曾志斌

(1.高速鐵路系統(tǒng)試驗國家工程實驗室,北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

鐵路混凝土梁人行道由支架、欄桿(包括立柱和扶手)、步行板、電纜槽托架等組成，主要作為工務(wù)人員巡視檢查或養(yǎng)護(hù)維修的通道，以及維修施工時臨時堆放機(jī)具、道砟、軌枕或者鋼軌的場所。人行道還可為通訊線纜、信號線纜等提供支撐，其承受的荷載除自身重量外，主要是人群活載、施工機(jī)具活載、臨時堆載和風(fēng)活載。

傳統(tǒng)的人行道步行板采用普通鋼筋混凝土板，每年全路發(fā)生多起因劣化嚴(yán)重的混凝土步行板斷裂而引起的人身傷害事故。步行板作為鐵路橋梁上可更換的附屬設(shè)施，設(shè)計規(guī)范沒有規(guī)定其技術(shù)參數(shù)，也沒有相應(yīng)的檢查驗收標(biāo)準(zhǔn)。為了解決劣化嚴(yán)重的鋼筋混凝土步行板更換的難題，設(shè)備管理部門采取過各種措施，如直接以新制鋼筋混凝土板替換劣化嚴(yán)重的步行板，采用集中在構(gòu)件廠預(yù)制的方式保證制造質(zhì)量，但是這些措施沒有從根本上解決鋼筋混凝土板容易劣化的問題。近些年，橡膠步行板的使用越來越多，各種各樣的復(fù)合材料步行板也開始試用。如何選擇具有足夠承載力和耐久性、能夠保證人身安全的步行板，是設(shè)備管理部門迫切需要解決的難題。

1 人行道步行板的設(shè)計荷載和技術(shù)要求

1.1 設(shè)計荷載

按照我國現(xiàn)行TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》[1]，人行道步行板除了承受其自身重量外，有時用于放置軌枕、鋼軌、工具等，豎向靜活載取4 kPa；當(dāng)橋上走行檢查或維修小車時，豎向集中荷載取1.5 kN；在有砟橋面的人行道上考慮養(yǎng)護(hù)翻修道床時臨時堆放道砟的需要，規(guī)定離梁中心2.45 m范圍內(nèi)的人行道上臨時堆砟荷載為10 kPa。另外，還要考慮風(fēng)荷載。

1.2 技術(shù)要求

根據(jù)實際使用經(jīng)驗和教訓(xùn)，針對人行道步行板的技術(shù)要求提出以下建議：①在設(shè)計荷載作用下，步行板的強(qiáng)度(拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力)滿足材料的設(shè)計容許應(yīng)力要求。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計算裂縫寬度還要滿足設(shè)計要求。②當(dāng)人在步行板上行走時，步行板的撓度不能使人產(chǎn)生不安全感。我國現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]規(guī)定樓梯構(gòu)件的計算跨度l0<7 m時，撓度限值為l0/200(l0/250)，括號內(nèi)的數(shù)值適用于對撓度有較高要求的構(gòu)件。撓度限值的減小意味著成本的增加，撓度限值太小也沒有必要。建議人行道步行板的撓度限值為L/300(L為支架間距)。③若步行板由薄壁板件組成，則在荷載作用下板件不能發(fā)生局部失穩(wěn)。④步行板具有足夠的抗疲勞性能，即在人行活載反復(fù)作用下不致于發(fā)生疲勞破壞。疲勞試驗荷載幅值可取1.5 kN，循環(huán)次數(shù)可取10萬次。⑤步行板具有足夠的耐久性，使用壽命滿足設(shè)計要求。⑥步行板的吸水量必須小，即不能因吸水而增加自重，從而增大二期恒載。⑦步行板上表面須具有防滑功能，且具有足夠的硬度，防止尖銳物體損傷步行板。⑧步行板宜具有良好的阻燃性，即不燃燒。⑨為了防止步行板被風(fēng)掀翻，其必須有足夠自重，或者固定于支架之上。⑩方便檢查維修。

