北京市地鐵運營有限公司 李 曉北京交通大學 毛 軍

0 引言

地鐵在城市公共交通系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，安全可靠是對地鐵運營最基本的要求。地鐵在快速發(fā)展的同時，也存在諸多安全隱患[1]。例如，地鐵站臺軌行區(qū)上方的通風管路處于地鐵列車活塞風氣流中，長期受到氣流沖擊和振動的作用，可能出現風管吊架松動和風管脫落的現象，從而對列車行車安全構成嚴重威脅。另外，風管的吊架一般采用螺紋緊固件裝配連接方式，吊架與混凝土的連接采用膨脹螺栓。膨脹螺栓在混凝土圍巖內的穩(wěn)固性至關重要，若現場安裝不規(guī)范，易造成風管脫落甚至發(fā)生行車事故的不良后果。事實上，地鐵曾發(fā)生過數起軌頂風管及吊桿脫落事件，給地鐵列車和乘客人身安全帶來極大隱患[2-3]。例如，某地鐵連接圍巖與吊桿的膨脹螺栓失效，導致吊架整體松動并向下傾斜，與進站列車頂部發(fā)生碰撞，使列車迫停，造成沿線地鐵停運45 min，嚴重影響了交通出行。

由于風管受到水平交變氣流的作用，風管吊架受力呈現動態(tài)變化特點，僅依據靜力學性能難以準確判定其安全可靠性。因此，需掌握吊具的動態(tài)力學安全性能，確定膨脹螺栓預緊力并根據監(jiān)測結果進行必要修正。本文以北京地鐵軌頂風管支吊架為對象，通過試驗研究吊具的疲勞特性和連接特性，為提高地鐵軌頂風管及列車行車的安全可靠性提供依據。

1 地鐵軌頂風管和吊具安裝方式

現有軌頂風管安裝方式如圖1所示。既有吊架的構成是：豎桿由一端帶M10螺紋的圓鋼與90°鋼焊接而成，上端通過M12膨脹螺栓固定在圍巖頂部，下端通過M10螺母與橫梁6.3#槽鋼連接，風管直接置于橫梁上。在風管改造可行性研究中，擬采用雙管合一吊架方式。

圖1 某地鐵軌行區(qū)上方的通風風管安裝方式

按照新設計規(guī)范，吊架與圍巖之間宜采用擴底錨栓固定方式。而實際采用的是膨脹螺栓固定方式，吊架采用螺桿、螺母連接，在振動環(huán)境中可能松動，支、托、吊架等金屬件也存在疲勞破壞的可能。所以需要進行擴底錨栓、膨脹錨栓、吊架鏈接件、緊固件的力學性能試驗以確定其在運行過程中的穩(wěn)定性。

顯然，在地鐵運營線路現場難以進行風管吊具的動荷載測試和拉拔極限試驗，因此，需要對既有吊具及錨栓進行接近實際條件的試驗研究，以便為風管改造工程及今后新風管吊具設計提供數據支持。

2 試驗設計

2.1 試驗模型

試驗模型要求能夠客觀反映現場風管吊架的安裝情況。根據改造工程可行性報告，單件吊架的靜態(tài)荷載為591.74 kg。為提高試驗效率及對多種形式的吊具進行測試，設計加工了一套綜合試驗試樣。該試樣由4件吊架通過橫桿組合成一個整體，且采用不同的緊固方式(雙螺母、單螺母加彈性墊圈)，每件吊架的受力相等。試樣的總靜荷載為4×591.74 kg，即約2 400 kg?？紤]到加載便利性，以混凝土基礎代替圍巖，并將其固定在地面上，在試驗時對托架向上加載，使吊具的受力條件與實際情況一致。

試樣混凝土由C30混凝土和正常敷設的鋼筋澆筑而成，其尺寸和形狀根據試驗裝置的具體情況確定，長、寬、高分別為3.6、1.6、0.4 m，總質量約8 000 kg，足以保證其不受吊架受力加載的影響。各桿件、連接件的材料、尺寸、規(guī)格、連接方式等均與實際情況相同，詳細結構見圖2。

