某軌道交通走行面伸縮縫預(yù)埋件加固性能試驗(yàn)研究

奚 巍 胡克旭 許 多 徐 凱 丁 昊劉聰靈 湯培峰 曹錦磊

（1.上海軌道交通八號(hào)線三期發(fā)展有限公司，上海201113；2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海200092；3.上海美創(chuàng)建筑材料有限公司，上海200090；4.中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，安徽241060；5.上海申凱公共交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司，上海201113）

0 引 言

隨著我國(guó)城市發(fā)展速度的加快，城市的交通負(fù)擔(dān)也在增加，軌道交通的建設(shè)可以有效減輕城市交通的負(fù)擔(dān)，這對(duì)城市的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。但隨著軌道交通工程的大規(guī)模建設(shè)，鑒于其技術(shù)要求高、施工難度大、運(yùn)行條件復(fù)雜等情況，在開(kāi)通運(yùn)行后往往會(huì)出現(xiàn)一些預(yù)想不到的問(wèn)題，給車輛正常運(yùn)行帶來(lái)安全隱患［1］。本文針對(duì)某軌道交通項(xiàng)目在開(kāi)通運(yùn)行后行走面伸縮縫處出現(xiàn)的預(yù)埋鋼件松動(dòng)及混凝土開(kāi)裂壓碎問(wèn)題進(jìn)行分析并對(duì)加固方案進(jìn)行研究。

該項(xiàng)目采用龐巴迪公司的INNOVIA APM 300 型全自動(dòng)捷運(yùn)系統(tǒng)，其運(yùn)行方式類似于公共汽車，由橡膠車輪支撐在兩側(cè)的軌道面上行走，但通過(guò)中央的導(dǎo)向系統(tǒng)確保車輛沿運(yùn)行軌面中央行駛。走行面運(yùn)行道為鋼筋混凝土地梁式結(jié)構(gòu)，寬度500 mm，高度一般為450 mm（局部330 mm）。為解決熱脹冷縮變形問(wèn)題，運(yùn)行道在與高架橋梁伸縮縫相同的位置也設(shè)置了伸縮縫，且與橋梁伸縮縫同寬對(duì)齊，但為確保車輛運(yùn)行平穩(wěn)，采用預(yù)埋鋼板對(duì)伸縮縫進(jìn)行了斜交處理。在開(kāi)通運(yùn)行不到一年時(shí)間即發(fā)現(xiàn)40 多處伸縮縫（總計(jì)2 700 多個(gè)伸縮縫）兩側(cè)的預(yù)埋鋼板松動(dòng)，個(gè)別伸縮縫處端部混凝土開(kāi)裂，甚至壓碎脫落，給車輛正常運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，亟需通過(guò)研究尋求一種便于施工且可靠性能較高的加固方案，消除車輛運(yùn)行安全隱患。

該軌道交通項(xiàng)目采用的是一種全新的軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)，由橡膠車輪支撐在兩側(cè)的行走面上行走，通過(guò)中央的導(dǎo)向系統(tǒng)使車輛沿走行面中央行駛。國(guó)內(nèi)外關(guān)于該型系統(tǒng)走行面伸縮縫處的預(yù)埋件受力研究未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，尤其是龐巴迪公司，也未能提供相應(yīng)的預(yù)埋件受力狀態(tài)分析和設(shè)計(jì)參數(shù)研究。原設(shè)計(jì)單位采用的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要是車輛的運(yùn)行重量和靜態(tài)輪壓，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程考慮1.3 倍的動(dòng)力放大系數(shù)，按靜力荷載設(shè)計(jì)走行面伸縮縫處的預(yù)埋件。因此，對(duì)該系統(tǒng)走行面伸縮縫處預(yù)埋件的損傷原因分析和加固修復(fù)研究具有緊迫的工程意義。

1 工程概況

1.1 走行面伸縮縫概況

走行面伸縮縫位于高架橋梁的伸縮縫處，兩根運(yùn)行面的伸縮縫寬100 mm，位于線路的同一斷面，對(duì)稱布置。伸縮縫處采用預(yù)埋鋼板進(jìn)行了斜向處理，如圖1 所示，走行面縫寬30 mm。預(yù)埋件大樣如圖2 所示，鋼板厚度30 mm，寬度與運(yùn)行道相同，均為500 mm，端部懸挑長(zhǎng)度215 mm，通過(guò)內(nèi)置φ16錨筋（釬釘）與鋼筋混凝土運(yùn)行道連接。

