地铁车站轨行区风管吊具疲劳安全性能试验研究

北京市地铁运营有限公司 李 晓北京交通大学 毛 军

0 引言

地铁在城市公共交通系统中发挥着非常重要的作用，安全可靠是对地铁运营最基本的要求。地铁在快速发展的同时，也存在诸多安全隐患[1]。例如，地铁站台轨行区上方的通风管路处于地铁列车活塞风气流中，长期受到气流冲击和振动的作用，可能出现风管吊架松动和风管脱落的现象，从而对列车行车安全构成严重威胁。另外，风管的吊架一般采用螺纹紧固件装配连接方式，吊架与混凝土的连接采用膨胀螺栓。膨胀螺栓在混凝土围岩内的稳固性至关重要，若现场安装不规范，易造成风管脱落甚至发生行车事故的不良后果。事实上，地铁曾发生过数起轨顶风管及吊杆脱落事件，给地铁列车和乘客人身安全带来极大隐患[2-3]。例如，某地铁连接围岩与吊杆的膨胀螺栓失效，导致吊架整体松动并向下倾斜，与进站列车顶部发生碰撞，使列车迫停，造成沿线地铁停运45 min，严重影响了交通出行。

由于风管受到水平交变气流的作用，风管吊架受力呈现动态变化特点，仅依据静力学性能难以准确判定其安全可靠性。因此，需掌握吊具的动态力学安全性能，确定膨胀螺栓预紧力并根据监测结果进行必要修正。本文以北京地铁轨顶风管支吊架为对象，通过试验研究吊具的疲劳特性和连接特性，为提高地铁轨顶风管及列车行车的安全可靠性提供依据。

1 地铁轨顶风管和吊具安装方式

现有轨顶风管安装方式如图1所示。既有吊架的构成是：竖杆由一端带M10螺纹的圆钢与90°钢焊接而成，上端通过M12膨胀螺栓固定在围岩顶部，下端通过M10螺母与横梁6.3#槽钢连接，风管直接置于横梁上。在风管改造可行性研究中，拟采用双管合一吊架方式。

图1 某地铁轨行区上方的通风风管安装方式

按照新设计规范，吊架与围岩之间宜采用扩底锚栓固定方式。而实际采用的是膨胀螺栓固定方式，吊架采用螺杆、螺母连接，在振动环境中可能松动，支、托、吊架等金属件也存在疲劳破坏的可能。所以需要进行扩底锚栓、膨胀锚栓、吊架链接件、紧固件的力学性能试验以确定其在运行过程中的稳定性。

显然，在地铁运营线路现场难以进行风管吊具的动荷载测试和拉拔极限试验，因此，需要对既有吊具及锚栓进行接近实际条件的试验研究，以便为风管改造工程及今后新风管吊具设计提供数据支持。

2 试验设计

2.1 试验模型

试验模型要求能够客观反映现场风管吊架的安装情况。根据改造工程可行性报告，单件吊架的静态荷载为591.74 kg。为提高试验效率及对多种形式的吊具进行测试，设计加工了一套综合试验试样。该试样由4件吊架通过横杆组合成一个整体，且采用不同的紧固方式(双螺母、单螺母加弹性垫圈)，每件吊架的受力相等。试样的总静荷载为4×591.74 kg，即约2 400 kg。考虑到加载便利性，以混凝土基础代替围岩，并将其固定在地面上，在试验时对托架向上加载，使吊具的受力条件与实际情况一致。

试样混凝土由C30混凝土和正常敷设的钢筋浇筑而成，其尺寸和形状根据试验装置的具体情况确定，长、宽、高分别为3.6、1.6、0.4 m，总质量约8 000 kg，足以保证其不受吊架受力加载的影响。各杆件、连接件的材料、尺寸、规格、连接方式等均与实际情况相同，详细结构见图2。