混凝土基礎上吊點支撐點的處理方式與現場情況相同。4件吊架分別采用與混凝土不同的連接方式：其中2件采用切底螺栓，另2件采用膨脹螺栓；2件采用角鋼與圓鋼桿焊接、角鋼固定在混凝土基礎上的方式，另2件采用槽鋼固定在混凝土基礎上、無需焊接的方式。加載鋼框采用鋼板焊接制成，鋼板厚度均為24 mm。

2.2 吊具型式

2.2.1吊架的2種形式

注：數值單位為mm。圖2 風管吊架與混凝土基礎及加載鋼框

根據北京地鐵現場情況，考慮到安全性和安裝維修的方便，設計了2種形式的吊架。一種是角鋼與圓鋼桿焊接在一起，角鋼固定在圍巖上，代號A型吊架；另一種是使用槽鋼，槽鋼無需與圓鋼桿焊接在一起，槽鋼固定在圍巖上，代號B型吊架。如圖3所示。

注：數值單位為mm。圖3 2種形式的風管吊架

2.2.2吊架與混凝土基礎連接的2種螺栓

根據北京地鐵現場情況和吊架安裝標準GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范》的要求，考慮到安全性和可維護性，使用普通膨脹螺栓和切底螺栓2種螺栓連接吊架與混凝土基礎，對連接情況進行試驗分析。

3 吊具模型疲勞試驗過程

3.1 試驗內容

如前所述，待測吊具包括4種形式：A型吊架+普通膨脹螺栓，A型吊架+切底螺栓；B型吊架+普通膨脹螺栓，B型吊架+切底螺栓。試驗內容主要包括：

1) 對不同形式的吊架進行循環(huán)加載次數達200萬次[4-5]的疲勞試驗，同時測試螺栓預緊力變化及其緊固件松動情況；

2) 對安裝在同一區(qū)域混凝土上的切底螺栓和膨脹螺栓進行拉拔試驗；

3) 采用靜力加載方式進行破壞性試驗，分別在最大、最小試驗荷載時進行測量。

通過試驗，分析吊架的動荷載變化規(guī)律，對比2種錨固螺栓的失效情況，為改造工程的設計、施工及緊固件維護提供參考建議。

3.2 動態(tài)加載裝置、加載方式及測點布置

3.2.1疲勞加載裝置

疲勞試驗在北京交通大學的結構試驗室進行。使用500 kN疲勞試驗機、伺服和靜力液壓加載頭等大型設備，配置先進的傳感器，動靜力信號檢測、記錄和數據分析儀器等。試驗裝置的總體布置情況如圖4所示。

圖4 風管吊架疲勞加載試驗裝置系統(tǒng)

裝置加載時，調節(jié)鋼框及螺栓預緊力使4件吊架的初始荷載相等，并以此為加載零點。

在實際工程中，空調送風使用厚度為25 mm的雙面彩鋼復合風管，回排風采用鍍鋅鋼板風管。所有吊架均采用熱鍍鋅型鋼、圓鋼，螺栓連接均采用雙螺母?？照{送風管吊架間距為1 200 mm，每隔3個普通吊架設置1個固定防晃吊架。軌頂回排風管吊架的間距為1 500 mm，每隔3個普通吊架設置1個固定防晃吊架，每件吊架的試驗靜荷載為591.74 kg。

3.2.2受力測點布置與動態(tài)加載情況

4件吊架的8根圓鋼吊桿的桿端設置有8個螺栓應變傳感器，編號為1#～8#，用于測定吊桿的實時受力；8個地腳螺栓的端頭亦安裝螺栓應變傳感器，編號為9#～16#，用于測定地腳螺栓在循環(huán)荷載作用下的預緊力。每個傳感器均經過了標定，如圖5所示。

圖5 測點傳感器設置情況

3.2.3動態(tài)加載方式

考慮到風管會受到列車活塞風氣流的作用，使得吊架在豎直方向上受到附加的豎向荷載，因此，最大動荷載在靜荷載的基礎上增加20%，動態(tài)加載的主要參數確定為：循環(huán)荷載為720 kg，加載頻率為5 Hz，循環(huán)次數為200萬次以上，采用多點等幅加載模式[6]。