圖1 走行面伸縮縫處預(yù)埋鋼板平面布置示意（單位：mm）Fig.1 Layout of embedded steel plate at expansion joint of track beam（Unit：mm）

圖2 走行面伸縮縫預(yù)埋鋼板詳圖（單位：mm）Fig.2 Detailed drawing of embedded steel plate for expansion joint of track beam（Unit：mm）

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑男畔ⅲ摻罨炷吝\(yùn)行道配筋如圖3 所示，內(nèi)布設(shè)φ10 縱向鋼筋13 根（330 mm 高運(yùn)行道內(nèi)為11 根，其中頂面5 根）；橫向箍筋φ16@200，在伸縮縫兩側(cè)600 mm 范圍內(nèi)箍筋間距加密至φ16@150 mm。

圖3 走行面運(yùn)行道配筋詳圖（單位：mm）Fig.3 Reinforcement details for running track of track beam（Unit：mm）

1.2 走行面伸縮縫預(yù)埋件損傷情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該項(xiàng)目走行面伸縮縫損傷主要為預(yù)埋鋼板與混凝土之間產(chǎn)生裂縫，運(yùn)行道端頭混凝土開(kāi)裂和局部壓碎脫落，以及部分預(yù)埋鋼板松動(dòng)，車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生響聲。混凝土裂縫和脫落情況如圖4 所示。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巡查統(tǒng)計(jì)，線路運(yùn)行約15 個(gè)月后，有40 多處伸縮縫產(chǎn)生了明顯的損傷，其中有13處伸縮縫預(yù)埋鋼板產(chǎn)生松動(dòng)。

圖4 走行面伸縮縫處預(yù)埋鋼板松動(dòng)和混凝土壓碎脫落情況Fig.4 Loosening of embedded steel plate and crushing and falling off of concrete at expansion joint of track beam

2 加固處理方案

2.1 損傷原因初步分析

目前，走行面伸縮縫預(yù)埋鋼板損傷主要是鋼板松動(dòng)和混凝土開(kāi)裂壓碎脫落。根據(jù)圖2，伸縮縫每側(cè)預(yù)埋鋼板總長(zhǎng)620 mm，懸挑長(zhǎng)度215 mm，懸臂處設(shè)置了152 mm 長(zhǎng)（30 mm 厚）的豎向勁板。由此可見(jiàn)，預(yù)埋鋼板在車輛運(yùn)行時(shí)在車輪壓力作用下會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩（圖5（a）），而該力矩由預(yù)埋件的內(nèi)部錨筋（釬釘）平衡。由圖5（b）顯示的錨筋布置看，主要是由離伸縮縫遠(yuǎn)端的φ16 豎向錨筋承擔(dān)。而該錨筋為L(zhǎng) 形，上端水平段與預(yù)埋鋼板焊接，這樣的焊縫受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，很容易從受力一端撕開(kāi)失效。

圖5 預(yù)埋鋼板受力和錨筋設(shè)置情況示意Fig.5 Stress of embedded steel plate and setting of anchor bar

2.2 加固處理方案

根據(jù)上述分析，伸縮縫處預(yù)埋鋼板由于內(nèi)部錨筋在使用過(guò)程中容易失效導(dǎo)致鋼板松動(dòng)。對(duì)于伸縮縫處預(yù)埋鋼板的加固處理，宜在鋼筋混凝土運(yùn)行道兩側(cè)采用化學(xué)錨栓增設(shè)鋼板，新增鋼板與原預(yù)埋鋼板（頂部水平鋼板和端部豎向端板）焊接（剖口焊），加強(qiáng)原鋼板錨固。運(yùn)行道兩側(cè)新增鋼板加固前，尚應(yīng)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的混凝土裂縫和混凝土破碎部位進(jìn)行灌縫修復(fù)和局部置換處理［5］。

經(jīng)初步受力計(jì)算分析，新增側(cè)板錨固措施如圖6所示，且不需再另外采用增加豎向勁板的措施［6］。

圖6 走行面伸縮縫處預(yù)埋鋼板加強(qiáng)錨固示意圖（單位：mm）Fig.6 Schematic diagram of reinforcing anchorage of embedded steel plate at expansion joint（Unit：mm）