2 鋼筋混凝土步行板

按照我國現(xiàn)行TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法設(shè)計，計算強(qiáng)度時不考慮混凝土承受拉力(除主拉應(yīng)力檢算外)，拉力應(yīng)完全由鋼筋承受，計算裂縫寬度不應(yīng)大于0.15～0.20 mm。裂縫的存在意味著雨水可以滲透進(jìn)去，不僅會加劇混凝土出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)、掉塊、保護(hù)層剝離等劣化問題，而且會引起鋼筋腐蝕。當(dāng)鋼筋因腐蝕而導(dǎo)致截面削弱，其有效截面不能承受行人活載時，就會發(fā)生斷裂現(xiàn)象且近乎于脆性斷裂。

作為步行板的鋼筋混凝土板厚度只有5～8 cm，保護(hù)層厚度一般為2 cm，采用φ8～φ12鋼筋，極容易產(chǎn)生各種劣化現(xiàn)象，每年設(shè)備管理部門都要花費(fèi)大量人力和物力進(jìn)行檢查，但是檢查鋼筋腐蝕的難度很大。當(dāng)步行板劣化嚴(yán)重時須更換。

3 橡膠步行板

新型輕質(zhì)橡膠步行板以天然橡膠為主要原料，內(nèi)設(shè)螺紋鋼骨架，經(jīng)高溫混煉而成[4]。橡膠步行板與鋼支架之間采用螺栓連接。

橡膠是指具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大形變，除去外力后能恢復(fù)原狀。橡膠制品在使用過程中，容易受氧、臭氧、熱、光、水分、機(jī)械應(yīng)力等內(nèi)外因素的綜合作用而引起橡膠物理、化學(xué)特性和機(jī)械性能的逐步變壞，最后喪失使用價值，也就是老化，表現(xiàn)為表面龜裂、發(fā)黏、硬化、軟化、粉化、變色、長霉等。當(dāng)環(huán)境溫度較高時，橡膠步行板的彈性模量顯著減小，在人行荷載作用下的變形增大，使人產(chǎn)生不安全感。

4 復(fù)合材料步行板

4.1 復(fù)合材料簡介

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料。它既保留了原組分材料的主要特點，又顯示了原組分材料所沒有的新性能。復(fù)合材料最早用于軍事工業(yè)，此后隨著增強(qiáng)纖維、樹脂基體、成型工藝等技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料不僅在航空航天工業(yè)，而且在各種民用工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，成為重要的工程材料。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過纏繞、模壓、拉擠或真空灌注等成型工藝而形成的復(fù)合材料。增強(qiáng)纖維材料包括玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、芳綸纖維等，常用的是前2種。基體材料包括金屬基體材料、陶瓷基體材料和聚合物基體材料，其中聚合物基體材料包括不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等[5-7]。采用不同的基體材料、增強(qiáng)纖維材料和成型工藝，添加不同的輔助劑，能夠得到不同性能的復(fù)合材料制品。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有如下特點：①質(zhì)量輕，密度為1.8×103～2.1×103kg/m3；②比強(qiáng)度(縱向拉伸強(qiáng)度與其密度之比)高，比模量(縱向拉伸彈性模量與其密度之比)大；③材料性能和結(jié)構(gòu)形式具有可設(shè)計性；④抗腐蝕性能和耐久性能好；⑤線膨脹系數(shù)與混凝土相近，相容性好。

4.2 2類復(fù)合材料步行板

1)模壓成型復(fù)合材料步行板

模壓成型工藝是將一定量基體材料和增強(qiáng)纖維材料組成的預(yù)浸料放入到金屬模具的對模模腔中，利用帶熱源的壓機(jī)產(chǎn)生一定的溫度和壓力，合模后在一定的溫度和壓力作用下使預(yù)浸料在模腔內(nèi)受熱軟化、流動、充滿模腔成型和固化，從而獲得復(fù)合材料制品的一種工藝方法。模壓成型復(fù)合材料步行板一般以不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂為基體材料，以玻璃纖維或玄武巖纖維為增強(qiáng)材料，為了增加橫向強(qiáng)度可加入纖維氈。其結(jié)構(gòu)一般為開口形式，即沒有封閉的空腔。

這類復(fù)合材料步行板的制作過程受溫度、模壓壓力、模壓時間等因素的影響，即使步行板的原材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸完全相同，不同步行板的質(zhì)量也難以保持均一，同一步行板不同部位由于纖維含量不同物理和力學(xué)性能也不同。另外，設(shè)備投入較大，生產(chǎn)效率較低。