加載作用力桿由螺栓固定在加載鋼框上，通過加載夾頭與作動器相連接，如圖4所示。2件“角鋼-圓鋼桿”吊架與2件“槽鋼-圓鋼桿”吊架的上端通過M10螺母與加載鋼框連接，下端則分別通過普通膨脹螺栓和切底螺栓與混凝土基礎相連。當作動器上、下往復運動時，吊架即受到交變振動荷載的作用，交變荷載按壓力-拉力交替作用的方式循環(huán)施加。因此，吊具亦受到受壓-受拉的交變作用力，其頻率為5 Hz。加載時，作動器的最大位移不超過±5 mm，最大荷載不超過10 kN和-5 kN。

4 疲勞加載試驗結果及其分析

疲勞試驗結束時，荷載循環(huán)累積次數為200萬次，疲勞試驗過程中，監(jiān)測吊桿和地腳螺栓的預警力變化及動態(tài)應力，然后在荷載循環(huán)累計次數達到200萬次后停機進行靜力加載(拉拔)試驗[7]。

4.1 疲勞試驗結果

在疲勞試驗過程中，根據加載的實際情況，將加載過程分成了6個時間段，分別對應4月1—6日。為捕捉疲勞失效的瞬態(tài)，數據采樣間隔設定為0.02 s，獲得了海量監(jiān)測數據，處理后得到時程曲線。開始試驗時，先進行力基準調零，并給每根吊桿施加一定的拉伸預緊力，一是為了使8根吊桿的動荷載基本均勻，二是使吊桿與實際情況相符合即吊桿不承受壓力。圖6、7顯示了吊桿及螺栓受力的部分時程曲線。

圖6 吊桿及螺栓的受力時程曲線(第1天，12.5 h以內)

4.2 試驗結果分析

由吊具受力的時程曲線可以看出，在200萬次的加載循環(huán)周期內，吊桿和螺栓的受力均處于安全值范圍內，保持正常工作狀態(tài)。

同時，在采樣間隔為0.02 s的監(jiān)測數據中，歸納了上述6個加載時間段內的受力極值(波峰、波谷的峰值)和最值(最大、最小值)，部分結果見表1、2。

表1 吊桿和地腳螺栓受力極值(4月1日)

表2 吊桿和地腳螺栓受力極值(4月6日)

可見，按照金屬構建疲勞試驗的相關規(guī)范，在循環(huán)加載200萬次、頻率為5 Hz的條件下，前述4種吊具均能承受實際風管的荷載。但試驗過程中，與混凝土基礎連接的形式，以角鋼-地腳螺栓固定方式為宜；槽鋼-地腳螺栓固定方式的槽鋼振動比較明顯。

5 靜態(tài)拉拔試驗結果及其分析

為了比較前述4種形式吊具的承載極限，進行了靜態(tài)拉拔破壞性試驗。采用線性加載方式，作動器位移線性增加，加載時間為0～473 s。圖8顯示了拉拔試驗的荷載時程變化曲線。

圖8 作動器荷載時程曲線(加載時間0～473 s)

圖8顯示：當作動器加載到第93秒，荷載達到-45 kN，有少數桿件失效；第246秒時，荷載為-112 kN，吊具完全失效；第246秒之后，作動器的荷載逐步減小至-38 kN。

圖9顯示了吊具的靜態(tài)極限破壞情況。

圖9 極限加載的吊具失效狀態(tài)

普通膨脹螺栓先于吊具發(fā)生失效，吊具先于切底螺栓發(fā)生失效；B型吊架槽鋼的變形程度高于A型吊架角鋼的變形程度；圓鋼與角鋼焊接的強度高于螺栓螺紋連接的強度；通過在實際操作過程中使用力矩扳手進行測試，螺栓的預緊力控制在40～43 N·m能滿足要求。

6 結論

1) 4種形式的吊具在正常荷載、200萬次循環(huán)的范圍內，其受力和變形均是安全的，但使用槽鋼與圍巖連接的方式，槽鋼的動態(tài)彈性變形和恢復過程比較明顯。

2) 切底螺栓的牢固程度遠高于普通膨脹螺栓；普通膨脹螺栓先于吊具發(fā)生失效，吊具先于切底螺栓發(fā)生失效。

3) B型吊架槽鋼的變形程度高于A型吊架角鋼；圓鋼與角鋼焊接的強度高于螺栓螺紋連接。

4)地鐵風管吊具的結構型式以A型吊架+切底螺栓為最優(yōu)。安裝時，螺栓的預緊力控制在40～43 N·m為宜。