城市軌道交通先張法預應力混凝土軌道板試驗研究

張高揚

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

城市軌道交通常用的軌道道床結構是現澆混凝土整體道床結構，整體道床結構造價適中，整體性強，但是鋪設工期長，發生損壞時修復困難[1-3]。隨著城市軌道交通的快速發展，對軌道結構的施工速度和施工精度要求越來越高，且道床結構的后期運營維護應盡可能簡便。針對這種情形設計了一種城市軌道交通用雙向先張法預應力軌道板。

雙向先張法預應力軌道板是我國無砟軌道的最新研究成果，率先應用于高速鐵路的CRTSⅢ型軌道板，該板型能夠克服后張法預應力鋼棒斷裂的問題，目前廣泛應用于高速鐵路建設[4]。

雙向先張法預應力軌道結構自上而下分別為鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土等。軌道板縱、橫向均采用預應力[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，對于軌道板的承載力、排流措施要求與國鐵不同，因此需進行專門的優化設計、理論分析以及荷載試驗[7]。

1 雙向先張法預應力軌道板設計參數

雙向先張法預應力軌道板板長3 500 mm、寬2 200 mm、厚200 mm，為預應力混凝土板結構。板上設30 mm高承軌臺，軌枕間距為600 mm，并安裝與扣件系統匹配的預埋絕緣套管。軌道板下設2個限位凸臺，尺寸400 mm×600 mm×140 mm，板內設置3個φ160 mm灌漿孔。為便于施工吊裝，分別在混凝土板四角預埋起吊套管。

軌道板混凝土強度等級為C60，縱橫向預應力筋采用1 570 MPa級φ9 mm螺旋肋消除應力鋼絲，非預應力筋采用HRB400級鋼筋。軌道板縱向預應力筋沿截面中心對稱布置上下兩層共計24根，橫向預應力筋沿截面中心對稱布置上下兩層共計40根[8-9]。

軌道板縱橫向端部設置有錨固板，以縮短預應力筋的應力傳遞長度，預應力鋼筋的張拉控制應力為1 020 MPa[10-11]。

雙向先張法預應力軌道板外形及配筋設計如圖1、圖2所示。

圖1 軌道板平面(單位：mm)

圖2 軌道板配筋

2 雙向預應力軌道板開裂荷載分析

開裂荷載是指在按設計的加載方式加載時，使雙向先張法預應力軌道板主拉應力達到混凝土抗拉強度設計值時所對應的荷載值。雙向先張法預應力軌道板開裂荷載采用有限元方法經逐步試算得出。

模型采用實體有限元，利用實體單元模擬混凝土，利用桿單元模擬預應力鋼筋，進行非線性分析[12]。

2.1 模型參數

預應力筋按設計采用1 570 MPa級φ9 mm的消除應力鋼絲，張拉控制應力取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級混凝土抗拉強度極限值為3.50 MPa[13]。

2.2 荷載圖示及取值

雙向先張法預應力軌道板開裂荷載分析加載位置采用沿縱向中心線對稱布置，兩側各5個加載面，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。計算荷載初始值取0，并以5 kN逐級遞增，每級加載完成后根據有限元計算結果判斷混凝土板是否開裂。

圖3 雙向先張法預應力軌道板加載方式(單位：mm)

2.3 模型簡化

為便于建模計算，本文對有限元模型進行了如下簡化：

(1)模型中沒有考慮承軌臺、預埋套管及灌注孔的影響；

(2)沒有考慮縱向箍筋的作用；

(3)預應力傳遞長度為0。

根據以上參數及簡化原則，所建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 雙向先張法預應力軌道板模型

2.4 計算結果

根據模型加載方式，本文提取了每級荷載作用下雙向先張法預應力軌道板跨中頂面上混凝土拉應力(以拉為正)的分布情況。當每個加載面上施加25 kN集中荷載時，軌道板跨中頂面混凝土應力分布如圖5所示。

圖5 跨中頂面混凝土應力分布

由于荷載施加在雙向先張法預應力軌道板邊緣，因此在板的邊緣會出現壓應力突然減小的情況，但是為了統一比較的標準，采用最大主拉應力作為該級荷載下的主拉應力特征值。統計各級荷載作用下雙向先張法預應力軌道板跨中最大主拉應力(以拉為正)的計算結果如圖6所示。