混凝土基础上吊点支撑点的处理方式与现场情况相同。4件吊架分别采用与混凝土不同的连接方式：其中2件采用切底螺栓，另2件采用膨胀螺栓；2件采用角钢与圆钢杆焊接、角钢固定在混凝土基础上的方式，另2件采用槽钢固定在混凝土基础上、无需焊接的方式。加载钢框采用钢板焊接制成，钢板厚度均为24 mm。

2.2 吊具型式

2.2.1吊架的2种形式

注：数值单位为mm。图2 风管吊架与混凝土基础及加载钢框

根据北京地铁现场情况，考虑到安全性和安装维修的方便，设计了2种形式的吊架。一种是角钢与圆钢杆焊接在一起，角钢固定在围岩上，代号A型吊架；另一种是使用槽钢，槽钢无需与圆钢杆焊接在一起，槽钢固定在围岩上，代号B型吊架。如图3所示。

注：数值单位为mm。图3 2种形式的风管吊架

2.2.2吊架与混凝土基础连接的2种螺栓

根据北京地铁现场情况和吊架安装标准GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》的要求，考虑到安全性和可维护性，使用普通膨胀螺栓和切底螺栓2种螺栓连接吊架与混凝土基础，对连接情况进行试验分析。

3 吊具模型疲劳试验过程

3.1 试验内容

如前所述，待测吊具包括4种形式：A型吊架+普通膨胀螺栓，A型吊架+切底螺栓；B型吊架+普通膨胀螺栓，B型吊架+切底螺栓。试验内容主要包括：

1) 对不同形式的吊架进行循环加载次数达200万次[4-5]的疲劳试验，同时测试螺栓预紧力变化及其紧固件松动情况；

2) 对安装在同一区域混凝土上的切底螺栓和膨胀螺栓进行拉拔试验；

3) 采用静力加载方式进行破坏性试验，分别在最大、最小试验荷载时进行测量。

通过试验，分析吊架的动荷载变化规律，对比2种锚固螺栓的失效情况，为改造工程的设计、施工及紧固件维护提供参考建议。

3.2 动态加载装置、加载方式及测点布置

3.2.1疲劳加载装置

疲劳试验在北京交通大学的结构试验室进行。使用500 kN疲劳试验机、伺服和静力液压加载头等大型设备，配置先进的传感器，动静力信号检测、记录和数据分析仪器等。试验装置的总体布置情况如图4所示。

图4 风管吊架疲劳加载试验装置系统

装置加载时，调节钢框及螺栓预紧力使4件吊架的初始荷载相等，并以此为加载零点。

在实际工程中，空调送风使用厚度为25 mm的双面彩钢复合风管，回排风采用镀锌钢板风管。所有吊架均采用热镀锌型钢、圆钢，螺栓连接均采用双螺母。空调送风管吊架间距为1 200 mm，每隔3个普通吊架设置1个固定防晃吊架。轨顶回排风管吊架的间距为1 500 mm，每隔3个普通吊架设置1个固定防晃吊架，每件吊架的试验静荷载为591.74 kg。

3.2.2受力测点布置与动态加载情况

4件吊架的8根圆钢吊杆的杆端设置有8个螺栓应变传感器，编号为1#～8#，用于测定吊杆的实时受力；8个地脚螺栓的端头亦安装螺栓应变传感器，编号为9#～16#，用于测定地脚螺栓在循环荷载作用下的预紧力。每个传感器均经过了标定，如图5所示。

图5 测点传感器设置情况

3.2.3动态加载方式

考虑到风管会受到列车活塞风气流的作用，使得吊架在竖直方向上受到附加的竖向荷载，因此，最大动荷载在静荷载的基础上增加20%，动态加载的主要参数确定为：循环荷载为720 kg，加载频率为5 Hz，循环次数为200万次以上，采用多点等幅加载模式[6]。

