劉雪鋒 楊 松 郭 驍 丁靜波

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

地鐵在解決城市交通擁堵問題的同時(shí),引發(fā)的負(fù)面影響與日俱增[1],其運(yùn)營過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲隨鋪設(shè)里程的增加不斷蔓延,給人們的生活環(huán)境造成不良影響。因此,地鐵的減振降噪問題迫在眉睫[2]。軌道結(jié)構(gòu)作為地鐵車輛的直接載體,成為研究的焦點(diǎn)之一。鋼彈簧浮置板道床作為現(xiàn)有最高等級(jí)的軌道減振措施,引起越來越多研究者的關(guān)注[3]。隨著現(xiàn)澆鋼彈簧浮置板道床設(shè)計(jì)施工技術(shù)的日益成熟,提高其預(yù)制化率、優(yōu)化鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)成為軌道減振措施發(fā)展的主流方向[4-5]。

傳統(tǒng)的鋼彈簧浮置板采用現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋籠、現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的方式施工[6],存在施工效率低、作業(yè)環(huán)境差、施工質(zhì)量難以保證等問題。另外,單塊現(xiàn)澆板長25m,運(yùn)營后難以更換,且現(xiàn)場(chǎng)混凝土作業(yè)多,不利于環(huán)境保護(hù)[7]。

預(yù)制鋼彈簧浮置板在保證減振水平的同時(shí),可提高軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)精度和施工效率,美觀整潔,是現(xiàn)有鋼彈簧浮置板整體道床的首選結(jié)構(gòu)形式[8]。

(1)預(yù)制鋼彈簧浮置板為工廠預(yù)制構(gòu)件,承軌臺(tái)尺寸和軌枕間距精確,軌距穩(wěn)定可靠,配套使用CPⅢ測(cè)量技術(shù),軌道鋪設(shè)精度高,有利于消除初始不平順,提高乘坐舒適性[9]。

(2)預(yù)制鋼彈簧浮置板尺寸小,可通過軌排井下料,也可利用盾構(gòu)井下料,縮短了運(yùn)輸距離,具有較好的施工便捷性。

(3)單塊預(yù)制鋼彈簧浮置板質(zhì)量小,通常情況下可在天窗時(shí)間內(nèi)完成更換,不影響正常運(yùn)營。

(4)預(yù)制鋼彈簧浮置板美觀、整潔,可減少現(xiàn)場(chǎng)鋼筋籠綁扎和混凝土澆筑工作量,提高軌道結(jié)構(gòu)預(yù)制化程度,對(duì)于減少環(huán)境污染具有重要作用[10-11]。

預(yù)制鋼彈簧浮置板在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展迅速,在總結(jié)既有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[12-14],從預(yù)制板型式尺寸、配筋設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深入優(yōu)化,研究更為合理可靠的預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

為保證預(yù)制鋼彈簧浮置板的通用性,選取城市軌道交通軌道系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的鋼軌、扣件及相關(guān)技術(shù)參數(shù)開展研究,見表1。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)型式尺寸設(shè)計(jì)

預(yù)制鋼彈簧浮置板型式尺寸設(shè)計(jì)從以下幾方面考慮。

①尺寸選取應(yīng)在滿足限界要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>

②提高參振質(zhì)量可以消耗更多的能量進(jìn)而提高減振效果,同時(shí)加長板長可以減少板之間的連接元件數(shù)量,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性[15]。

③當(dāng)預(yù)制鋼彈簧浮置板鋪設(shè)在曲線地段時(shí),考慮曲線矢距,板長不應(yīng)過長,以避免預(yù)制板中心線與線路中心線偏差過大。

④考慮施工便捷性,預(yù)制鋼彈簧浮置板質(zhì)量不應(yīng)過重,以避免增加運(yùn)輸、吊裝、調(diào)整等施工工序的難度。

根據(jù)以上原則,結(jié)合既有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),最終確定兩種板型尺寸。

①直線及曲線半徑≥500m曲線地段,浮置板尺寸為4.77m×2.7m×0.37m,質(zhì)量約為12.2t,結(jié)構(gòu)型式見圖1(a)。

②曲線半徑<500m曲線地段,浮置板尺寸為3.57m×2.7m×0.37m,質(zhì)量約為9.1t。結(jié)構(gòu)型式見圖1(b)。

圖1 預(yù)制鋼彈簧浮置板型式(單位:mm)

