单向预应力预制钢弹簧浮置板系统设计研究

高 聪

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043）

1 概述

随着城市轨道交通建设的快速发展，由于运行引起的振动及噪声对周围环境产生了较大影响。城市轨道交通线路下穿时，上盖建筑物和居民受到振动和噪声的干扰，严重时产生二次振动和二次噪声影响。减振等级根据环评预测超标量分为中等减振、高等减振和特殊减振。针对医院、学校等环评敏感点，在城市轨道交通建设中采取合理有效的减振措施，降低振动和噪声是系统设计的重点[1－4]。

钢弹簧浮置板是由钢筋混凝土道床和钢弹簧隔振器共同组成的质量、弹簧、阻尼系统，实现隔离和减少轨道向周围传递振动。钢弹簧浮置板减振效果优良，可满足特殊和高等减振地段的减振需求，是目前城市轨道交通系统中公认且唯一的特殊减振措施，在国内各城市城市轨道交通项目中得到了广泛推广和应用[5－7]。但钢弹簧浮置板存在施工速度慢、严重制约铺轨工期等缺点[8－9]。为此，越来越多的城市开始逐步采用预制钢弹簧浮置板轨道结构[10－12]。现有预制浮置板可分为普通钢筋混凝土预制结构和部分预应力混凝土预制结构。存在的主要问题如下：混凝土为脆性材料，普通钢筋混凝土预制结构在受到列车反复荷载作用下易产生裂缝，耐久性相对较差；采用普通钢筋和预应力钢绞线配筋体系，预应力在浮置板中传递长度较大，浮置板两端区域预应力难以达到设计值[13－14]。

为解决上述问题，本文基于对既有轨道交通预制钢弹簧浮置板系统进行研究，针对现有普通钢筋混凝土浮置板预制结构耐久性差、部分预应力混凝土浮置板预制结构中钢绞线预应力传递长度大、缺少起吊支撑套管和连接套管等缺陷，提出一种单向预应力预制钢弹簧浮置板系统设计方案，以提高预制钢弹簧浮置板结构耐久性和板间的连接稳定性。

2 浮置板结构设计原则及方案

2．1 设计原则

单向预应力钢弹簧浮置板的设计需首先满足日常运营功能需求，实现减振目的。主要包括：

（1）满足特殊或高等减振需求，有效降低城市轨道交通运行过程中的振动和噪声问题。

（2）采用合理的配筋体系，提高预制钢弹簧浮置板结构的耐久性，延长使用寿命周期，节约经济成本。

（3）优化预制钢弹簧浮置板结构设计，采取板间连接措施，提高预制钢弹簧浮置板间的连接稳定性。

（4）预制钢弹簧浮置板结构设计应保证道床表面连续和平整，与既有预制钢弹簧浮置板比较，不额外增加相关日常养护维修工作量。

2．2 设计方案

预制钢弹簧浮置板轨道结构主要由钢筋混凝土浮置板整体道床和弹性支承元件组成，构成质量－弹簧减振系统，利用浮置板整体道床的惯性质量抵消轮轨产生的动载荷。本文提出的单向预应力预制钢弹簧浮置板结构具有以下特点：

（1）浮置板采用纵向预应力钢丝，预应力钢丝端部设置锚固板，有效降低预应力钢丝的传递长度，提高结构耐久性。

（2）优化浮置板预埋套筒设计，侧向套管同时实现起吊支撑和板件连接作用，结合水平套管可进一步提高板间连接的稳定性。

浮置板为单向预应力混凝土结构，长3.57 m、宽2.7 m、高0.34 m（承轨台处0.37 m）。每块板上布置6对承轨台、3对隔振器外套筒、8个侧向套管、24个水平套管以及4个杂散电流端子等。浮置板中间纵向布置一层共计7根1 570 MPa级φ10 mm的消除应力钢丝，采用先张法体系，端部设置锚固板，可降低应力传递长度。纵向上、下两层采用φ16 mm的HRB400级钢筋，横向上、下两层及架立钢筋采用φ12 mm的HRB400级钢筋。浮置板混凝土强度等级为C60级。板间通过水平套管、侧向套管与钢板、橡胶盖板配合实现稳固连接，侧向套管同时具有起吊功能。浮置板外形及预应力筋配筋设计如图1～图2所示。

