城市軌道交通活動(dòng)斷層區(qū)域用寬枕板試制及試驗(yàn)研究

徐 紅,于 鵬,許正洪,張馨太,張高揚(yáng),怯延峰

(1.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 830026； 2.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043； 3.銀龍軌道有限公司,天津 300134)

城市軌道交通活動(dòng)斷層區(qū)域用寬枕板試制及試驗(yàn)研究

徐 紅1,于 鵬2,許正洪3,張馨太1,張高揚(yáng)2,怯延峰3

(1.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 830026； 2.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043； 3.銀龍軌道有限公司,天津 300134)

烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線穿越活動(dòng)斷層區(qū)域采用的寬枕板是一種新型軌道結(jié)構(gòu),為驗(yàn)證寬枕板的制造、吊運(yùn)及其力學(xué)特性滿足工程需求,對(duì)寬枕板進(jìn)行試制及試驗(yàn)研究。按照先張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)寬枕板,并制定寬枕板試制工藝及型式尺寸檢驗(yàn)要求,基于有限元分析方法確定靜載試驗(yàn)的檢驗(yàn)荷載并進(jìn)行寬枕板靜載抗裂試驗(yàn)。結(jié)果表明：按照設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝制造的寬枕板,其制造誤差可以控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi),吊運(yùn)方便且穩(wěn)定,可以滿足工程需求,其靜載抗裂特性可以滿足工程需求。

城市軌道交通；活動(dòng)斷層；寬枕板；試制；靜載試驗(yàn)；抗裂試驗(yàn)

烏魯木齊市存在多條活動(dòng)斷層，且部分?jǐn)鄬釉诎倌陜?nèi)具有活動(dòng)性，在地質(zhì)構(gòu)造作用下可能會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)空間大變形[1]。在城市軌道交通穿越具有活動(dòng)性的活動(dòng)斷層時(shí)，為降低工程實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)、防水、接觸網(wǎng)、軌道等方面均采取了工程措施，以便在活動(dòng)斷層發(fā)生瞬時(shí)空間大變形時(shí)城市軌道交通工程可以快速、便捷修復(fù)。

有砟軌道道砟層是由散粒體道砟顆粒組成，在列車(chē)的動(dòng)荷載作用下，道砟容易流動(dòng)，造成軌面下沉和扭曲，破壞軌道的幾何形位。為了保證行車(chē)的安全性和舒適性，需要定期對(duì)道砟進(jìn)行搗固和恢復(fù)，這給工務(wù)維修增加了難度和工作量[2-3]。尤其在城市地鐵中，隧道內(nèi)施工空間狹小，維護(hù)不便，因此地鐵中一般采用無(wú)砟軌道。但是有砟軌道具有彈性好、能夠適應(yīng)較大變形以及出現(xiàn)問(wèn)題后易修復(fù)的特點(diǎn)，聚氨酯固化道床是一種新型的軌道結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)溆杏许能壍篮蜔o(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn)，可在有特定需求的區(qū)段鋪設(shè)[4-5]。無(wú)砟軌道中的板式軌道廣泛應(yīng)用于中國(guó)、日本、德國(guó)、意大利等國(guó)的高速鐵路中，是一種很有前景的軌道結(jié)構(gòu)形式[6]。板式軌道要求基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)的特點(diǎn)決定它應(yīng)優(yōu)先應(yīng)用于隧道和高架橋區(qū)段，以及城市地鐵等[7]。烏魯木齊地鐵中需要面對(duì)軌道處于斷裂帶大變形區(qū)段瞬時(shí)變形量大的特點(diǎn)，因此本項(xiàng)目采用了寬枕板與聚氨酯固化道床相結(jié)合的方式，保證在大變形的情況下，能夠?qū)?duì)軌道的破壞影響控制在較小的范圍內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)。

