城市軌道交通先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板試驗研究

張高揚

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

城市軌道交通常用的軌道道床結(jié)構(gòu)是現(xiàn)澆混凝土整體道床結(jié)構(gòu)，整體道床結(jié)構(gòu)造價適中，整體性強，但是鋪設(shè)工期長，發(fā)生損壞時修復(fù)困難[1-3]。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，對軌道結(jié)構(gòu)的施工速度和施工精度要求越來越高，且道床結(jié)構(gòu)的后期運營維護應(yīng)盡可能簡便。針對這種情形設(shè)計了一種城市軌道交通用雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板。

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板是我國無砟軌道的最新研究成果，率先應(yīng)用于高速鐵路的CRTSⅢ型軌道板，該板型能夠克服后張法預(yù)應(yīng)力鋼棒斷裂的問題，目前廣泛應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)[4]。

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道結(jié)構(gòu)自上而下分別為鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土等。軌道板縱、橫向均采用預(yù)應(yīng)力[5-6]，采用先張法工藝制作。由于城市軌道交通荷載模式不同，對于軌道板的承載力、排流措施要求與國鐵不同，因此需進行專門的優(yōu)化設(shè)計、理論分析以及荷載試驗[7]。

1 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板設(shè)計參數(shù)

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板板長3 500 mm、寬2 200 mm、厚200 mm，為預(yù)應(yīng)力混凝土板結(jié)構(gòu)。板上設(shè)30 mm高承軌臺，軌枕間距為600 mm，并安裝與扣件系統(tǒng)匹配的預(yù)埋絕緣套管。軌道板下設(shè)2個限位凸臺，尺寸400 mm×600 mm×140 mm，板內(nèi)設(shè)置3個φ160 mm灌漿孔。為便于施工吊裝，分別在混凝土板四角預(yù)埋起吊套管。

軌道板混凝土強度等級為C60，縱橫向預(yù)應(yīng)力筋采用1 570 MPa級φ9 mm螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲，非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB400級鋼筋。軌道板縱向預(yù)應(yīng)力筋沿截面中心對稱布置上下兩層共計24根，橫向預(yù)應(yīng)力筋沿截面中心對稱布置上下兩層共計40根[8-9]。

軌道板縱橫向端部設(shè)置有錨固板，以縮短預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力傳遞長度，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力為1 020 MPa[10-11]。

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板外形及配筋設(shè)計如圖1、圖2所示。

圖1 軌道板平面(單位：mm)

圖2 軌道板配筋

2 雙向預(yù)應(yīng)力軌道板開裂荷載分析

開裂荷載是指在按設(shè)計的加載方式加載時，使雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板主拉應(yīng)力達到混凝土抗拉強度設(shè)計值時所對應(yīng)的荷載值。雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板開裂荷載采用有限元方法經(jīng)逐步試算得出。

模型采用實體有限元，利用實體單元模擬混凝土，利用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，進行非線性分析[12]。

2.1 模型參數(shù)

預(yù)應(yīng)力筋按設(shè)計采用1 570 MPa級φ9 mm的消除應(yīng)力鋼絲，張拉控制應(yīng)力取0.65fptk，即1 020 MPa。彈性模量EP=2.05×105MPa；泊松比取0.3；密度取7 900 kg/m3。

混凝土為C60級，彈性模量Ec=3.65×104MPa；泊松比取0.2；密度取2 500 kg/m3。C60級混凝土抗拉強度極限值為3.50 MPa[13]。

2.2 荷載圖示及取值

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板開裂荷載分析加載位置采用沿縱向中心線對稱布置，兩側(cè)各5個加載面，加載面大小為150 mm×200 mm，所有加載面采用同步加載方式，加載大小以集中荷載表示，加載方式如圖3所示。計算荷載初始值取0，并以5 kN逐級遞增，每級加載完成后根據(jù)有限元計算結(jié)果判斷混凝土板是否開裂。

圖3 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板加載方式(單位：mm)

2.3 模型簡化

為便于建模計算，本文對有限元模型進行了如下簡化：

(1)模型中沒有考慮承軌臺、預(yù)埋套管及灌注孔的影響；

(2)沒有考慮縱向箍筋的作用；

(3)預(yù)應(yīng)力傳遞長度為0。

根據(jù)以上參數(shù)及簡化原則，所建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板模型

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)模型加載方式，本文提取了每級荷載作用下雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板跨中頂面上混凝土拉應(yīng)力(以拉為正)的分布情況。當(dāng)每個加載面上施加25 kN集中荷載時，軌道板跨中頂面混凝土應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 跨中頂面混凝土應(yīng)力分布

由于荷載施加在雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板邊緣，因此在板的邊緣會出現(xiàn)壓應(yīng)力突然減小的情況，但是為了統(tǒng)一比較的標(biāo)準(zhǔn)，采用最大主拉應(yīng)力作為該級荷載下的主拉應(yīng)力特征值。統(tǒng)計各級荷載作用下雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板跨中最大主拉應(yīng)力(以拉為正)的計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 各級荷載下跨中最大主拉應(yīng)力