(2)板體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)制鋼彈簧浮置板在工作過程中持續(xù)上下振動(dòng),故板體需要有足夠的強(qiáng)度。預(yù)制鋼彈簧浮置板采用C60混凝土,縱向采用φ16mm鋼筋,橫向采用φ16 mm和φ12mm鋼筋組合,在隔振器周圍設(shè)置抗裂鋼筋,預(yù)埋套管周圍設(shè)置螺旋筋,預(yù)制板端部設(shè)置加強(qiáng)筋,確保預(yù)制板強(qiáng)度滿足使用要求,見圖2。

圖2 預(yù)制鋼彈簧浮置板配筋(單位:mm)

(3)鋼彈簧隔振器布置

一般地段,鋼彈簧隔振器布置方案為縱向間距1200mm,橫向間距1860m。鋼彈簧浮置板與低于其減振級(jí)別的道床型式相接時(shí),對(duì)隔振器橫縱向分別進(jìn)行加密處理,以實(shí)現(xiàn)剛度過渡,過渡一側(cè)設(shè)置5對(duì)600mm間距隔振器,其中,第一對(duì)隔振器中間增設(shè)1對(duì)橫向加密隔振器,間距1100mm,見圖3。

圖3 過渡段隔振器布置(單位:mm)

(4)曲線地段調(diào)整方案

曲線地段,采用“以直代曲”的預(yù)制鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)方案及半矢距的調(diào)整原則,以板端起第2組承軌臺(tái)中心連線與預(yù)制板縱向中心線交點(diǎn)為每塊預(yù)制板的基準(zhǔn)點(diǎn),每塊預(yù)制板的2個(gè)基點(diǎn)均位于線路中心線上。如圖4所示,通過調(diào)整扣件實(shí)現(xiàn)軌距調(diào)整。

圖4 曲線地段扣件調(diào)整示意(單位:mm)

(5)雜散電流設(shè)計(jì)

道床鋼筋作為雜散電流的主收集網(wǎng),鋼筋截面積需滿足雜散電流排流需求,同時(shí)應(yīng)預(yù)留向外排流的接口。與雜散電流排流相關(guān)的鋼筋進(jìn)行焊接處理,并在預(yù)制板四角預(yù)留4處連接端子,如圖5所示。

圖5 預(yù)制鋼彈簧浮置板雜散電流接口示意

3 理論計(jì)算

3.1 預(yù)制鋼彈簧浮置板配筋驗(yàn)算

采用有限元方法建立預(yù)制鋼彈簧浮置板計(jì)算模型,分別計(jì)算自重作用下和列車荷載作用下浮置板的受力。

(1)有限元模型建立

建立3塊浮置板長度的有限元模型,列車荷載施加于第二塊浮置板中部,提取第二塊浮置板的應(yīng)力及彎矩。模型中鋼軌、浮置板、基底均采用實(shí)體單元模擬,材料參數(shù)見表2?？奂閆X-2型扣件,扣件靜剛度為35kN/mm。隧道基底采用彈性基礎(chǔ),地基模量為1200MPa/m。有限元模型見圖6、圖7。

圖6 預(yù)制鋼彈簧浮置板有限元模型

圖7 鋼軌-板-基礎(chǔ)-隧道有限元模型

表2 有限元模型參數(shù)匯總

(2)預(yù)制鋼彈簧浮置板受力計(jì)算

分別計(jì)算預(yù)制鋼彈簧浮置板在自重荷載和列車荷載作用下縱、橫向應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果如表3所示,應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 自重荷載下浮置板應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖9 列車荷載下浮置板應(yīng)力云圖(單位:Pa)

表3 預(yù)制鋼彈簧浮置板應(yīng)力匯總 MPa

根據(jù)規(guī)范要求[16],按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算配筋,按正常使用極限狀態(tài)檢算裂縫,對(duì)應(yīng)的荷載組合下浮置板設(shè)計(jì)彎矩如表4所示。

表4 預(yù)制鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)彎矩 kN·m

(3)配筋驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范[17]中承載能力極限狀態(tài)計(jì)算方法對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板進(jìn)行配筋計(jì)算,浮置板橫截面底部所需配筋面積為4396mm2,頂部所需配筋面積為2198mm2;浮置板縱截面底部及頂部所需配筋面積均為3819mm2;浮置板裂縫寬度限值為0.233mm。經(jīng)計(jì)算,配筋及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

3.2 模態(tài)分析

為研究預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的頻譜特性及隧道結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析[18]。

(1)鋼軌-扣件-板-基底結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在不考慮隧道結(jié)構(gòu)的情況下,對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板整體道床進(jìn)行模態(tài)分析,第一階彎曲振動(dòng)和第一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形態(tài)見圖10、圖11。

圖10 第一階彎曲振動(dòng)