軌道采用的設(shè)防方案是采用寬枕板式固化道床，軌道結(jié)構(gòu)自上而下分別為鋼軌、扣件、寬枕板、聚氨酯固化道床等。寬枕板軌道橫向采用的是軌枕設(shè)計(jì)理念[8]，軌道板采用單向預(yù)應(yīng)力軌道板[9-10]，其橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，縱向設(shè)置普通鋼筋。為驗(yàn)證寬枕板的力學(xué)特性滿足工程需求，需要對(duì)寬枕板進(jìn)行試制及試驗(yàn)研究[11-12]。

1 寬枕板設(shè)計(jì)參數(shù)

寬枕板為單向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)1.04 m、寬2.2 m、高0.2 m(承軌臺(tái)處0.23 m)。每塊板上布置2對(duì)承軌臺(tái)、4個(gè)灌注孔，板側(cè)面布置4個(gè)起吊、支撐用螺栓孔。

寬枕板橫向布置上下兩層共計(jì)14根1 570 MPa級(jí)φ9 mm的消除應(yīng)力鋼絲，端部設(shè)置有錨固板，以降低預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力為1 020 MPa?？v向布置17根φ10 mm的HRB400級(jí)鋼筋。

寬枕板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60級(jí)。寬枕板外形及配筋設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

圖1 寬枕板平面(單位：mm)

圖2 寬枕板配筋

2 寬枕板試制

寬枕板試制工作主要包括準(zhǔn)備工作、鋼筋及預(yù)埋件安裝、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力放張、脫模、封錨砂漿施工等[13]。

寬枕板的試制應(yīng)首先對(duì)原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)振動(dòng)臺(tái)、張拉臺(tái)座、千斤頂、鋼模板等工裝設(shè)備的工作性能、質(zhì)量進(jìn)行檢查[14]，確保原材料及所有工裝設(shè)備檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行寬枕板試制。

在對(duì)試制工裝設(shè)備檢驗(yàn)完成后，進(jìn)行鋼模板及鋼筋的安裝，并對(duì)鋼筋與預(yù)埋件位置偏差進(jìn)行檢驗(yàn)、調(diào)整，確保鋼筋及預(yù)埋件的偏差滿足設(shè)計(jì)要求。鋼筋、預(yù)埋件安裝圖及鋼筋與預(yù)埋件位置偏差檢驗(yàn)。鋼筋及預(yù)埋件位置偏差檢驗(yàn)合格后，采用臺(tái)座法張拉預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力值采用雙控，以張拉力數(shù)值為主，系統(tǒng)伸長(zhǎng)值作校核。預(yù)應(yīng)力施加應(yīng)均勻，并且控制張拉速率不應(yīng)大于4 kN/s，張拉力增至控制值時(shí)持荷時(shí)間不應(yīng)少于1 min。張拉完畢后澆筑C60級(jí)混凝土，并在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)、抹面。

振動(dòng)密實(shí)后對(duì)寬枕板進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，以縮短寬枕板脫模時(shí)間。蒸汽養(yǎng)護(hù)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)流程、溫度控制進(jìn)行，以免寬枕板內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)大的溫度梯度，導(dǎo)致寬枕板出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。寬枕板蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程記錄如表1所示。

表1 寬枕板蒸汽養(yǎng)護(hù)控制記錄

蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋放張及脫模，并對(duì)寬枕板進(jìn)行外觀及型式尺寸檢驗(yàn)，型式尺寸檢驗(yàn)內(nèi)容如圖3所示。

圖3 寬枕板型式檢驗(yàn)內(nèi)容

經(jīng)檢驗(yàn)，寬枕板型式尺寸誤差均在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

寬枕板外觀及型式尺寸檢驗(yàn)合格后，對(duì)寬枕板進(jìn)行水養(yǎng)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間72 h，水溫10 ℃。

為確保起吊孔不影響扣件預(yù)埋套管抗拔力，寬枕板左右兩側(cè)面設(shè)計(jì)的起吊、支撐用螺栓孔采用非對(duì)稱形式布置，見(jiàn)圖1。待寬枕板養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，在室內(nèi)進(jìn)行寬枕板的吊運(yùn)測(cè)試，以驗(yàn)證寬枕板在吊運(yùn)過(guò)程中的穩(wěn)定性與可靠性是否滿足設(shè)計(jì)要求，確保起吊、支撐用螺栓孔的設(shè)計(jì)滿足工程需求。

