預(yù)制式鋼彈簧浮置板的研制與應(yīng)用

王建立 陳高峰 王 建 黃俊飛

(1. 隔而固(青島)結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司, 266108，青島; 2. 隔而固(青島)振動控制有限公司，266108，青島//第一作者，研究員)

鋼彈簧浮置板軌道(FST)是由鋼筋混凝土道床板和鋼彈簧隔振器共同組成的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)，用以隔離和減少軌道向周圍傳遞振動，可滿足特殊和高等級減振地段的減振需求。它將傳統(tǒng)整體道床分割成浮置板板體與基底兩部分，浮置板板體(質(zhì)量)通過鋼彈簧隔振器(彈簧、阻尼)支撐于基底上。典型的鋼彈簧浮置板系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 典型鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板軌道在我國已有15年成功應(yīng)用經(jīng)驗，其以超高的隔振性能、穩(wěn)健的系統(tǒng)表現(xiàn)、出色的安全性能和簡便易行的維護(hù)性能獲得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。伴隨著我國軌道交通的大發(fā)展，鋼彈簧浮置板技術(shù)也有了長足的發(fā)展，其中最為重要的一項創(chuàng)新就是預(yù)制式鋼彈簧浮置板(以下簡為“預(yù)制浮置板”)。

本文系統(tǒng)梳理預(yù)制浮置板的研發(fā)背景、理論仿真分析、相關(guān)室內(nèi)試驗和試驗線測試，并介紹了近年來的推廣應(yīng)用情況。

1 研究背景

鋼彈簧浮置板誕生之初一直采用現(xiàn)場綁扎鋼筋并澆注混凝土的模式。該模式可充分利用隧道空間，簡便易行，行之有效，在歐洲國家項目較少、工期有保證、施工質(zhì)量能得到有效控制的情況下一直應(yīng)用良好，解決了很多振動控制問題。

鋼彈簧浮置板進(jìn)入我國后也采用現(xiàn)澆模式，但為滿足工程需求和國情，對其進(jìn)行了一系列創(chuàng)新和改進(jìn)，其中比較重要的有上下結(jié)合施工工藝、旋轉(zhuǎn)基底技術(shù)和鋼筋籠法。

上下結(jié)合的施工工藝是在國外由下而上工法基礎(chǔ)上發(fā)展形成的適應(yīng)我國國情的創(chuàng)新應(yīng)用，解決了鋼彈簧浮置板在我國應(yīng)用的施工成本和可靠性問題。旋轉(zhuǎn)基底法是一種嶄新的設(shè)計方法，具有一定的顛覆性，為后續(xù)的快速施工工法奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?；谛D(zhuǎn)基底的鋼筋籠法是一種為加快施工速度而誕生的施工模式，設(shè)計時將浮置板規(guī)格化，施工時在場外準(zhǔn)備浮置板的鋼筋龍骨，整體運送到現(xiàn)場再澆筑混凝土。該方法將板的鋼筋綁扎和基底的施工完全脫開，節(jié)省了現(xiàn)場鋼筋綁扎占用工作面的時間，大幅度提升了施工速度。由于需要現(xiàn)場澆筑和養(yǎng)護(hù)，鋼筋籠綁扎的質(zhì)量雖然改善了，但混凝土工程(澆筑、振搗與養(yǎng)護(hù))的質(zhì)量仍然較難控制。

同時，一些新的挑戰(zhàn)也不斷出現(xiàn)，例如：有新線施工時軌道車走行引起振動擾民遭到投訴，施工期振動控制成為挑戰(zhàn)；一些先行城市早期建設(shè)的老線存在振動超標(biāo)嚴(yán)重地段，需要改造成浮置板道床，目前的現(xiàn)澆長板不能適應(yīng)改造需求。

