城市軌道交通預制鋼彈簧浮置板技術研究

劉雪鋒 楊 松 郭 驍 丁靜波

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

地鐵在解決城市交通擁堵問題的同時,引發的負面影響與日俱增[1],其運營過程中產生的振動和噪聲隨鋪設里程的增加不斷蔓延,給人們的生活環境造成不良影響。因此,地鐵的減振降噪問題迫在眉睫[2]。軌道結構作為地鐵車輛的直接載體,成為研究的焦點之一。鋼彈簧浮置板道床作為現有最高等級的軌道減振措施,引起越來越多研究者的關注[3]。隨著現澆鋼彈簧浮置板道床設計施工技術的日益成熟,提高其預制化率、優化鋼彈簧浮置板結構成為軌道減振措施發展的主流方向[4-5]。

傳統的鋼彈簧浮置板采用現場綁扎鋼筋籠、現場澆筑混凝土的方式施工[6],存在施工效率低、作業環境差、施工質量難以保證等問題。另外,單塊現澆板長25m,運營后難以更換,且現場混凝土作業多,不利于環境保護[7]。

預制鋼彈簧浮置板在保證減振水平的同時,可提高軌道結構的鋪設精度和施工效率,美觀整潔,是現有鋼彈簧浮置板整體道床的首選結構形式[8]。

(1)預制鋼彈簧浮置板為工廠預制構件,承軌臺尺寸和軌枕間距精確,軌距穩定可靠,配套使用CPⅢ測量技術,軌道鋪設精度高,有利于消除初始不平順,提高乘坐舒適性[9]。

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

(3)單塊預制鋼彈簧浮置板質量小,通常情況下可在天窗時間內完成更換,不影響正常運營。

(4)預制鋼彈簧浮置板美觀、整潔,可減少現場鋼筋籠綁扎和混凝土澆筑工作量,提高軌道結構預制化程度,對于減少環境污染具有重要作用[10-11]。

預制鋼彈簧浮置板在國內城市軌道交通領域發展迅速,在總結既有應用經驗的基礎上[12-14],從預制板型式尺寸、配筋設計等方面進行深入優化,研究更為合理可靠的預制鋼彈簧浮置板結構。

2 結構設計

2.1 主要設計參數

為保證預制鋼彈簧浮置板的通用性,選取城市軌道交通軌道系統中廣泛應用的鋼軌、扣件及相關技術參數開展研究,見表1。

表1 主要設計參數

2.2 預制鋼彈簧浮置板結構設計

(1)型式尺寸設計

預制鋼彈簧浮置板型式尺寸設計從以下幾方面考慮。

①尺寸選取應在滿足限界要求的基礎上留有適當的余量。

②提高參振質量可以消耗更多的能量進而提高減振效果,同時加長板長可以減少板之間的連接元件數量,增強結構整體性[15]。

③當預制鋼彈簧浮置板鋪設在曲線地段時,考慮曲線矢距,板長不應過長,以避免預制板中心線與線路中心線偏差過大。

④考慮施工便捷性,預制鋼彈簧浮置板質量不應過重,以避免增加運輸、吊裝、調整等施工工序的難度。

根據以上原則,結合既有設計經驗,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,質量約為12.2t,結構型式見圖1(a)。

②曲線半徑<500m曲線地段,浮置板尺寸為3.57m×2.7m×0.37m,質量約為9.1t。結構型式見圖1(b)。

圖1 預制鋼彈簧浮置板型式(單位:mm)

(2)板體結構設計

預制鋼彈簧浮置板在工作過程中持續上下振動,故板體需要有足夠的強度。預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,在隔振器周圍設置抗裂鋼筋,預埋套管周圍設置螺旋筋,預制板端部設置加強筋,確保預制板強度滿足使用要求,見圖2。

圖2 預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別的道床型式相接時,對隔振器橫縱向分別進行加密處理,以實現剛度過渡,過渡一側設置5對600mm間距隔振器,其中,第一對隔振器中間增設1對橫向加密隔振器,間距1100mm,見圖3。

圖3 過渡段隔振器布置(單位:mm)

(4)曲線地段調整方案

曲線地段,采用“以直代曲”的預制鋼彈簧浮置板設計方案及半矢距的調整原則,以板端起第2組承軌臺中心連線與預制板縱向中心線交點為每塊預制板的基準點,每塊預制板的2個基點均位于線路中心線上。如圖4所示,通過調整扣件實現軌距調整。

圖4 曲線地段扣件調整示意(單位:mm)