加载作用力杆由螺栓固定在加载钢框上，通过加载夹头与作动器相连接，如图4所示。2件“角钢-圆钢杆”吊架与2件“槽钢-圆钢杆”吊架的上端通过M10螺母与加载钢框连接，下端则分别通过普通膨胀螺栓和切底螺栓与混凝土基础相连。当作动器上、下往复运动时，吊架即受到交变振动荷载的作用，交变荷载按压力-拉力交替作用的方式循环施加。因此，吊具亦受到受压-受拉的交变作用力，其频率为5 Hz。加载时，作动器的最大位移不超过±5 mm，最大荷载不超过10 kN和-5 kN。

4 疲劳加载试验结果及其分析

疲劳试验结束时，荷载循环累积次数为200万次，疲劳试验过程中，监测吊杆和地脚螺栓的预警力变化及动态应力，然后在荷载循环累计次数达到200万次后停机进行静力加载(拉拔)试验[7]。

4.1 疲劳试验结果

在疲劳试验过程中，根据加载的实际情况，将加载过程分成了6个时间段，分别对应4月1—6日。为捕捉疲劳失效的瞬态，数据采样间隔设定为0.02 s，获得了海量监测数据，处理后得到时程曲线。开始试验时，先进行力基准调零，并给每根吊杆施加一定的拉伸预紧力，一是为了使8根吊杆的动荷载基本均匀，二是使吊杆与实际情况相符合即吊杆不承受压力。图6、7显示了吊杆及螺栓受力的部分时程曲线。

图6 吊杆及螺栓的受力时程曲线(第1天，12.5 h以内)

4.2 试验结果分析

由吊具受力的时程曲线可以看出，在200万次的加载循环周期内，吊杆和螺栓的受力均处于安全值范围内，保持正常工作状态。

同时，在采样间隔为0.02 s的监测数据中，归纳了上述6个加载时间段内的受力极值(波峰、波谷的峰值)和最值(最大、最小值)，部分结果见表1、2。

表1 吊杆和地脚螺栓受力极值(4月1日)

表2 吊杆和地脚螺栓受力极值(4月6日)

可见，按照金属构建疲劳试验的相关规范，在循环加载200万次、频率为5 Hz的条件下，前述4种吊具均能承受实际风管的荷载。但试验过程中，与混凝土基础连接的形式，以角钢-地脚螺栓固定方式为宜；槽钢-地脚螺栓固定方式的槽钢振动比较明显。

5 静态拉拔试验结果及其分析

为了比较前述4种形式吊具的承载极限，进行了静态拉拔破坏性试验。采用线性加载方式，作动器位移线性增加，加载时间为0～473 s。图8显示了拉拔试验的荷载时程变化曲线。

图8 作动器荷载时程曲线(加载时间0～473 s)

图8显示：当作动器加载到第93秒，荷载达到-45 kN，有少数杆件失效；第246秒时，荷载为-112 kN，吊具完全失效；第246秒之后，作动器的荷载逐步减小至-38 kN。

图9显示了吊具的静态极限破坏情况。

图9 极限加载的吊具失效状态

普通膨胀螺栓先于吊具发生失效，吊具先于切底螺栓发生失效；B型吊架槽钢的变形程度高于A型吊架角钢的变形程度；圆钢与角钢焊接的强度高于螺栓螺纹连接的强度；通过在实际操作过程中使用力矩扳手进行测试，螺栓的预紧力控制在40～43 N·m能满足要求。

6 结论

1) 4种形式的吊具在正常荷载、200万次循环的范围内，其受力和变形均是安全的，但使用槽钢与围岩连接的方式，槽钢的动态弹性变形和恢复过程比较明显。

2) 切底螺栓的牢固程度远高于普通膨胀螺栓；普通膨胀螺栓先于吊具发生失效，吊具先于切底螺栓发生失效。

3) B型吊架槽钢的变形程度高于A型吊架角钢；圆钢与角钢焊接的强度高于螺栓螺纹连接。

4)地铁风管吊具的结构型式以A型吊架+切底螺栓为最优。安装时，螺栓的预紧力控制在40～43 N·m为宜。