铁路混凝土梁人行道步行板的技术要求和结构选型

曾志斌

(1.高速铁路系统试验国家工程实验室,北京 100081;2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081)

铁路混凝土梁人行道由支架、栏杆(包括立柱和扶手)、步行板、电缆槽托架等组成，主要作为工务人员巡视检查或养护维修的通道，以及维修施工时临时堆放机具、道砟、轨枕或者钢轨的场所。人行道还可为通讯线缆、信号线缆等提供支撑，其承受的荷载除自身重量外，主要是人群活载、施工机具活载、临时堆载和风活载。

传统的人行道步行板采用普通钢筋混凝土板，每年全路发生多起因劣化严重的混凝土步行板断裂而引起的人身伤害事故。步行板作为铁路桥梁上可更换的附属设施，设计规范没有规定其技术参数，也没有相应的检查验收标准。为了解决劣化严重的钢筋混凝土步行板更换的难题，设备管理部门采取过各种措施，如直接以新制钢筋混凝土板替换劣化严重的步行板，采用集中在构件厂预制的方式保证制造质量，但是这些措施没有从根本上解决钢筋混凝土板容易劣化的问题。近些年，橡胶步行板的使用越来越多，各种各样的复合材料步行板也开始试用。如何选择具有足够承载力和耐久性、能够保证人身安全的步行板，是设备管理部门迫切需要解决的难题。

1 人行道步行板的设计荷载和技术要求

1.1 设计荷载

按照我国现行TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》[1]，人行道步行板除了承受其自身重量外，有时用于放置轨枕、钢轨、工具等，竖向静活载取4 kPa；当桥上走行检查或维修小车时，竖向集中荷载取1.5 kN；在有砟桥面的人行道上考虑养护翻修道床时临时堆放道砟的需要，规定离梁中心2.45 m范围内的人行道上临时堆砟荷载为10 kPa。另外，还要考虑风荷载。

1.2 技术要求

根据实际使用经验和教训，针对人行道步行板的技术要求提出以下建议：①在设计荷载作用下，步行板的强度(拉应力、压应力和剪应力)满足材料的设计容许应力要求。钢筋混凝土结构的计算裂缝宽度还要满足设计要求。②当人在步行板上行走时，步行板的挠度不能使人产生不安全感。我国现行GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[2]规定楼梯构件的计算跨度l0<7 m时，挠度限值为l0/200(l0/250)，括号内的数值适用于对挠度有较高要求的构件。挠度限值的减小意味着成本的增加，挠度限值太小也没有必要。建议人行道步行板的挠度限值为L/300(L为支架间距)。③若步行板由薄壁板件组成，则在荷载作用下板件不能发生局部失稳。④步行板具有足够的抗疲劳性能，即在人行活载反复作用下不致于发生疲劳破坏。疲劳试验荷载幅值可取1.5 kN，循环次数可取10万次。⑤步行板具有足够的耐久性，使用寿命满足设计要求。⑥步行板的吸水量必须小，即不能因吸水而增加自重，从而增大二期恒载。⑦步行板上表面须具有防滑功能，且具有足够的硬度，防止尖锐物体损伤步行板。⑧步行板宜具有良好的阻燃性，即不燃烧。⑨为了防止步行板被风掀翻，其必须有足够自重，或者固定于支架之上。⑩方便检查维修。

2 钢筋混凝土步行板

按照我国现行TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[3]，钢筋混凝土结构采用容许应力法设计，计算强度时不考虑混凝土承受拉力(除主拉应力检算外)，拉力应完全由钢筋承受，计算裂缝宽度不应大于0.15～0.20 mm。裂缝的存在意味着雨水可以渗透进去，不仅会加剧混凝土出现碱骨料反应、掉块、保护层剥离等劣化问题，而且会引起钢筋腐蚀。当钢筋因腐蚀而导致截面削弱，其有效截面不能承受行人活载时，就会发生断裂现象且近乎于脆性断裂。

作为步行板的钢筋混凝土板厚度只有5～8 cm，保护层厚度一般为2 cm，采用φ8～φ12钢筋，极容易产生各种劣化现象，每年设备管理部门都要花费大量人力和物力进行检查，但是检查钢筋腐蚀的难度很大。当步行板劣化严重时须更换。

3 橡胶步行板

新型轻质橡胶步行板以天然橡胶为主要原料，内设螺纹钢骨架，经高温混炼而成[4]。橡胶步行板与钢支架之间采用螺栓连接。

橡胶是指具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。橡胶制品在使用过程中，容易受氧、臭氧、热、光、水分、机械应力等内外因素的综合作用而引起橡胶物理、化学特性和机械性能的逐步变坏，最后丧失使用价值，也就是老化，表现为表面龟裂、发黏、硬化、软化、粉化、变色、长霉等。当环境温度较高时，橡胶步行板的弹性模量显著减小，在人行荷载作用下的变形增大，使人产生不安全感。

4 复合材料步行板

4.1 复合材料简介

复合材料是由2种或2种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料。它既保留了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。复合材料最早用于军事工业，此后随着增强纤维、树脂基体、成型工艺等技术的发展，复合材料不仅在航空航天工业，而且在各种民用工业中获得了广泛的应用，成为重要的工程材料。