(5)雜散電流設計

道床鋼筋作為雜散電流的主收集網,鋼筋截面積需滿足雜散電流排流需求,同時應預留向外排流的接口。與雜散電流排流相關的鋼筋進行焊接處理,并在預制板四角預留4處連接端子,如圖5所示。

圖5 預制鋼彈簧浮置板雜散電流接口示意

3 理論計算

3.1 預制鋼彈簧浮置板配筋驗算

采用有限元方法建立預制鋼彈簧浮置板計算模型,分別計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力及彎矩。模型中鋼軌、浮置板、基底均采用實體單元模擬,材料參數見表2。扣件為ZX-2型扣件,扣件靜剛度為35kN/mm。隧道基底采用彈性基礎,地基模量為1200MPa/m。有限元模型見圖6、圖7。

圖6 預制鋼彈簧浮置板有限元模型

圖7 鋼軌-板-基礎-隧道有限元模型

表2 有限元模型參數匯總

(2)預制鋼彈簧浮置板受力計算

分別計算預制鋼彈簧浮置板在自重荷載和列車荷載作用下縱、橫向應力,計算結果如表3所示,應力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 自重荷載下浮置板應力云圖(單位:Pa)

圖9 列車荷載下浮置板應力云圖(單位:Pa)

表3 預制鋼彈簧浮置板應力匯總 MPa

根據規范要求[16],按承載能力極限狀態計算配筋,按正常使用極限狀態檢算裂縫,對應的荷載組合下浮置板設計彎矩如表4所示。

表4 預制鋼彈簧浮置板設計彎矩 kN·m

(3)配筋驗算

根據規范[17]中承載能力極限狀態計算方法對預制鋼彈簧浮置板進行配筋計算,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。經計算,配筋及裂縫寬度均滿足規范要求。

3.2 模態分析

為研究預制鋼彈簧浮置板軌道結構的頻譜特性及隧道結構的影響,對預制鋼彈簧浮置板軌道結構模型進行模態分析[18]。

(1)鋼軌-扣件-板-基底結構模態分析

在不考慮隧道結構的情況下,對預制鋼彈簧浮置板整體道床進行模態分析,第一階彎曲振動和第一階扭轉振動形態見圖10、圖11。

圖10 第一階彎曲振動

圖11 第一階扭轉振動

預制鋼彈簧浮置板軌道結構第一階自振頻率為13.105Hz,為整個結構的彎曲振動;發生扭轉振動的第一階自振頻率為19.922Hz。從第五階彎曲振動開始,浮置板板體自身發生明顯彎折,自振頻率為31.931Hz,到達板自身的第一階彎曲模態;從第三階扭轉振動開始,浮置板板體自身發生明顯扭轉,自振頻率為34.623Hz,到達板自身的第一階扭轉模態。

(2)鋼軌-扣件-板-基底-隧道結構模態分析

在考慮隧道結構的情況下,對預制鋼彈簧浮置板整體道床進行模態分析,第一階彎曲振動和第一階扭轉振動形態見圖12、圖13。

圖12 第一階彎曲振動

圖13 第一階扭轉振動

分別提取兩種工況下前十階的彎曲振動模態和前六階的扭轉振動模態,并對自振頻率進行對比分析,以驗證隧道結構對浮置板振動形態的影響,如表5所示。

表5 預制鋼彈簧浮置板自振頻率及模態統計 Hz

不難看出,兩種工況下預制鋼彈簧浮置板軌道結構低頻各階自振頻率相差較小,模態振型基本一致,因此,隧道結構對預制鋼彈簧浮置板軌道結構的模態振型和低頻各階自振頻率影響較小,不會改變軌道結構的頻譜特性。

4 廠內試制及檢驗

根據以上設計方案,制定了相關技術要求,并對預制鋼彈簧浮置板進行廠內試制。

(1)預制鋼彈簧浮置板在工廠內預制生產,板內預制件應嚴格按照定位尺寸澆注于板體內。

(2)板體長、寬、厚,隔振器外套筒位置,預埋套管位置,各部位平整度均應符合設計要求。

(3)鋼筋、混凝土性能應嚴格按照相關規范,混凝土保護層厚度為35～40mm,雜散電流排流用鋼筋應焊接牢固。

(4)預制鋼彈簧浮置板可采用蒸汽養護,待達到混凝土立方體抗壓強度標準值75%后方可脫模,預制板脫模后保溫、保濕總時間不應小于14d。

試制完成后進行產品性能檢驗,檢驗項目包括外觀檢驗、型式尺寸檢驗、靜載開裂檢驗、試件混凝土抗壓強度和檢驗、縱向電阻測試、疲勞試驗、預埋套管抗拔力檢驗等。

4.1 外觀檢驗

預制鋼彈簧浮置板表面應密實、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。經檢驗,預制板的外觀符合設計要求,如圖14所示。