3 加固性能疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況和試驗(yàn)試件

3.1.1 試驗(yàn)工況

為對(duì)比研究原設(shè)計(jì)伸縮縫節(jié)點(diǎn)和加固節(jié)點(diǎn)的抗疲勞性能，以及不同錨固措施的加固效果，根據(jù)實(shí)際工程狀況，結(jié)合同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)設(shè)備條件，本次進(jìn)行了三個(gè)1∶1 模型的伸縮縫預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)試件的疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表1 所示。其中，工況1 為原設(shè)計(jì)方案試件，用于進(jìn)行加固效果對(duì)比；工況2和工況3分別為植筋塞焊固定鋼板加固試件和化學(xué)錨栓固定鋼板加固試件，以對(duì)比兩種加固方案的效果。經(jīng)與原設(shè)計(jì)單位協(xié)商，每種工況下疲勞試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)不小于300萬(wàn)次。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

3.1.2 試驗(yàn)試件

原結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40，考慮到現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)混凝土振搗質(zhì)量不易得到保障，本次試驗(yàn)采用C35混凝土；鋼筋按原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用材選用HRB335鋼筋和HRB400 鋼筋；預(yù)埋鋼板和新增鋼板均采用Q345C 鋼。化學(xué)錨栓采用喜利得M20 標(biāo)準(zhǔn)錨栓（5.8級(jí)鋼）及RE500植筋膠。

制作3 個(gè)足尺模型的伸縮縫預(yù)埋件試件，試件1 根據(jù)原設(shè)計(jì)狀態(tài)制作，考察原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的受力性能和抗疲勞性能；試件2 為采用化學(xué)植筋塞焊固定鋼板的加固節(jié)點(diǎn)試件，除附加植筋塞焊固定鋼板進(jìn)行加固外，與試件1 的不同之處還在于，最外排釬釘在試件2 中去除，以檢驗(yàn)錨固鋼板的加固錨固性能；試件3 為采用化學(xué)錨栓固定鋼板的加固節(jié)點(diǎn)試件，除植筋塞焊改為化學(xué)錨栓外，其余部分與試件2 相同。三個(gè)試驗(yàn)試件詳圖分別如圖7-圖9所示，試件全長(zhǎng)2 200 mm。

圖7 試件1制作詳圖（單位：mm）Fig.7 Making detail drawing of specimen 1（Unit：mm）

圖8 試件2制作詳圖（單位：mm）Fig.8 Making detail drawing of specimen 2（Unit：mm）

圖9 試件3制作詳圖（單位：mm）Fig.9 Making detail drawing of specimen 3（Unit：mm）

3.2 試驗(yàn)裝置和測(cè)試內(nèi)容

3.2.1 試驗(yàn)裝置

疲勞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖10 所示，在預(yù)埋鋼板懸臂處施加集中疲勞荷載，力臂100 mm。為適用本次試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)機(jī)頭最大加載能力100 kN。

圖10 疲勞試驗(yàn)裝置實(shí)況圖Fig.10 Actual situation of fatigue test device

3.2.2 加載制度

本次疲勞試驗(yàn)采用荷載控制，疲勞加載采用的正弦波如圖11 所示，加載頻率為4 Hz。疲勞試驗(yàn)前，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載至最大荷載值以消除因接觸不良造成的誤差，待變形穩(wěn)定后即開(kāi)始加載進(jìn)行疲勞試驗(yàn)加載［7］。

圖11 加載波形圖Fig.11 Loading oscillogram

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況，對(duì)車輛運(yùn)行時(shí)的影響線進(jìn)行分析，得出預(yù)埋件最不利受力位置（力臂100 mm 處）和最大荷載（27.3 kN）。本次試驗(yàn)所加集中循環(huán)荷載的加載點(diǎn)如圖12 所示，具體試驗(yàn)時(shí)的荷載上限和下限值，以及疲勞試驗(yàn)加載循環(huán)次數(shù)如表2所示。需要說(shuō)明的是，原計(jì)劃3個(gè)工況的疲勞荷載均為10～30 kN，在工況1 進(jìn)行300萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，試件并未發(fā)生破壞，考慮到實(shí)際使用情況與試驗(yàn)加載情況可能存在差距，故在工況2 與工況3 的試驗(yàn)中將荷載上限由30 kN 提高至了40 kN；另外，原計(jì)劃3個(gè)工況均進(jìn)行300 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試件的變形情況，工況2 進(jìn)行了400 萬(wàn)次，工況3 進(jìn)行了1 000萬(wàn)次。