根據(jù)圖6可知：當(dāng)施加荷載在20 kN以下時，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板混凝土在雙預(yù)應(yīng)力的作用下仍均處于受壓狀態(tài)；當(dāng)施加荷載在20 kN及以上時，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板跨中混凝土開始處于受拉狀態(tài)；當(dāng)荷載取35.8 kN時，混凝土最大拉應(yīng)力為3.498 MPa，與混凝土的抗拉強度極值3.50 MPa相近。

根據(jù)以上分析，本試驗中開裂荷載取35.8 kN。

軌道板作為城市軌道交通中的上部結(jié)構(gòu)，直接承受車輛等可變荷載，為保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，需要檢驗軌道板的疲勞性能。為了方便試驗，疲勞荷載的加載方式和開裂試驗相同。疲勞荷載根據(jù)混凝土開裂荷載取值，最大疲勞荷載為0.5倍開裂荷載，最小疲勞荷載為0.25倍開裂荷載[14]。為了便于加載，對荷載值進行取整處理。疲勞荷載及循環(huán)特征值ρ為

Pmin=100 kN，Pmax=200 kN，ρ=Pmin/Pmax=0.5。

3 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板疲勞性能及開裂試驗研究

3.1 試驗條件及儀器設(shè)備

(1)試驗場地和工裝應(yīng)具有足夠的剛度、穩(wěn)定性和平整度。

(2)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板疲勞性能和開裂試驗應(yīng)在雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板張拉、澆筑混凝土完成28 d后進行。

(3)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載試驗機的級別不得低于1 級，示值相對誤差不得大于±1%；壓力傳感器的精度應(yīng)不低于C級，顯示儀表最小分度值不大于加載最大量值的1%，示值誤差應(yīng)為±1%，加載用千斤頂校驗系數(shù)應(yīng)不大于1.05。

(4)軌道板疲勞試驗應(yīng)采用準(zhǔn)確度為一級的疲勞試驗機，加載振動頻率小于10 Hz。

(5)用于觀察裂縫的普通放大鏡放大倍數(shù)不小于25倍，讀數(shù)精度0.01 mm，并有照明設(shè)備。

(6)試驗所用計量設(shè)備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經(jīng)法定計量檢定部門檢定合格，且在有效期內(nèi)使用[15-16]。

3.2 試驗步驟

(1)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板安裝就位后，用10倍放大鏡在雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的上表面及兩側(cè)面進行外觀檢查，并對初始缺陷進行標(biāo)記，有條件時可采用圖像識別技術(shù)自動記錄梁縫寬度。

(2)首先進行疲勞試驗，然后進行開裂試驗。

(3)疲勞試驗完成后對軌道板進行檢查，觀察裂縫情況。

(4)開裂試驗加載前應(yīng)對雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的支承狀態(tài)進行檢查，確認支承狀態(tài)良好后方可加載。加載時各加載點宜同速、同步達到同一荷載值，加載速度應(yīng)均勻，且單點加載速率不大于0.5 kN/s。

(5)加載荷載至5 kN時，穩(wěn)定壓力3 min，然后用放大鏡觀測受拉區(qū)裂縫開展情況[17]。如出現(xiàn)異常，則停止加載。

(6)如無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，則繼續(xù)以每級5 kN加載至40 kN，并觀測每級荷載下受拉區(qū)裂縫開展情況。

3.3 疲勞性能及開裂試驗結(jié)果

雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板按照設(shè)計加載位置進行加載，對軌道板進行200萬次的循環(huán)加載后，通過放大鏡和裂縫觀測儀觀察其表面受拉區(qū)無裂紋出現(xiàn)，說明軌道板的疲勞性能良好，滿足要求。

根據(jù)靜載試驗方法及計算得出的開裂荷載，進行雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗過程及結(jié)果分別如圖7及表1所示。

圖7 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗

表1 雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂試驗結(jié)果記錄

注：每級荷載穩(wěn)定3 min后觀察裂紋開展情況。

對軌道板進行疲勞后的靜載試驗，當(dāng)荷載為 40 kN時其表面出現(xiàn)微裂縫，整個加載過程中最大裂縫寬度為 0.04 mm，長度為 8.1 cm。根據(jù)上述結(jié)果可以看出，雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的靜載抗裂試驗滿足設(shè)計及工程需求。本次試驗開裂荷載大于有限元分析得到的開裂荷載，誤差為10.5%，這主要是由于有限元分析的參數(shù)取值與實際值有偏差，如混凝土抗拉極限強度、混凝土彈性模量等參數(shù)均有一定的變異性。

4 結(jié)論

針對城市軌道交通用雙向先張法軌道板進行了設(shè)計及疲勞與靜載開裂試驗研究。主要結(jié)論如下。

(1)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板靜載抗裂理論分析結(jié)果和試驗結(jié)果吻合度較好。

(2)雙向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板的疲勞性能和靜載抗裂性能可以滿足設(shè)計要求，按照設(shè)計的生產(chǎn)工藝制板可滿足工程需求。