城市軌道交通先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板試驗(yàn)研究

張高揚(yáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

城市軌道交通常用的軌道道床結(jié)構(gòu)是現(xiàn)澆混凝土整體道床結(jié)構(gòu)，整體道床結(jié)構(gòu)造價(jià)適中，整體性強(qiáng)，但是鋪設(shè)工期長(zhǎng)，發(fā)生損壞時(shí)修復(fù)困難[1-3]。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的施工速度和施工精度要求越來(lái)越高，且道床結(jié)構(gòu)的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)便。針對(duì)這種情形設(shè)計(jì)了一種城市軌道交通用雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板。

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板是我國(guó)無(wú)砟軌道的最新研究成果，率先應(yīng)用于高速鐵路的CRTSⅢ型軌道板，該板型能夠克服后張法預(yù)應(yīng)力鋼棒斷裂的問(wèn)題，目前廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)[4]。

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道結(jié)構(gòu)自上而下分別為鋼軌、扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土等。軌道板縱、橫向均采用預(yù)應(yīng)力[5-6]，采用先張法工藝制作。由于城市軌道交通荷載模式不同，對(duì)于軌道板的承載力、排流措施要求與國(guó)鐵不同，因此需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、理論分析以及荷載試驗(yàn)[7]。

1 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板設(shè)計(jì)參數(shù)

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板板長(zhǎng)3 500 mm、寬2 200 mm、厚200 mm，為預(yù)應(yīng)力混凝土板結(jié)構(gòu)。板上設(shè)30 mm高承軌臺(tái)，軌枕間距為600 mm，并安裝與扣件系統(tǒng)匹配的預(yù)埋絕緣套管。軌道板下設(shè)2個(gè)限位凸臺(tái)，尺寸400 mm×600 mm×140 mm，板內(nèi)設(shè)置3個(gè)φ160 mm灌漿孔。為便于施工吊裝，分別在混凝土板四角預(yù)埋起吊套管。

軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，縱橫向預(yù)應(yīng)力筋采用1 570 MPa級(jí)φ9 mm螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲，非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB400級(jí)鋼筋。軌道板縱向預(yù)應(yīng)力筋沿截面中心對(duì)稱(chēng)布置上下兩層共計(jì)24根，橫向預(yù)應(yīng)力筋沿截面中心對(duì)稱(chēng)布置上下兩層共計(jì)40根[8-9]。

軌道板縱橫向端部設(shè)置有錨固板，以縮短預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力為1 020 MPa[10-11]。

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板外形及配筋設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

圖1 軌道板平面(單位：mm)

圖2 軌道板配筋

2 雙向預(yù)應(yīng)力軌道板開(kāi)裂荷載分析

開(kāi)裂荷載是指在按設(shè)計(jì)的加載方式加載時(shí)，使雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值。雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板開(kāi)裂荷載采用有限元方法經(jīng)逐步試算得出。

模型采用實(shí)體有限元，利用實(shí)體單元模擬混凝土，利用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，進(jìn)行非線(xiàn)性分析[12]。

2.1 模型參數(shù)

預(yù)應(yīng)力筋按設(shè)計(jì)采用1 570 MPa級(jí)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(jí)，彈性模量Ec=3.65×104MPa；泊松比取0.2；密度取2 500 kg/m3。C60級(jí)混凝土抗拉強(qiáng)度極限值為3.50 MPa[13]。

2.2 荷載圖示及取值

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板開(kāi)裂荷載分析加載位置采用沿縱向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，兩側(cè)各5個(gè)加載面，加載面大小為150 mm×200 mm，所有加載面采用同步加載方式，加載大小以集中荷載表示，加載方式如圖3所示。計(jì)算荷載初始值取0，并以5 kN逐級(jí)遞增，每級(jí)加載完成后根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果判斷混凝土板是否開(kāi)裂。

圖3 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板加載方式(單位：mm)

2.3 模型簡(jiǎn)化

為便于建模計(jì)算，本文對(duì)有限元模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：

(1)模型中沒(méi)有考慮承軌臺(tái)、預(yù)埋套管及灌注孔的影響；

(2)沒(méi)有考慮縱向箍筋的作用；

(3)預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度為0。

根據(jù)以上參數(shù)及簡(jiǎn)化原則，所建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板模型

2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型加載方式，本文提取了每級(jí)荷載作用下雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板跨中頂面上混凝土拉應(yīng)力(以拉為正)的分布情況。當(dāng)每個(gè)加載面上施加25 kN集中荷載時(shí)，軌道板跨中頂面混凝土應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 跨中頂面混凝土應(yīng)力分布

由于荷載施加在雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板邊緣，因此在板的邊緣會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力突然減小的情況，但是為了統(tǒng)一比較的標(biāo)準(zhǔn)，采用最大主拉應(yīng)力作為該級(jí)荷載下的主拉應(yīng)力特征值。統(tǒng)計(jì)各級(jí)荷載作用下雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板跨中最大主拉應(yīng)力(以拉為正)的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 各級(jí)荷載下跨中最大主拉應(yīng)力

根據(jù)圖6可知：當(dāng)施加荷載在20 kN以下時(shí)，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板混凝土在雙預(yù)應(yīng)力的作用下仍均處于受壓狀態(tài)；當(dāng)施加荷載在20 kN及以上時(shí)，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板跨中混凝土開(kāi)始處于受拉狀態(tài)；當(dāng)荷載取35.8 kN時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力為3.498 MPa，與混凝土的抗拉強(qiáng)度極值3.50 MPa相近。