根據(jù)上述各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果，寬枕板的制造誤差可以控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，且其起吊、支撐用螺栓孔的設(shè)計(jì)可以滿足工程需求。

3 寬枕板靜載試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件及儀器設(shè)備

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

(2)寬枕板靜載試驗(yàn)應(yīng)在寬枕板張拉、澆筑混凝土完成28 d后進(jìn)行。

(3)寬枕板靜載試驗(yàn)采用靜載試驗(yàn)機(jī)或其他加載設(shè)備進(jìn)行[15]。試驗(yàn)機(jī)的級(jí)別不得低于1級(jí)，示值相對(duì)誤差不得大于±1%；壓力傳感器的精度應(yīng)不低于C級(jí)，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%F·S，加載用千斤頂校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)不大于1.05。

(4)用于觀察裂縫的普通放大鏡放大倍數(shù)不低于10倍，直徑不小于50 mm。

(5)測(cè)量支承跨度用鋼卷尺，其最小分度值應(yīng)不大于1 mm。

(6)試驗(yàn)所用計(jì)量設(shè)備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經(jīng)法定計(jì)量檢定部門(mén)檢定合格，且在有效期內(nèi)使用。

3.2 試驗(yàn)步驟

(1)寬枕板安裝就位后，用10倍放大鏡在寬枕板的上表面及兩側(cè)面進(jìn)行外觀檢查，并對(duì)初始缺陷進(jìn)行標(biāo)記。

(2)加載前應(yīng)對(duì)寬枕板的支承狀態(tài)進(jìn)行檢查，確認(rèn)支承狀態(tài)良好后方可加載。加載時(shí)各加載點(diǎn)宜同速、同步達(dá)到同一荷載值，加載速度應(yīng)均勻，且單點(diǎn)加載速率不大于0.5 kN/s。

(3)加載荷載至0.2倍的檢驗(yàn)荷載時(shí)，穩(wěn)定壓力3 min，然后用放大鏡觀測(cè)受拉區(qū)裂縫開(kāi)展情況[16]。如出現(xiàn)異常，則停止加載。

(4)如無(wú)異常現(xiàn)象出現(xiàn)，則繼續(xù)加載至0.4、0.6、0.8倍及1.0倍檢驗(yàn)荷載，并分別進(jìn)行受拉區(qū)裂縫開(kāi)展情況的觀測(cè)。

3.3 試驗(yàn)圖式

寬枕板靜載抗裂試驗(yàn)加載圖式如圖4所示。

圖4 寬枕板靜載抗裂試驗(yàn)加載圖示(單位：mm)

3.4 檢驗(yàn)荷載

檢驗(yàn)荷載是指在按設(shè)計(jì)的加載方式加載時(shí)，使寬枕板拉應(yīng)力達(dá)到0.7倍的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)的荷載值。寬枕板檢驗(yàn)荷載采用有限元方法經(jīng)逐步試算得出。

(1)模型參數(shù)

預(yù)應(yīng)力筋按設(shè)計(jì)采用1 570 MPa級(jí)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(jí)，彈性模量Ec=3.65×104MPa；泊松比取0.2；密度取2 500 kg/m3。C60級(jí)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.04 MPa，即檢驗(yàn)荷載作用下寬枕板混凝土拉應(yīng)力極值取1.43 MPa。

(2)荷載取值

計(jì)算荷載初始值取10 kN，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果以5 kN逐級(jí)遞增。

(3)模型簡(jiǎn)化

為便于建模計(jì)算，對(duì)有限元模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化[17]：

①模型中沒(méi)有考慮承軌臺(tái)、預(yù)埋套管及灌注孔的影響；

②沒(méi)有考慮縱向箍筋的作用；

③預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度為0。

根據(jù)以上參數(shù)及簡(jiǎn)化原則，所建立的有限元模型及預(yù)應(yīng)力筋布置如圖5、圖6所示。

圖5 寬枕板模型

圖6 預(yù)應(yīng)力筋布置

(4)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型加載方式，提取了每級(jí)荷載作用下寬枕板中心線上混凝土拉應(yīng)力(以拉為正)的分布情況，如圖7所示(以檢驗(yàn)荷載等于40 kN為例)。