圖11 第一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)第一階自振頻率為13.105Hz,為整個(gè)結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng);發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的第一階自振頻率為19.922Hz。從第五階彎曲振動(dòng)開始,浮置板板體自身發(fā)生明顯彎折,自振頻率為31.931Hz,到達(dá)板自身的第一階彎曲模態(tài);從第三階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)開始,浮置板板體自身發(fā)生明顯扭轉(zhuǎn),自振頻率為34.623Hz,到達(dá)板自身的第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

(2)鋼軌-扣件-板-基底-隧道結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在考慮隧道結(jié)構(gòu)的情況下,對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板整體道床進(jìn)行模態(tài)分析,第一階彎曲振動(dòng)和第一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形態(tài)見圖12、圖13。

圖12 第一階彎曲振動(dòng)

圖13 第一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

分別提取兩種工況下前十階的彎曲振動(dòng)模態(tài)和前六階的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài),并對(duì)自振頻率進(jìn)行對(duì)比分析,以驗(yàn)證隧道結(jié)構(gòu)對(duì)浮置板振動(dòng)形態(tài)的影響,如表5所示。

表5 預(yù)制鋼彈簧浮置板自振頻率及模態(tài)統(tǒng)計(jì) Hz

不難看出,兩種工況下預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)低頻各階自振頻率相差較小,模態(tài)振型基本一致,因此,隧道結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和低頻各階自振頻率影響較小,不會(huì)改變軌道結(jié)構(gòu)的頻譜特性。

4 廠內(nèi)試制及檢驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案,制定了相關(guān)技術(shù)要求,并對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板進(jìn)行廠內(nèi)試制。

(1)預(yù)制鋼彈簧浮置板在工廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn),板內(nèi)預(yù)制件應(yīng)嚴(yán)格按照定位尺寸澆注于板體內(nèi)。

(2)板體長、寬、厚,隔振器外套筒位置,預(yù)埋套管位置,各部位平整度均應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

(3)鋼筋、混凝土性能應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范,混凝土保護(hù)層厚度為35～40mm,雜散電流排流用鋼筋應(yīng)焊接牢固。

(4)預(yù)制鋼彈簧浮置板可采用蒸汽養(yǎng)護(hù),待達(dá)到混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值75%后方可脫模,預(yù)制板脫模后保溫、保濕總時(shí)間不應(yīng)小于14d。

試制完成后進(jìn)行產(chǎn)品性能檢驗(yàn),檢驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀檢驗(yàn)、型式尺寸檢驗(yàn)、靜載開裂檢驗(yàn)、試件混凝土抗壓強(qiáng)度和檢驗(yàn)、縱向電阻測(cè)試、疲勞試驗(yàn)、預(yù)埋套管抗拔力檢驗(yàn)等。

4.1 外觀檢驗(yàn)

預(yù)制鋼彈簧浮置板表面應(yīng)密實(shí)、干整、光潔、顏色均勻,避免有露筋、蜂窩、孔洞、疏松、麻面、裂縫、起砂或起鼓、棱角破損等缺陷。經(jīng)檢驗(yàn),預(yù)制板的外觀符合設(shè)計(jì)要求,如圖14所示。

圖14 外觀檢驗(yàn)

4.2 型式尺寸檢驗(yàn)

型式尺寸檢驗(yàn)包括預(yù)制鋼彈簧浮置板的長度、寬度、厚度、平整度、預(yù)埋套管位置等,經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)型式尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求,如圖15所示。

圖15 型式尺寸檢驗(yàn)

4.3 靜載開裂試驗(yàn)

靜載開裂檢驗(yàn)中,對(duì)預(yù)制鋼彈簧浮置板按圖16、圖17要求進(jìn)行加載,橫截面加載20kN,縱截面加載15kN,若浮置板縱橫向截面均無開裂,判定靜載開裂性能合格;若有2個(gè)截面開裂,則判定靜載開裂性能不合格;若有1個(gè)截面開裂,允許重新抽樣進(jìn)行試驗(yàn);若無開裂,判定靜載抗裂性能合格;若仍有截面開裂,則判定靜載抗裂性能不合格[19]。經(jīng)檢驗(yàn),橫縱截面均無開裂,滿足設(shè)計(jì)要求,如圖18所示。

圖16 橫向加載示意(單位:mm)

圖17 縱向加載示意(單位:mm)

圖18 靜載開裂試驗(yàn)

4.4 試件混凝土抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)

生產(chǎn)過程中,取試樣制作混凝土抗壓強(qiáng)度試件,試件應(yīng)與預(yù)制鋼彈簧浮置板同條件成型和養(yǎng)護(hù),試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)符合相關(guān)規(guī)范[20],經(jīng)檢驗(yàn),試件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,如圖19所示。