根據(jù)以上分析，本試驗(yàn)中開(kāi)裂荷載取35.8 kN。

軌道板作為城市軌道交通中的上部結(jié)構(gòu)，直接承受車(chē)輛等可變荷載，為保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，需要檢驗(yàn)軌道板的疲勞性能。為了方便試驗(yàn)，疲勞荷載的加載方式和開(kāi)裂試驗(yàn)相同。疲勞荷載根據(jù)混凝土開(kāi)裂荷載取值，最大疲勞荷載為0.5倍開(kāi)裂荷載，最小疲勞荷載為0.25倍開(kāi)裂荷載[14]。為了便于加載，對(duì)荷載值進(jìn)行取整處理。疲勞荷載及循環(huán)特征值ρ為

Pmin=100 kN，Pmax=200 kN，ρ=Pmin/Pmax=0.5。

3 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板疲勞性能及開(kāi)裂試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件及儀器設(shè)備

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

(2)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板疲勞性能和開(kāi)裂試驗(yàn)應(yīng)在雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板張拉、澆筑混凝土完成28 d后進(jìn)行。

(3)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載試驗(yàn)機(jī)的級(jí)別不得低于1 級(jí)，示值相對(duì)誤差不得大于±1%；壓力傳感器的精度應(yīng)不低于C級(jí)，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%，加載用千斤頂校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)不大于1.05。

(4)軌道板疲勞試驗(yàn)應(yīng)采用準(zhǔn)確度為一級(jí)的疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載振動(dòng)頻率小于10 Hz。

(5)用于觀察裂縫的普通放大鏡放大倍數(shù)不小于25倍，讀數(shù)精度0.01 mm，并有照明設(shè)備。

(6)試驗(yàn)所用計(jì)量設(shè)備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經(jīng)法定計(jì)量檢定部門(mén)檢定合格，且在有效期內(nèi)使用[15-16]。

3.2 試驗(yàn)步驟

(1)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板安裝就位后，用10倍放大鏡在雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的上表面及兩側(cè)面進(jìn)行外觀檢查，并對(duì)初始缺陷進(jìn)行標(biāo)記，有條件時(shí)可采用圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)記錄梁縫寬度。

(2)首先進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，然后進(jìn)行開(kāi)裂試驗(yàn)。

(3)疲勞試驗(yàn)完成后對(duì)軌道板進(jìn)行檢查，觀察裂縫情況。

(4)開(kāi)裂試驗(yàn)加載前應(yīng)對(duì)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的支承狀態(tài)進(jìn)行檢查，確認(rèn)支承狀態(tài)良好后方可加載。加載時(shí)各加載點(diǎn)宜同速、同步達(dá)到同一荷載值，加載速度應(yīng)均勻，且單點(diǎn)加載速率不大于0.5 kN/s。

(5)加載荷載至5 kN時(shí)，穩(wěn)定壓力3 min，然后用放大鏡觀測(cè)受拉區(qū)裂縫開(kāi)展情況[17]。如出現(xiàn)異常，則停止加載。

(6)如無(wú)異常現(xiàn)象出現(xiàn)，則繼續(xù)以每級(jí)5 kN加載至40 kN，并觀測(cè)每級(jí)荷載下受拉區(qū)裂縫開(kāi)展情況。

3.3 疲勞性能及開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板按照設(shè)計(jì)加載位置進(jìn)行加載，對(duì)軌道板進(jìn)行200萬(wàn)次的循環(huán)加載后，通過(guò)放大鏡和裂縫觀測(cè)儀觀察其表面受拉區(qū)無(wú)裂紋出現(xiàn)，說(shuō)明軌道板的疲勞性能良好，滿(mǎn)足要求。

根據(jù)靜載試驗(yàn)方法及計(jì)算得出的開(kāi)裂荷載，進(jìn)行雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗(yàn)，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分別如圖7及表1所示。

圖7 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗(yàn)

表1 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗(yàn)結(jié)果記錄

注：每級(jí)荷載穩(wěn)定3 min后觀察裂紋開(kāi)展情況。

對(duì)軌道板進(jìn)行疲勞后的靜載試驗(yàn)，當(dāng)荷載為 40 kN時(shí)其表面出現(xiàn)微裂縫，整個(gè)加載過(guò)程中最大裂縫寬度為 0.04 mm，長(zhǎng)度為 8.1 cm。根據(jù)上述結(jié)果可以看出，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的靜載抗裂試驗(yàn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及工程需求。本次試驗(yàn)開(kāi)裂荷載大于有限元分析得到的開(kāi)裂荷載，誤差為10.5%，這主要是由于有限元分析的參數(shù)取值與實(shí)際值有偏差，如混凝土抗拉極限強(qiáng)度、混凝土彈性模量等參數(shù)均有一定的變異性。

4 結(jié)論

針對(duì)城市軌道交通用雙向先張法軌道板進(jìn)行了設(shè)計(jì)及疲勞與靜載開(kāi)裂試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下。

(1)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂理論分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

(2)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的疲勞性能和靜載抗裂性能可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，按照設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝制板可滿(mǎn)足工程需求。