表2 試驗(yàn)加載情況匯總Table 2 Summary of test loading

圖12 加載點(diǎn)位置示意圖Fig.12 loading point location

3.2.3 變形和應(yīng)變測(cè)量

為考察預(yù)埋件端部在荷載作用下的位移變形情況，試件1、試件2 及試件3 均在預(yù)埋鋼板前端及末端分別布置1 個(gè)激光位移計(jì)測(cè)量板端變形情況，如圖13所示。

圖13 位移計(jì)布置情況Fig.13 Displacement meter

為考察試件過(guò)程中原設(shè)計(jì)方案中錨筋（釬釘）的受力情況，試件1在最外排4根預(yù)埋釬釘上預(yù)貼應(yīng)變片并通過(guò)儀器測(cè)量不同荷載循環(huán)次數(shù)下釬釘應(yīng)變變化情況，如圖14所示。

圖14 應(yīng)變片布置情況Fig.14 Arrangement of strain arrangement gauges

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)后的試件情況如圖15 所示。對(duì)于試驗(yàn)工況1，試件在300萬(wàn)次試驗(yàn)過(guò)程中預(yù)埋鋼板前端振動(dòng)幅度較小，試件并未出現(xiàn)明顯變形及開(kāi)裂破壞等情況，僅有預(yù)埋鋼板周邊部分混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂脫落。對(duì)于試驗(yàn)工況2及工況3，試驗(yàn)分別進(jìn)行了400 萬(wàn)次與1 000 萬(wàn)次，其整體試驗(yàn)表現(xiàn)與工況1 相同，并未出現(xiàn)明顯變形及破壞，僅在加固鋼板與混凝土間涂抹的無(wú)機(jī)膠處出現(xiàn)細(xì)微裂縫。

圖15 試驗(yàn)后試件情況Fig.15 Test piece condition after test

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)各工況均未發(fā)生試件破壞，排除采集設(shè)備自身工作誤差等因素的影響，針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)振動(dòng)幅值的變化過(guò)程分析。

（1） 工況1的錨筋（釬釘）應(yīng)變變化

分別截取工況1不同荷載循環(huán)次數(shù)（50萬(wàn)次、100 萬(wàn)次、150 萬(wàn)次、200 萬(wàn)次、250 萬(wàn)次和 300 萬(wàn)次）附近10 s內(nèi)釬釘?shù)膽?yīng)變變化過(guò)程，經(jīng)處理得到圖16所示應(yīng)變-時(shí)間過(guò)程曲線。

圖16 不同荷載循環(huán)次數(shù)附近釬釘應(yīng)變-時(shí)間過(guò)程曲線Fig.16 The strain time curve of drill pin near different load cycles

可以看出，各時(shí)期釬釘?shù)膽?yīng)變-時(shí)間曲線振動(dòng)幅值較小且沒(méi)有明顯規(guī)律性變化，說(shuō)明釬釘本身在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中性能并未出現(xiàn)明顯退化。

（2） 工況1～工況3的預(yù)埋件位移變化

同樣截取工況1、工況2 及工況3 不同荷載循環(huán)次數(shù)（100 萬(wàn)次、200 萬(wàn)次、300 萬(wàn)次、400 萬(wàn)次、700萬(wàn)次、1 000萬(wàn)次）附近預(yù)埋鋼板端部10 s內(nèi)的位移變化過(guò)程，經(jīng)處理得到加載端和錨固端的位移-時(shí)間過(guò)程曲線分別如圖17和圖18所示。