圖6 各級荷載下跨中最大主拉應力

根據圖6可知：當施加荷載在20 kN以下時，雙向先張法預應力軌道板混凝土在雙預應力的作用下仍均處于受壓狀態；當施加荷載在20 kN及以上時，雙向先張法預應力軌道板跨中混凝土開始處于受拉狀態；當荷載取35.8 kN時，混凝土最大拉應力為3.498 MPa，與混凝土的抗拉強度極值3.50 MPa相近。

根據以上分析，本試驗中開裂荷載取35.8 kN。

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

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

3 雙向先張法預應力軌道板疲勞性能及開裂試驗研究

3.1 試驗條件及儀器設備

(1)試驗場地和工裝應具有足夠的剛度、穩定性和平整度。

(2)雙向先張法預應力軌道板疲勞性能和開裂試驗應在雙向先張法預應力軌道板張拉、澆筑混凝土完成28 d后進行。

(3)雙向先張法預應力軌道板靜載試驗機的級別不得低于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%，示值誤差應為±1%，加載用千斤頂校驗系數應不大于1.05。

(4)軌道板疲勞試驗應采用準確度為一級的疲勞試驗機，加載振動頻率小于10 Hz。

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

(6)試驗所用計量設備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經法定計量檢定部門檢定合格，且在有效期內使用[15-16]。

3.2 試驗步驟

(1)雙向先張法預應力軌道板安裝就位后，用10倍放大鏡在雙向先張法預應力軌道板的上表面及兩側面進行外觀檢查，并對初始缺陷進行標記，有條件時可采用圖像識別技術自動記錄梁縫寬度。

(2)首先進行疲勞試驗，然后進行開裂試驗。

(3)疲勞試驗完成后對軌道板進行檢查，觀察裂縫情況。

(4)開裂試驗加載前應對雙向先張法預應力軌道板的支承狀態進行檢查，確認支承狀態良好后方可加載。加載時各加載點宜同速、同步達到同一荷載值，加載速度應均勻，且單點加載速率不大于0.5 kN/s。

(5)加載荷載至5 kN時，穩定壓力3 min，然后用放大鏡觀測受拉區裂縫開展情況[17]。如出現異常，則停止加載。

(6)如無異常現象出現，則繼續以每級5 kN加載至40 kN，并觀測每級荷載下受拉區裂縫開展情況。

3.3 疲勞性能及開裂試驗結果

雙向先張法預應力軌道板按照設計加載位置進行加載，對軌道板進行200萬次的循環加載后，通過放大鏡和裂縫觀測儀觀察其表面受拉區無裂紋出現，說明軌道板的疲勞性能良好，滿足要求。

根據靜載試驗方法及計算得出的開裂荷載，進行雙向先張法預應力軌道板靜載抗裂試驗，雙向先張法預應力軌道板靜載抗裂試驗過程及結果分別如圖7及表1所示。

圖7 雙向先張法預應力軌道板靜載抗裂試驗

表1 雙向先張法預應力軌道板靜載抗裂試驗結果記錄

注：每級荷載穩定3 min后觀察裂紋開展情況。

對軌道板進行疲勞后的靜載試驗，當荷載為 40 kN時其表面出現微裂縫，整個加載過程中最大裂縫寬度為 0.04 mm，長度為 8.1 cm。根據上述結果可以看出，雙向先張法預應力軌道板的靜載抗裂試驗滿足設計及工程需求。本次試驗開裂荷載大于有限元分析得到的開裂荷載，誤差為10.5%，這主要是由于有限元分析的參數取值與實際值有偏差，如混凝土抗拉極限強度、混凝土彈性模量等參數均有一定的變異性。

4 結論

針對城市軌道交通用雙向先張法軌道板進行了設計及疲勞與靜載開裂試驗研究。主要結論如下。

(1)雙向先張法預應力軌道板靜載抗裂理論分析結果和試驗結果吻合度較好。

(2)雙向先張法預應力軌道板的疲勞性能和靜載抗裂性能可以滿足設計要求，按照設計的生產工藝制板可滿足工程需求。