城市轨道交通预制钢弹簧浮置板技术研究

刘雪锋 杨 松 郭 骁 丁静波

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

地铁在解决城市交通拥堵问题的同时,引发的负面影响与日俱增[1],其运营过程中产生的振动和噪声随铺设里程的增加不断蔓延,给人们的生活环境造成不良影响。因此,地铁的减振降噪问题迫在眉睫[2]。轨道结构作为地铁车辆的直接载体,成为研究的焦点之一。钢弹簧浮置板道床作为现有最高等级的轨道减振措施,引起越来越多研究者的关注[3]。随着现浇钢弹簧浮置板道床设计施工技术的日益成熟,提高其预制化率、优化钢弹簧浮置板结构成为轨道减振措施发展的主流方向[4-5]。

传统的钢弹簧浮置板采用现场绑扎钢筋笼、现场浇筑混凝土的方式施工[6],存在施工效率低、作业环境差、施工质量难以保证等问题。另外,单块现浇板长25m,运营后难以更换,且现场混凝土作业多,不利于环境保护[7]。

预制钢弹簧浮置板在保证减振水平的同时,可提高轨道结构的铺设精度和施工效率,美观整洁,是现有钢弹簧浮置板整体道床的首选结构形式[8]。

(1)预制钢弹簧浮置板为工厂预制构件,承轨台尺寸和轨枕间距精确,轨距稳定可靠,配套使用CPⅢ测量技术,轨道铺设精度高,有利于消除初始不平顺,提高乘坐舒适性[9]。

(2)预制钢弹簧浮置板尺寸小,可通过轨排井下料,也可利用盾构井下料,缩短了运输距离,具有较好的施工便捷性。

(3)单块预制钢弹簧浮置板质量小,通常情况下可在天窗时间内完成更换,不影响正常运营。

(4)预制钢弹簧浮置板美观、整洁,可减少现场钢筋笼绑扎和混凝土浇筑工作量,提高轨道结构预制化程度,对于减少环境污染具有重要作用[10-11]。

预制钢弹簧浮置板在国内城市轨道交通领域发展迅速,在总结既有应用经验的基础上[12-14],从预制板型式尺寸、配筋设计等方面进行深入优化,研究更为合理可靠的预制钢弹簧浮置板结构。

2 结构设计

2.1 主要设计参数

为保证预制钢弹簧浮置板的通用性,选取城市轨道交通轨道系统中广泛应用的钢轨、扣件及相关技术参数开展研究,见表1。

表1 主要设计参数

2.2 预制钢弹簧浮置板结构设计

(1)型式尺寸设计

预制钢弹簧浮置板型式尺寸设计从以下几方面考虑。

①尺寸选取应在满足限界要求的基础上留有适当的余量。

②提高参振质量可以消耗更多的能量进而提高减振效果,同时加长板长可以减少板之间的连接元件数量,增强结构整体性[15]。

③当预制钢弹簧浮置板铺设在曲线地段时,考虑曲线矢距,板长不应过长,以避免预制板中心线与线路中心线偏差过大。

④考虑施工便捷性,预制钢弹簧浮置板质量不应过重,以避免增加运输、吊装、调整等施工工序的难度。

根据以上原则,结合既有设计经验,最终确定两种板型尺寸。

①直线及曲线半径≥500m曲线地段,浮置板尺寸为4.77m×2.7m×0.37m,质量约为12.2t,结构型式见图1(a)。

②曲线半径<500m曲线地段,浮置板尺寸为3.57m×2.7m×0.37m,质量约为9.1t。结构型式见图1(b)。

图1 预制钢弹簧浮置板型式(单位:mm)

(2)板体结构设计

预制钢弹簧浮置板在工作过程中持续上下振动,故板体需要有足够的强度。预制钢弹簧浮置板采用C60混凝土,纵向采用φ16mm钢筋,横向采用φ16 mm和φ12mm钢筋组合,在隔振器周围设置抗裂钢筋,预埋套管周围设置螺旋筋,预制板端部设置加强筋,确保预制板强度满足使用要求,见图2。

图2 预制钢弹簧浮置板配筋(单位:mm)

(3)钢弹簧隔振器布置

一般地段,钢弹簧隔振器布置方案为纵向间距1200mm,横向间距1860m。钢弹簧浮置板与低于其减振级别的道床型式相接时,对隔振器横纵向分别进行加密处理,以实现刚度过渡,过渡一侧设置5对600mm间距隔振器,其中,第一对隔振器中间增设1对横向加密隔振器,间距1100mm,见图3。

图3 过渡段隔振器布置(单位:mm)

(4)曲线地段调整方案

曲线地段,采用“以直代曲”的预制钢弹簧浮置板设计方案及半矢距的调整原则,以板端起第2组承轨台中心连线与预制板纵向中心线交点为每块预制板的基准点,每块预制板的2个基点均位于线路中心线上。如图4所示,通过调整扣件实现轨距调整。

