養(yǎng)護(hù)流程、溫度控制進(jìn)行，以免寬枕板內(nèi)部出現(xiàn)過大的溫度梯度，導(dǎo)致寬枕板出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。寬枕板蒸汽養(yǎng)護(hù)過程記錄如表1所示。

表1 寬枕板蒸汽養(yǎng)護(hù)控制記錄

蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋放張及脫模，并對寬枕板進(jìn)行外觀及型式尺寸檢驗，型式尺寸檢驗內(nèi)容如圖3所示。

圖3 寬枕板型式檢驗內(nèi)容

經(jīng)檢驗，寬枕板型式尺寸誤差均在設(shè)計公差范圍內(nèi)，可以進(jìn)行下一步試驗。

寬枕板外觀及型式尺寸檢驗合格后，對寬枕板進(jìn)行水養(yǎng)，養(yǎng)護(hù)時間72 h，水溫10 ℃。

為確保起吊孔不影響扣件預(yù)埋套管抗拔力，寬枕板左右兩側(cè)面設(shè)計的起吊、支撐用螺栓孔采用非對稱形式布置，見圖1。待寬枕板養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，在室內(nèi)進(jìn)行寬枕板的吊運測試，以驗證寬枕板在吊運過程中的穩(wěn)定性與可靠性是否滿足設(shè)計要求，確保起吊、支撐用螺栓孔的設(shè)計滿足工程需求。

根據(jù)上述各項檢驗結(jié)果，寬枕板的制造誤差可以控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，且其起吊、支撐用螺栓孔的設(shè)計可以滿足工程需求。

3 寬枕板靜載試驗研究

3.1 試驗條件及儀器設(shè)備

(1)試驗場地和工裝應(yīng)具有足夠的剛度、穩(wěn)定性和平整度。

(2)寬枕板靜載試驗應(yīng)在寬枕板張拉、澆筑混凝土完成28 d后進(jìn)行。

(3)寬枕板靜載試驗采用靜載試驗機(jī)或其他加載設(shè)備進(jìn)行[15]。試驗機(jī)的級別不得低于1級，示值相對誤差不得大于±1%；壓力傳感器的精度應(yīng)不低于C級，顯示儀表最小分度值不大于加載最大量值的1%，示值誤差應(yīng)為±1%F·S，加載用千斤頂校驗系數(shù)應(yīng)不大于1.05。

(4)用于觀察裂縫的普通放大鏡放大倍數(shù)不低于10倍，直徑不小于50 mm。

(5)測量支承跨度用鋼卷尺，其最小分度值應(yīng)不大于1 mm。

(6)試驗所用計量設(shè)備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經(jīng)法定計量檢定部門檢定合格，且在有效期內(nèi)使用。

3.2 試驗步驟

(1)寬枕板安裝就位后，用10倍放大鏡在寬枕板的上表面及兩側(cè)面進(jìn)行外觀檢查，并對初始缺陷進(jìn)行標(biāo)記。

(2)加載前應(yīng)對寬枕板的支承狀態(tài)進(jìn)行檢查，確認(rèn)支承狀態(tài)良好后方可加載。加載時各加載點宜同速、同步達(dá)到同一荷載值，加載速度應(yīng)均勻，且單點加載速率不大于0.5 kN/s。

(3)加載荷載至0.2倍的檢驗荷載時，穩(wěn)定壓力3 min，然后用放大鏡觀測受拉區(qū)裂縫開展情況[16]。如出現(xiàn)異常，則停止加載。

(4)如無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，則繼續(xù)加載至0.4、0.6、0.8倍及1.0倍檢驗荷載，并分別進(jìn)行受拉區(qū)裂縫開展情況的觀測。

3.3 試驗圖式

寬枕板靜載抗裂試驗加載圖式如圖4所示。

圖4 寬枕板靜載抗裂試驗加載圖示(單位：mm)

3.4 檢驗荷載

檢驗荷載是指在按設(shè)計的加載方式加載時，使寬枕板拉應(yīng)力達(dá)到0.7倍的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值時的荷載值。寬枕板檢驗荷載采用有限元方法經(jīng)逐步試算得出。

(1)模型參數(shù)

預(yù)應(yīng)力筋按設(shè)計采用1 570 MPa級φ9 mm的消除應(yīng)力鋼絲，張拉控制應(yīng)力取0.65fptk，即1 020 MPa。彈性模量Ep=2.05×105MPa；泊松比取0.3；密度取7 900 kg/m3。