圖19 試件混凝土抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)

4.5 雜散電流收集網(wǎng)縱向電阻測(cè)試

預(yù)制鋼彈簧浮置板主收集網(wǎng)鋼筋縱向電阻值應(yīng)滿足雜散電流設(shè)計(jì)要求(建議不大于3mΩ),經(jīng)檢驗(yàn),滿足設(shè)計(jì)要求,如圖20所示。

圖20 雜散電流收集網(wǎng)縱向電阻測(cè)試

4.6 預(yù)埋套管抗拔力檢驗(yàn)

抽取1塊預(yù)制鋼彈簧浮置板,任選3個(gè)預(yù)埋套管進(jìn)行抗拔力檢驗(yàn),若3個(gè)套管的抗拔力均不低于100kN,則判定為合格;若有1個(gè)預(yù)埋套管不能達(dá)到要求,可再選一塊重新檢驗(yàn),抗拔力均大于100kN,判定為合格;若再出現(xiàn)套管抗拔力低于100kN,則判定整批次不合格。經(jīng)檢驗(yàn),預(yù)埋套管抗拔力滿足設(shè)計(jì)要求,如圖21所示。

圖21 預(yù)埋套管抗拔力檢驗(yàn)

4.7 疲勞試驗(yàn)

抽取1塊預(yù)制鋼彈簧浮置板,在荷載60kN、支距1860mm的簡支狀態(tài)下(如圖22所示),經(jīng)200萬次疲勞試驗(yàn)后,裂縫不應(yīng)大于0.2mm,經(jīng)檢驗(yàn)疲勞試驗(yàn)后未出現(xiàn)裂縫,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖22 疲勞試驗(yàn)示意(單位:mm)

按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行工廠試制并進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)后,預(yù)制鋼彈簧浮置板各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 施工方案

根據(jù)預(yù)制鋼彈簧浮置板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出與之匹配的施工流程,用于指導(dǎo)預(yù)制鋼彈簧浮置板整體道床施工。

(1)施工準(zhǔn)備

技術(shù)準(zhǔn)備→場(chǎng)地準(zhǔn)備→崗前培訓(xùn)→施工勞動(dòng)組織→機(jī)械設(shè)備及計(jì)量器具配置。

(2)控制網(wǎng)復(fù)測(cè)、基底加密基標(biāo)放樣測(cè)量

控制網(wǎng)復(fù)測(cè)→道床中心線復(fù)測(cè)→基底加密基標(biāo)放樣測(cè)量。

(3)預(yù)制鋼彈簧浮置板基底施工

結(jié)構(gòu)底板清理→基底鋼筋綁扎→基底模板安裝→基底混凝土澆筑→基底修整及清理。

(4)臨時(shí)走行線鋪設(shè)

基底施工完成后,鋪設(shè)浮置板臨時(shí)走行線路。

(5)預(yù)制鋼彈簧浮置板位置放樣測(cè)量

以軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)為基準(zhǔn)對(duì)浮置板位置進(jìn)行放樣測(cè)量。

(6)預(yù)制鋼彈簧浮置板鋪設(shè)

浮置板儲(chǔ)存→浮置板吊裝運(yùn)輸→浮置板鋪設(shè)。

(7)扣件、鋼軌安裝

用過預(yù)制板內(nèi)預(yù)埋套管安裝軌道扣件及鋼軌。

(8)浮置板道床頂升

密封條安裝→隔振器安裝→浮置板頂升調(diào)試。

(9)浮置板附屬設(shè)施安裝

進(jìn)行剪力鉸等附屬設(shè)備的安裝。

(10)軌道長軌精調(diào)

在鋼軌焊接、應(yīng)力放散和軌溫鎖定后,軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)復(fù)測(cè)完成的條件下進(jìn)行長軌精調(diào)。

6 結(jié)論

預(yù)制鋼彈簧浮置板可解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼彈簧浮置板現(xiàn)場(chǎng)施工繁瑣、施工精度難以保證、施工質(zhì)量差、不具備可維修性等問題。在既有預(yù)制鋼彈簧浮置板應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)板型尺寸、結(jié)構(gòu)配筋、隔振器布置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)受力分析及模態(tài)分析,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案滿足要求。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上開展廠內(nèi)試制試驗(yàn),其外觀、型式尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、縱向電阻值、疲勞性能、預(yù)埋套管抗拔力等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求,可保證運(yùn)營的安全性和可靠性。基于其產(chǎn)品精度高、施工便捷性高、預(yù)制化率高、可維修性高、美觀整潔等優(yōu)點(diǎn),可在城市軌道交通中推廣使用。