圖7 寬枕板中心線上混凝土應(yīng)力分布

各級(jí)荷載作用下寬枕板混凝土最大拉應(yīng)力(以拉為正)的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 各級(jí)荷載下寬枕板混凝土最大拉應(yīng)力

由圖8可知：當(dāng)施加荷載在25 kN以下時(shí)，寬枕板混凝土在預(yù)應(yīng)力筋的作用下仍均處于受壓狀態(tài)；當(dāng)施加荷載在30 kN以上時(shí)，寬枕板跨中混凝土開(kāi)始處于受拉狀態(tài)；當(dāng)荷載取40 kN時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力為1.44 MPa，與檢驗(yàn)荷載下混凝土的應(yīng)力極值1.43 MPa相近，誤差僅為0.7%。

根據(jù)以上分析，本試驗(yàn)中檢驗(yàn)荷載取40 kN。

3.5 靜載試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)靜載試驗(yàn)方法及計(jì)算得出的檢驗(yàn)荷載，進(jìn)行寬枕板靜載抗裂試驗(yàn)，寬枕板靜載抗裂試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分別如圖9及表2所示。

圖9 寬枕板靜載抗裂試驗(yàn)

表2 寬枕板靜抗裂試驗(yàn)結(jié)果記錄表

根據(jù)上述結(jié)果可以看出，寬枕板的靜載抗裂試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)及工程需求。

4 結(jié)論

針對(duì)烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線穿越活動(dòng)斷層區(qū)域所采用的寬枕板進(jìn)行了試制試驗(yàn)及靜載抗裂試驗(yàn)研究，結(jié)論如下。

(1)采用寬枕板與聚氨酯固化道床相結(jié)合的方式，可以較好地適應(yīng)活動(dòng)斷裂帶區(qū)域軌道交通的需求。

(2)寬枕板的制造誤差可以控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，其吊運(yùn)方便且穩(wěn)定，可以滿足工程需求。

(3)寬枕板的靜載抗裂性能可以滿足設(shè)計(jì)要求，按照設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝制板可滿足工程需求。

[1] 新疆防御自然災(zāi)害研究所.烏魯木齊軌道交通1號(hào)線活動(dòng)斷裂帶的幾何學(xué)特征與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究初步結(jié)果[R].烏魯木齊：新疆防御自然災(zāi)害研究所，2014.

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Trial Manufacture and Experimental Research of Broad Sleeper Slab in Active Fault Zone

XU Hong1, YU Peng2, XU Zheng-hong3, ZHANG Xin-tai, ZHANG Gao-yang2, KAI Yan-feng3

(1. Urumqi Urban Rail Group Co., Ltd., Urumqi 830026, China; 2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China; 3. Yinlong Rail Co., Ltd., Tianjin 300134, China)

The broad sleeper slab employed by Urban Rail Transit Line 1 of Urumqi in active fault zone is a new track structure. In order to verify the manufacture, hoisting, transportation as well as mechanical properties of the broad sleeper slab, trial manufacture and experimental research of the broad sleeper slab are carried out. The broad sleeper slab is designed on the basis of pre-tensioning structure, its trail manufacture method and dimension inspection requirements are established. The check load of static test is determined based on FE analysis method, and the static load test of broad sleeper slab is carried out. The results show that based on the production process of the broad sleeper slab, manufacturing error can be controlled within the allowance of design and the slab can be hoisted and transported easily and stably, which meet the requirement of engineering and the characteristics of crack resistance under static load also meet the requirement of engineering.

Urban rail transit; Active fault zone; Broad sleeper slab; Trial manufacture; Static load test; Crack resistance test

1004-2954(2018)01-0064-04

2017-03-21；

2017-04-10

新疆維吾爾自治區(qū)軟科學(xué)研究計(jì)劃(K52015042)

徐 紅(1970—)，女，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail:564997225@qq.com。

U213.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703210003