2)拉擠成型復(fù)合材料步行板

拉擠成型工藝是在牽引設(shè)備的牽引下，將連續(xù)纖維或其織物進(jìn)行樹脂浸潤并通過成型模具加熱使樹脂固化，生產(chǎn)復(fù)合材料型材的工藝方法。其屬于性能優(yōu)異且經(jīng)濟(jì)的型材生產(chǎn)方式，非常適合大批量生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料型材。

拉擠成型復(fù)合材料步行板以玻璃纖維或玄武巖纖維為增強(qiáng)材料，為了增加橫向強(qiáng)度可加入纖維氈?；w材料一般采用不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂。近年來，聚氨酯因具有韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優(yōu)點而進(jìn)入長期由不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂主宰的復(fù)合材料領(lǐng)域。聚氨酯拉擠復(fù)合材料制品具有低黏度、中度至高度反應(yīng)性、良好的沖擊強(qiáng)度和韌性以及剪切性能，可通過提高制品中玻璃纖維含量而使強(qiáng)度大大提高。

拉擠成型復(fù)合材料步行板的結(jié)構(gòu)為平板式、帶加勁肋的板式或者多室閉口形式。

4.3 幾個問題

1)作為增強(qiáng)材料的玻璃纖維按含堿量劃分為高堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維和無堿玻璃纖維，相互之間價格差異很大。含堿量越高，復(fù)合材料產(chǎn)品的耐久性越差，因此在生產(chǎn)復(fù)合材料步行板時須采用無堿玻璃纖維。

2)在復(fù)合材料步行板靠近下表面添加鋼絲。由于鋼絲的彈性模量為210 GPa，而復(fù)合材料的彈性模量往往小于50 GPa，在外荷載反復(fù)作用下，兩者由于變形不同而不能協(xié)調(diào)工作，黏結(jié)面容易破壞。另外，不管采用模壓成型還是采用拉擠成型，鋼絲在成品中很難固定于設(shè)計位置。

3)復(fù)合材料步行板采用不同復(fù)合材料型材或者復(fù)合材料型材與鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)而成。在外荷載反復(fù)作用下，步行板反復(fù)彎曲變形，黏結(jié)面容易因剪切疲勞而破壞。

4)復(fù)合材料步行板采用拉擠成型的多室閉口截面形式。一方面，為了形成空腔，模具的芯棒處于懸臂狀態(tài)，在連續(xù)拉擠生產(chǎn)過程中，芯棒會發(fā)生變形，造成內(nèi)壁厚薄不均勻，若太薄則在外荷載作用下有可能破壞，且難以檢查；另一方面，在連續(xù)生產(chǎn)過程中，若內(nèi)壁出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，則難以及時發(fā)現(xiàn)，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

5)如果采用模壓成型，或者以不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂為基體材料拉擠成型，在其中添加一些低成本的非必要成分則會顯著降低產(chǎn)品性能。如果采用纖維增強(qiáng)聚氨酯拉擠成型，聚氨酯的固化時間較短，以目前的技術(shù)水平在其中添加非必要成分的難度很大，則能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量。

6)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土步行板簡支擱置于鋼支架上，沒有冗余度，一旦斷裂就會發(fā)生人身傷害事故。建議采用連續(xù)板式結(jié)構(gòu)，即3～4個支架支撐1塊板，使其具有2～3個冗余度，增加安全性。

7)經(jīng)濟(jì)性。從目前步行板的制作成本分析，鋼筋混凝土板是最便宜的，橡膠步行板次之，復(fù)合材料步行板最貴。如果從全壽命周期成本分析，特別是涉及人身安全的問題時，復(fù)合材料步行板還是具備競爭力的。

5 結(jié)論

鐵路混凝土梁人行道步行板的使用狀態(tài)直接關(guān)系著工務(wù)人員的安全。綜合比較不同步行板的力學(xué)性能以及其生產(chǎn)和實際使用經(jīng)驗，推薦采用以聚氨酯為基體材料、以無堿連續(xù)玻璃纖維為增強(qiáng)材料、采用連續(xù)拉擠成型工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料步行板，結(jié)構(gòu)形式為平板式或者帶加勁肋的板式。采用在3～4個支架間連續(xù)鋪設(shè)，既能增加步行板的剛度，也能提高安全系數(shù)。