图4 曲线地段扣件调整示意(单位:mm)

(5)杂散电流设计

道床钢筋作为杂散电流的主收集网,钢筋截面积需满足杂散电流排流需求,同时应预留向外排流的接口。与杂散电流排流相关的钢筋进行焊接处理,并在预制板四角预留4处连接端子,如图5所示。

图5 预制钢弹簧浮置板杂散电流接口示意

3 理论计算

3.1 预制钢弹簧浮置板配筋验算

采用有限元方法建立预制钢弹簧浮置板计算模型,分别计算自重作用下和列车荷载作用下浮置板的受力。

(1)有限元模型建立

建立3块浮置板长度的有限元模型,列车荷载施加于第二块浮置板中部,提取第二块浮置板的应力及弯矩。模型中钢轨、浮置板、基底均采用实体单元模拟,材料参数见表2。扣件为ZX-2型扣件,扣件静刚度为35kN/mm。隧道基底采用弹性基础,地基模量为1200MPa/m。有限元模型见图6、图7。

图6 预制钢弹簧浮置板有限元模型

图7 钢轨-板-基础-隧道有限元模型

表2 有限元模型参数汇总

(2)预制钢弹簧浮置板受力计算

分别计算预制钢弹簧浮置板在自重荷载和列车荷载作用下纵、横向应力,计算结果如表3所示,应力云图如图8、图9所示。

图8 自重荷载下浮置板应力云图(单位:Pa)

图9 列车荷载下浮置板应力云图(单位:Pa)

表3 预制钢弹簧浮置板应力汇总 MPa

根据规范要求[16],按承载能力极限状态计算配筋,按正常使用极限状态检算裂缝,对应的荷载组合下浮置板设计弯矩如表4所示。

表4 预制钢弹簧浮置板设计弯矩 kN·m

(3)配筋验算

根据规范[17]中承载能力极限状态计算方法对预制钢弹簧浮置板进行配筋计算,浮置板横截面底部所需配筋面积为4396mm2,顶部所需配筋面积为2198mm2;浮置板纵截面底部及顶部所需配筋面积均为3819mm2;浮置板裂缝宽度限值为0.233mm。经计算,配筋及裂缝宽度均满足规范要求。

3.2 模态分析

为研究预制钢弹簧浮置板轨道结构的频谱特性及隧道结构的影响,对预制钢弹簧浮置板轨道结构模型进行模态分析[18]。

(1)钢轨-扣件-板-基底结构模态分析

在不考虑隧道结构的情况下,对预制钢弹簧浮置板整体道床进行模态分析,第一阶弯曲振动和第一阶扭转振动形态见图10、图11。

图10 第一阶弯曲振动

图11 第一阶扭转振动

预制钢弹簧浮置板轨道结构第一阶自振频率为13.105Hz,为整个结构的弯曲振动;发生扭转振动的第一阶自振频率为19.922Hz。从第五阶弯曲振动开始,浮置板板体自身发生明显弯折,自振频率为31.931Hz,到达板自身的第一阶弯曲模态;从第三阶扭转振动开始,浮置板板体自身发生明显扭转,自振频率为34.623Hz,到达板自身的第一阶扭转模态。

(2)钢轨-扣件-板-基底-隧道结构模态分析

在考虑隧道结构的情况下,对预制钢弹簧浮置板整体道床进行模态分析,第一阶弯曲振动和第一阶扭转振动形态见图12、图13。

图12 第一阶弯曲振动

图13 第一阶扭转振动

分别提取两种工况下前十阶的弯曲振动模态和前六阶的扭转振动模态,并对自振频率进行对比分析,以验证隧道结构对浮置板振动形态的影响,如表5所示。

表5 预制钢弹簧浮置板自振频率及模态统计 Hz

不难看出,两种工况下预制钢弹簧浮置板轨道结构低频各阶自振频率相差较小,模态振型基本一致,因此,隧道结构对预制钢弹簧浮置板轨道结构的模态振型和低频各阶自振频率影响较小,不会改变轨道结构的频谱特性。

4 厂内试制及检验

根据以上设计方案,制定了相关技术要求,并对预制钢弹簧浮置板进行厂内试制。

(1)预制钢弹簧浮置板在工厂内预制生产,板内预制件应严格按照定位尺寸浇注于板体内。

(2)板体长、宽、厚,隔振器外套筒位置,预埋套管位置,各部位平整度均应符合设计要求。

(3)钢筋、混凝土性能应严格按照相关规范,混凝土保护层厚度为35～40mm,杂散电流排流用钢筋应焊接牢固。

(4)预制钢弹簧浮置板可采用蒸汽养护,待达到混凝土立方体抗压强度标准值75%后方可脱模,预制板脱模后保温、保湿总时间不应小于14d。

试制完成后进行产品性能检验,检验项目包括外观检验、型式尺寸检验、静载开裂检验、试件混凝土抗压强度和检验、纵向电阻测试、疲劳试验、预埋套管抗拔力检验等。

4.1 外观检验

预制钢弹簧浮置板表面应密实、干整、光洁、颜色均匀,避免有露筋、蜂窝、孔洞、疏松、麻面、裂缝、起砂或起鼓、棱角破损等缺陷。经检验,预制板的外观符合设计要求,如图14所示。