圖14 外觀檢驗

4.2 型式尺寸檢驗

型式尺寸檢驗包括預制鋼彈簧浮置板的長度、寬度、厚度、平整度、預埋套管位置等,經檢驗各項型式尺寸均滿足設計要求,如圖15所示。

圖15 型式尺寸檢驗

4.3 靜載開裂試驗

靜載開裂檢驗中,對預制鋼彈簧浮置板按圖16、圖17要求進行加載,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個截面開裂,則判定靜載開裂性能不合格;若有1個截面開裂,允許重新抽樣進行試驗;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]。經檢驗,橫縱截面均無開裂,滿足設計要求,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

4.4 試件混凝土抗壓強度檢驗

生產過程中,取試樣制作混凝土抗壓強度試件,試件應與預制鋼彈簧浮置板同條件成型和養護,試驗標準符合相關規范[20],經檢驗,試件強度滿足設計要求,如圖19所示。

圖19 試件混凝土抗壓強度檢驗

4.5 雜散電流收集網縱向電阻測試

預制鋼彈簧浮置板主收集網鋼筋縱向電阻值應滿足雜散電流設計要求(建議不大于3mΩ),經檢驗,滿足設計要求,如圖20所示。

圖20 雜散電流收集網縱向電阻測試

4.6 預埋套管抗拔力檢驗

抽取1塊預制鋼彈簧浮置板,任選3個預埋套管進行抗拔力檢驗,若3個套管的抗拔力均不低于100kN,則判定為合格;若有1個預埋套管不能達到要求,可再選一塊重新檢驗,抗拔力均大于100kN,判定為合格;若再出現套管抗拔力低于100kN,則判定整批次不合格。經檢驗,預埋套管抗拔力滿足設計要求,如圖21所示。

圖21 預埋套管抗拔力檢驗

4.7 疲勞試驗

抽取1塊預制鋼彈簧浮置板,在荷載60kN、支距1860mm的簡支狀態下(如圖22所示),經200萬次疲勞試驗后,裂縫不應大于0.2mm,經檢驗疲勞試驗后未出現裂縫,滿足設計要求。

圖22 疲勞試驗示意(單位:mm)

按設計方案進行工廠試制并進行相應試驗后,預制鋼彈簧浮置板各項技術指標均滿足設計要求。

5 施工方案

根據預制鋼彈簧浮置板的結構特點,提出與之匹配的施工流程,用于指導預制鋼彈簧浮置板整體道床施工。

(1)施工準備

技術準備→場地準備→崗前培訓→施工勞動組織→機械設備及計量器具配置。

(2)控制網復測、基底加密基標放樣測量

控制網復測→道床中心線復測→基底加密基標放樣測量。

(3)預制鋼彈簧浮置板基底施工

結構底板清理→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)臨時走行線鋪設

基底施工完成后,鋪設浮置板臨時走行線路。

(5)預制鋼彈簧浮置板位置放樣測量

以軌道基礎控制網為基準對浮置板位置進行放樣測量。

(6)預制鋼彈簧浮置板鋪設

浮置板儲存→浮置板吊裝運輸→浮置板鋪設。

(7)扣件、鋼軌安裝

用過預制板內預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→浮置板頂升調試。

(9)浮置板附屬設施安裝

進行剪力鉸等附屬設備的安裝。

(10)軌道長軌精調

在鋼軌焊接、應力放散和軌溫鎖定后,軌道基礎控制網復測完成的條件下進行長軌精調。

6 結論

預制鋼彈簧浮置板可解決傳統現澆鋼彈簧浮置板現場施工繁瑣、施工精度難以保證、施工質量差、不具備可維修性等問題。在既有預制鋼彈簧浮置板應用經驗的基礎上,對板型尺寸、結構配筋、隔振器布置等參數進行優化設計。經受力分析及模態分析,驗證設計方案滿足要求。在理論計算的基礎上開展廠內試制試驗,其外觀、型式尺寸、結構強度、縱向電阻值、疲勞性能、預埋套管抗拔力等參數均滿足設計要求,可保證運營的安全性和可靠性。基于其產品精度高、施工便捷性高、預制化率高、可維修性高、美觀整潔等優點,可在城市軌道交通中推廣使用。