图1 浮置板预应力筋配筋平面

图2 浮置板预应力筋配筋断面

3 浮置板结构检算

依据规范对浮置板的力学性能进行结构检算。主要包括纵向抗裂性能、横向抗裂性能、横向抗弯强度、横向疲劳特性等。

3．1 弯矩设计值

轨道结构计算参数如表1所示。

表1 轨道结构参数

静轮载取轴重为17 t计算，动轮载取值依据：

式中：α为速度系数；Pd为动轮载；P0为静轮载。检算速度取80 km／h，α取值为0.48，因此设计轮载取值为：

建立实体模型计算浮置板弯矩，模型选取3块浮置板进行计算，以中间板为研究分析对象。建模时钢轨与浮置板均采用实体模型模拟，钢轨和垫板之间节点连续，力可直接向下传递，而垫板与浮置板直接采用面面接触，使力向下传递，底部钢弹簧处全约束。弯矩设计值考虑轮载作用在浮置板中部和浮置板端部两种情况进行计算，有限元模型及轮载如图3～图4所示。

图3 有限元模型

图4 轮载作用示意

弯矩设计值计算结果如表2所示。

表2 浮置板结构破坏极值

3．2 设计参数

浮置板混凝土等级采用C60，弹性模量 Ec为3.65×104MPa，抗压极限强度fc为40 MPa，抗拉极限强度 fct为3.50 MPa。

预应力钢丝采用φH10，弹性模量Ep为2.05×105MPa，强度标准值fpk为1 570 MPa，张拉控制应力取0.65fpk，抗拉计算强度fp取0.9fpk，抗压计算强度f′p为 380 MPa，弹性模量比为 5.6。

纵向上、下两层非预应力钢筋采用φ16 mm的HRB400级钢筋，横向上、下两层非预应力钢筋及架立筋采用φ12 mm的HRB400级钢筋，弹性模量Es为2.0×105MPa，强度标准值fsk为400 MPa，抗拉计算强度 fs为 400 MPa，抗压计算强度 f′s为 400 MPa，弹性模量比为5.5。

3．3 浮置板配筋检算

3．3．1 浮置板横向检算

预应力钢筋在计算应力时，需综合考虑可导致预应力损失的影响因素。主要包括混凝土的收缩和徐变、锚头变形、温度差及钢筋的应力松弛等。

（1）预应力损失值

（2）横向抗裂性

（3）横向抗弯强度

（4）横向疲劳检算

经力学性能检算，浮置板的横向混凝土拉应力、结构抗弯性能及疲劳性能均能满足设计要求。

3．3．2 浮置板纵向检算

3．4 静载抗裂分析

3．4．1 模型建立

单向预应力预制钢弹簧浮置板外形尺寸如图5所示，支撑位置长2 700 mm、宽200 mm，加载位置长200 mm、宽150 mm。共设7根预应力筋。预应力筋采用φ10 mm消除应力钢丝，预应力筋长度按0.6倍的张拉控制应力经理论计算得出。浮置板加载及支撑位置如图6所示。

图5 浮置板外形尺寸（单位：mm）

图6 浮置板加载及支撑位置

浮置板开裂荷载分析计算条件：

（1）浮置板有限元计算模型底部支撑位置全约束。

（2）浮置板有限元计算模型加载位置施加集中荷载，荷载初始值为零，以10 kN逐级递增。每级加载完后根据有限元计算结果判断浮置板是否开裂。

（3）材料参数：混凝土等级采用C60，弹性模量为3.65 ×104MPa，密度为2 500 kg／m3，泊松比为0.2，抗拉强度极限值为3.5 MPa。预应力钢筋采用φ10 mm消除应力钢丝，张拉控制应力取0.65fpk，即1 020 MPa，弹性模量取为2.05×105MPa，密度为7 800 kg／m3，泊松比取0.3。

3．4．2 计算结果

根据模型加载方式，提取每级荷载作用下浮置板跨中顶面上混凝土拉应力（以拉为正）的分布情况。由于浮置板圆孔的存在，应力最大位置出现在圆孔处。当每个荷载面上施加80 kN集中荷载时，浮置板跨中顶面混凝土应力分布如图7所示。

图7 跨中顶面混凝土应力分布

模型计算结果如图8所示。当跨中荷载在40 kN以下时，浮置板混凝土在荷载作用下均处于受压状态；当施加荷载至40 kN以上时，浮置板跨中混凝土开始处于受拉状态；当荷载取118.5 kN时，混凝土最大拉应力为3.50 MPa，与混凝土抗拉强度极值3.5 MPa相近。

图8 各级荷载下跨中最大主拉应力

4 结束语

钢弹簧浮置板是城市轨道交通中一种重要的减振结构，具有广泛的应用。针对普通钢筋混凝土浮置板预制结构耐久性差、部分预应力混凝土浮置板预制结构中预应力难以达到设计值等问题，提出一种单向预应力预制钢弹簧浮置板系统设计方案。对力学性能进行检算分析，为浮置板结构优化设计提供参考。