图14 外观检验

4.2 型式尺寸检验

型式尺寸检验包括预制钢弹簧浮置板的长度、宽度、厚度、平整度、预埋套管位置等,经检验各项型式尺寸均满足设计要求,如图15所示。

图15 型式尺寸检验

4.3 静载开裂试验

静载开裂检验中,对预制钢弹簧浮置板按图16、图17要求进行加载,横截面加载20kN,纵截面加载15kN,若浮置板纵横向截面均无开裂,判定静载开裂性能合格;若有2个截面开裂,则判定静载开裂性能不合格;若有1个截面开裂,允许重新抽样进行试验;若无开裂,判定静载抗裂性能合格;若仍有截面开裂,则判定静载抗裂性能不合格[19]。经检验,横纵截面均无开裂,满足设计要求,如图18所示。

图16 横向加载示意(单位:mm)

图17 纵向加载示意(单位:mm)

图18 静载开裂试验

4.4 试件混凝土抗压强度检验

生产过程中,取试样制作混凝土抗压强度试件,试件应与预制钢弹簧浮置板同条件成型和养护,试验标准符合相关规范[20],经检验,试件强度满足设计要求,如图19所示。

图19 试件混凝土抗压强度检验

4.5 杂散电流收集网纵向电阻测试

预制钢弹簧浮置板主收集网钢筋纵向电阻值应满足杂散电流设计要求(建议不大于3mΩ),经检验,满足设计要求,如图20所示。

图20 杂散电流收集网纵向电阻测试

4.6 预埋套管抗拔力检验

抽取1块预制钢弹簧浮置板,任选3个预埋套管进行抗拔力检验,若3个套管的抗拔力均不低于100kN,则判定为合格;若有1个预埋套管不能达到要求,可再选一块重新检验,抗拔力均大于100kN,判定为合格;若再出现套管抗拔力低于100kN,则判定整批次不合格。经检验,预埋套管抗拔力满足设计要求,如图21所示。

图21 预埋套管抗拔力检验

4.7 疲劳试验

抽取1块预制钢弹簧浮置板,在荷载60kN、支距1860mm的简支状态下(如图22所示),经200万次疲劳试验后,裂缝不应大于0.2mm,经检验疲劳试验后未出现裂缝,满足设计要求。

图22 疲劳试验示意(单位:mm)

按设计方案进行工厂试制并进行相应试验后,预制钢弹簧浮置板各项技术指标均满足设计要求。

5 施工方案

根据预制钢弹簧浮置板的结构特点,提出与之匹配的施工流程,用于指导预制钢弹簧浮置板整体道床施工。

(1)施工准备

技术准备→场地准备→岗前培训→施工劳动组织→机械设备及计量器具配置。

(2)控制网复测、基底加密基标放样测量

控制网复测→道床中心线复测→基底加密基标放样测量。

(3)预制钢弹簧浮置板基底施工

结构底板清理→基底钢筋绑扎→基底模板安装→基底混凝土浇筑→基底修整及清理。

(4)临时走行线铺设

基底施工完成后,铺设浮置板临时走行线路。

(5)预制钢弹簧浮置板位置放样测量

以轨道基础控制网为基准对浮置板位置进行放样测量。

(6)预制钢弹簧浮置板铺设

浮置板储存→浮置板吊装运输→浮置板铺设。

(7)扣件、钢轨安装

用过预制板内预埋套管安装轨道扣件及钢轨。

(8)浮置板道床顶升

密封条安装→隔振器安装→浮置板顶升调试。

(9)浮置板附属设施安装

进行剪力铰等附属设备的安装。

(10)轨道长轨精调

在钢轨焊接、应力放散和轨温锁定后,轨道基础控制网复测完成的条件下进行长轨精调。

6 结论

预制钢弹簧浮置板可解决传统现浇钢弹簧浮置板现场施工繁琐、施工精度难以保证、施工质量差、不具备可维修性等问题。在既有预制钢弹簧浮置板应用经验的基础上,对板型尺寸、结构配筋、隔振器布置等参数进行优化设计。经受力分析及模态分析,验证设计方案满足要求。在理论计算的基础上开展厂内试制试验,其外观、型式尺寸、结构强度、纵向电阻值、疲劳性能、预埋套管抗拔力等参数均满足设计要求,可保证运营的安全性和可靠性。基于其产品精度高、施工便捷性高、预制化率高、可维修性高、美观整洁等优点,可在城市轨道交通中推广使用。