纤维增强复合材料是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压、拉挤或真空灌注等成型工艺而形成的复合材料。增强纤维材料包括玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维等，常用的是前2种。基体材料包括金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料，其中聚合物基体材料包括不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯等[5-7]。采用不同的基体材料、增强纤维材料和成型工艺，添加不同的辅助剂，能够得到不同性能的复合材料制品。

纤维增强复合材料具有如下特点：①质量轻，密度为1.8×103～2.1×103kg/m3；②比强度(纵向拉伸强度与其密度之比)高，比模量(纵向拉伸弹性模量与其密度之比)大；③材料性能和结构形式具有可设计性；④抗腐蚀性能和耐久性能好；⑤线膨胀系数与混凝土相近，相容性好。

4.2 2类复合材料步行板

1)模压成型复合材料步行板

模压成型工艺是将一定量基体材料和增强纤维材料组成的预浸料放入到金属模具的对模模腔中，利用带热源的压机产生一定的温度和压力，合模后在一定的温度和压力作用下使预浸料在模腔内受热软化、流动、充满模腔成型和固化，从而获得复合材料制品的一种工艺方法。模压成型复合材料步行板一般以不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂为基体材料，以玻璃纤维或玄武岩纤维为增强材料，为了增加横向强度可加入纤维毡。其结构一般为开口形式，即没有封闭的空腔。

这类复合材料步行板的制作过程受温度、模压压力、模压时间等因素的影响，即使步行板的原材料、结构形式和尺寸完全相同，不同步行板的质量也难以保持均一，同一步行板不同部位由于纤维含量不同物理和力学性能也不同。另外，设备投入较大，生产效率较低。

2)拉挤成型复合材料步行板

拉挤成型工艺是在牵引设备的牵引下，将连续纤维或其织物进行树脂浸润并通过成型模具加热使树脂固化，生产复合材料型材的工艺方法。其属于性能优异且经济的型材生产方式，非常适合大批量生产高质量的纤维增强复合材料型材。

拉挤成型复合材料步行板以玻璃纤维或玄武岩纤维为增强材料，为了增加横向强度可加入纤维毡。基体材料一般采用不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂。近年来，聚氨酯因具有韧性好、固化快、无苯乙烯烟雾等优点而进入长期由不饱和聚酯树脂和乙烯基树脂主宰的复合材料领域。聚氨酯拉挤复合材料制品具有低黏度、中度至高度反应性、良好的冲击强度和韧性以及剪切性能，可通过提高制品中玻璃纤维含量而使强度大大提高。

拉挤成型复合材料步行板的结构为平板式、带加劲肋的板式或者多室闭口形式。

4.3 几个问题

1)作为增强材料的玻璃纤维按含碱量划分为高碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维，相互之间价格差异很大。含碱量越高，复合材料产品的耐久性越差，因此在生产复合材料步行板时须采用无碱玻璃纤维。

2)在复合材料步行板靠近下表面添加钢丝。由于钢丝的弹性模量为210 GPa，而复合材料的弹性模量往往小于50 GPa，在外荷载反复作用下，两者由于变形不同而不能协调工作，黏结面容易破坏。另外，不管采用模压成型还是采用拉挤成型，钢丝在成品中很难固定于设计位置。

3)复合材料步行板采用不同复合材料型材或者复合材料型材与钢结构或混凝土结构黏结而成。在外荷载反复作用下，步行板反复弯曲变形，黏结面容易因剪切疲劳而破坏。

4)复合材料步行板采用拉挤成型的多室闭口截面形式。一方面，为了形成空腔，模具的芯棒处于悬臂状态，在连续拉挤生产过程中，芯棒会发生变形，造成内壁厚薄不均匀，若太薄则在外荷载作用下有可能破坏，且难以检查；另一方面，在连续生产过程中，若内壁出现断丝现象，则难以及时发现，从而影响产品质量。

5)如果采用模压成型，或者以不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂为基体材料拉挤成型，在其中添加一些低成本的非必要成分则会显著降低产品性能。如果采用纤维增强聚氨酯拉挤成型，聚氨酯的固化时间较短，以目前的技术水平在其中添加非必要成分的难度很大，则能够保证产品质量。

6)传统的钢筋混凝土步行板简支搁置于钢支架上，没有冗余度，一旦断裂就会发生人身伤害事故。建议采用连续板式结构，即3～4个支架支撑1块板，使其具有2～3个冗余度，增加安全性。

7)经济性。从目前步行板的制作成本分析，钢筋混凝土板是最便宜的，橡胶步行板次之，复合材料步行板最贵。如果从全寿命周期成本分析，特别是涉及人身安全的问题时，复合材料步行板还是具备竞争力的。

5 结论

铁路混凝土梁人行道步行板的使用状态直接关系着工务人员的安全。综合比较不同步行板的力学性能以及其生产和实际使用经验，推荐采用以聚氨酯为基体材料、以无碱连续玻璃纤维为增强材料、采用连续拉挤成型工艺生产的复合材料步行板，结构形式为平板式或者带加劲肋的板式。采用在3～4个支架间连续铺设，既能增加步行板的刚度，也能提高安全系数。