對(duì)比圖17 和圖18 可以看出，在同一循環(huán)階段，同一試驗(yàn)工況下預(yù)埋鋼板前端（加載端）振幅要明顯高于預(yù)埋鋼板末端（錨固端）振幅。在前300 萬(wàn)次荷載循環(huán)內(nèi)（工況1 僅進(jìn)行了300 萬(wàn)次），經(jīng)過(guò)加固的工況2 與工況3 的振幅均小于工況1。相對(duì)而言，在前400 萬(wàn)次荷載循環(huán)內(nèi)（工況2 僅進(jìn)行了400萬(wàn)次）化學(xué)錨栓錨固的試件（工況3）的位移振幅又比植筋塞焊錨固的試件（工況2）的位移振幅小。說(shuō)明加固試件的剛度要優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案的剛度，化學(xué)錨栓錨固試件的剛度又優(yōu)于植筋塞焊錨固試件。

圖17 不同荷載循環(huán)次數(shù)附近加載端位移-時(shí)間過(guò)程曲線Fig.17 Displacement time curve of loading end near different load cycles

圖18 不同荷載循環(huán)次數(shù)附近錨固端位移-時(shí)間過(guò)程曲線Fig.18 Displacement time curve of anchoring end near different load cycles

而縱觀整個(gè)疲勞加載試驗(yàn)過(guò)程，三種工況下，對(duì)于同一工況，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，各位移曲線振幅并未出現(xiàn)明顯增減變化。說(shuō)明在本試驗(yàn)的荷載條件下，三種工況的疲勞壽命遠(yuǎn)大于300萬(wàn)次，對(duì)于工況3，疲勞壽命超過(guò)1 000萬(wàn)次。

4 結(jié) 論

針對(duì)某軌道交通項(xiàng)目走行面伸縮縫預(yù)埋鋼板松動(dòng)、端部混凝土開(kāi)裂壓碎等現(xiàn)象，本文對(duì)破壞機(jī)制及加固方案進(jìn)行了分析研究，設(shè)計(jì)并進(jìn)行三個(gè)足尺伸縮縫節(jié)點(diǎn)試件的疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)荷載頻率均為4 Hz，工況1疲勞荷載幅值為10～30 kN，試驗(yàn)疲勞循環(huán)次數(shù)300 萬(wàn)次；工況2 和工況3 疲勞荷載幅值為10～40 kN，試驗(yàn)疲勞荷載循環(huán)次數(shù)分別為400 萬(wàn)次和1 000 萬(wàn)次。在本次試驗(yàn)的加載條件下，可得以下試驗(yàn)研究結(jié)論：

（1）所有疲勞試驗(yàn)試件在試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷，僅在預(yù)埋鋼板或加固鋼板與混凝土交界處由于振動(dòng)產(chǎn)生了部分細(xì)微通長(zhǎng)裂縫。

（2）在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，工況1 試件的錨筋（釬釘）應(yīng)變過(guò)程未見(jiàn)明顯改變，工況1、工況2、工況3試件預(yù)埋鋼板前端（加載端）和末端（錨固端）的豎向位移過(guò)程也未見(jiàn)明顯改變。說(shuō)明在本次試驗(yàn)的荷載條件下，三種工況的疲勞壽命遠(yuǎn)大于300萬(wàn)次，工況3的疲勞壽命超過(guò)1 000萬(wàn)次。

（3）對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中三種工況的預(yù)埋鋼板測(cè)點(diǎn)豎向位移振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)，工況2和工況3加固方案試件的剛度優(yōu)于工況1 原設(shè)計(jì)方案試件的剛度；工況3 化學(xué)錨栓錨固鋼板的加固試件剛度優(yōu)于工況2植筋塞焊錨固鋼板的加固試件剛度。

（4）本文提出的采用走行面?zhèn)让婊瘜W(xué)錨栓錨固鋼板加固伸縮縫預(yù)埋件的方法，不僅施工便捷，易于保證施工質(zhì)量，其施工工序還不影響軌道交通正常運(yùn)行。本加固方法對(duì)于后續(xù)采用相同或類似技術(shù)的軌道交通走行面的伸縮縫設(shè)計(jì)和加固具有借鑒意義。

（5）本文提出的化學(xué)錨栓聯(lián)合無(wú)機(jī)膠黏劑錨固新增鋼板加固方法對(duì)于工程結(jié)構(gòu)中普遍使用的后錨固技術(shù)（化學(xué)植筋和化學(xué)錨栓）的改進(jìn)和加強(qiáng)具有借鑒意義。