混凝土為C60級，彈性模量Ec=3.65×104MPa；泊松比取0.2；密度取2 500 kg/m3。C60級混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為2.04 MPa，即檢驗荷載作用下寬枕板混凝土拉應(yīng)力極值取1.43 MPa。

(2)荷載取值

計算荷載初始值取10 kN，根據(jù)有限元計算結(jié)果以5 kN逐級遞增。

(3)模型簡化

為便于建模計算，對有限元模型進(jìn)行了如下簡化[17]：

①模型中沒有考慮承軌臺、預(yù)埋套管及灌注孔的影響；

②沒有考慮縱向箍筋的作用；

③預(yù)應(yīng)力傳遞長度為0。

根據(jù)以上參數(shù)及簡化原則，所建立的有限元模型及預(yù)應(yīng)力筋布置如圖5、圖6所示。

圖5 寬枕板模型

圖6 預(yù)應(yīng)力筋布置

(4)計算結(jié)果

根據(jù)模型加載方式，提取了每級荷載作用下寬枕板中心線上混凝土拉應(yīng)力(以拉為正)的分布情況，如圖7所示(以檢驗荷載等于40 kN為例)。

圖7 寬枕板中心線上混凝土應(yīng)力分布

各級荷載作用下寬枕板混凝土最大拉應(yīng)力(以拉為正)的計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 各級荷載下寬枕板混凝土最大拉應(yīng)力

由圖8可知：當(dāng)施加荷載在25 kN以下時，寬枕板混凝土在預(yù)應(yīng)力筋的作用下仍均處于受壓狀態(tài)；當(dāng)施加荷載在30 kN以上時，寬枕板跨中混凝土開始處于受拉狀態(tài)；當(dāng)荷載取40 kN時，混凝土最大拉應(yīng)力為1.44 MPa，與檢驗荷載下混凝土的應(yīng)力極值1.43 MPa相近，誤差僅為0.7%。

根據(jù)以上分析，本試驗中檢驗荷載取40 kN。

3.5 靜載試驗及結(jié)果

根據(jù)靜載試驗方法及計算得出的檢驗荷載，進(jìn)行寬枕板靜載抗裂試驗，寬枕板靜載抗裂試驗過程及結(jié)果分別如圖9及表2所示。

圖9 寬枕板靜載抗裂試驗

表2 寬枕板靜抗裂試驗結(jié)果記錄表

根據(jù)上述結(jié)果可以看出，寬枕板的靜載抗裂試驗滿足設(shè)計及工程需求。

4 結(jié)論

針對烏魯木齊城市軌道交通1號線穿越活動斷層區(qū)域所采用的寬枕板進(jìn)行了試制試驗及靜載抗裂試驗研究，結(jié)論如下。

(1)采用寬枕板與聚氨酯固化道床相結(jié)合的方式，可以較好地適應(yīng)活動斷裂帶區(qū)域軌道交通的需求。

(2)寬枕板的制造誤差可以控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，其吊運方便且穩(wěn)定，可以滿足工程需求。

(3)寬枕板的靜載抗裂性能可以滿足設(shè)計要求，按照設(shè)計的生產(chǎn)工藝制板可滿足工程需求。

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Trial Manufacture and Experimental Research of Broad Sleeper Slab in Active Fault Zone

XU Hong1, YU Peng2, XU Zheng-hong3, ZHANG Xin-tai, ZHANG Gao-yang2, KAI Yan-feng3

(1. Urumqi Urban Rail Group Co., Ltd., Urumqi 830026, China; 2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China; 3. Yinlong Rail Co., Ltd., Tianjin 300134, China)

The broad sleeper slab employed by Urban Rail Transit Line 1 of Urumqi in active fault zone is a new track structure. In order to verify the manufacture, hoisting, transportation as well as mechanical properties of the broad sleeper slab, trial manufacture and experimental research of the broad sleeper slab are carried out. The broad sleeper slab is designed on the basis of pre-tensioning structure, its trail manufacture method and dimension inspection requirements are established. The check load of static test is determined based on FE analysis method, and the static load test of broad sleeper slab is carried out. The results show that based on the production process of the broad sleeper slab, manufacturing error can be controlled within the allowance of design and the slab can be hoisted and transported easily and stably, which meet the requirement of engineering and the characteristics of crack resistance under static load also meet the requirement of engineering.

Urban rail transit; Active fault zone; Broad sleeper slab; Trial manufacture; Static load test; Crack resistance test

1004-2954(2018)01-0064-04

2017-03-21；

2017-04-10

新疆維吾爾自治區(qū)軟科學(xué)研究計劃(K52015042)

徐 紅(1970—)，女，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail:564997225@qq.com。

U213.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703210003