我國城市軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷加大，建設(shè)速度不斷提高，對鋼彈簧浮置板的質(zhì)量和品質(zhì)提出了新的要求，對設(shè)計、施工提出了更高要求。這些不斷提升的需求推動著浮置板技術(shù)向前發(fā)展，尋求更加高效易控的解決方案。預(yù)制浮置板應(yīng)運而生。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于鋼筋籠法將鋼筋籠現(xiàn)場綁扎移到鋪軌基地成型的思路，可否將板體混凝土也在場外澆筑養(yǎng)護(hù)，完成后再運到隧道內(nèi)鋪設(shè)？是在鋪軌基地進(jìn)行長大板的預(yù)制還是在預(yù)制件廠制作短板？對這些問題進(jìn)行調(diào)研和對比分析，最終選擇在工廠預(yù)制生產(chǎn)浮置板短板的方案。

預(yù)制式鋼彈簧浮置板的提出徹底解決了現(xiàn)場澆筑混凝土的質(zhì)量控制難題，浮置板的外觀和質(zhì)量均有質(zhì)的提升，同時可進(jìn)一步提升施工速度。

確定預(yù)制浮置板的形式需要考慮諸多不同于現(xiàn)澆板的因素。首先是長距離運輸和現(xiàn)場施工吊裝運輸能力，必須控制板體尺寸和重量。其次是軌道結(jié)構(gòu)高度、隧道斷面及常見施工偏差范圍等軌道輸入條件，確定板寬和板厚。最后結(jié)合扣件間距模數(shù)等，確定預(yù)制浮置板尺寸。

最終選定的預(yù)制浮置板長3.6 m、寬2.7 m、厚325 mm，設(shè)中心凸臺。每塊板采用4個側(cè)置式隔振器和4個內(nèi)置式隔振器支撐。如圖2所示。

將浮置板長板改為短板，板端接縫大量增加，板的動力特性顯著改變(從長板受彎變形為主變?yōu)槎贪鍎傂晕灰茷橹?，板與板之間變形和受力的協(xié)調(diào)成為難點。為此，在內(nèi)置式鋼彈簧浮置板基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地在板端設(shè)置共享式隔振器以協(xié)調(diào)和分擔(dān)相鄰板的受力變形，形成內(nèi)置+側(cè)置組合式隔振系統(tǒng)[1]。此設(shè)計在保證行車平順性的前提下，可最大限度地提升隔振效率。

圖2 預(yù)制浮置板系統(tǒng)

對側(cè)置式隔振器，同樣考慮了檢修安裝空間，保持了鋼彈簧浮置板隔振器便于安裝及檢修的一貫優(yōu)點。

為解決曲線地段以直代曲所帶來的中心偏離和板縫不均問題，設(shè)計了曲線板，最大限度地降低預(yù)制板在曲線地段帶來的偏差，減小扣件調(diào)整量。

此外，為適應(yīng)土建施工大偏差，設(shè)計了窄型板。相比標(biāo)準(zhǔn)板，其偏差適應(yīng)能力有了顯著提升。圖3給出了上海地區(qū)軌道條件(軌頂至結(jié)構(gòu)底面高度為885 mm)下的誤差適應(yīng)能力。

圖3 預(yù)制浮置板可適應(yīng)的隧道誤差范圍

3 性能分析

3.1 計算模型

3D有限元模型以梁、板單元為基礎(chǔ)，采用三維彈簧單元來模擬隔振器，采用梁單元模擬鋼軌及剪力鉸。在計算機(jī)程序允許的前提下，計算模型盡可能與實際板一致。

選用3塊連續(xù)浮置板進(jìn)行動力分析，分別計算板自重和考慮15%列車荷重兩種情況下的系統(tǒng)固有頻率。靜力分析重點考察兩塊板相接處、板跨中、過渡板等3個區(qū)域。

3.2 動力特性分析

動力分析給出以下兩種荷載工況下的系統(tǒng)固有頻率：板自重恒載工況；板自重及列車動載耦合工況，車輛的動態(tài)載荷取軸重的15%。

經(jīng)計算，系統(tǒng)的固有頻率分別為13.2 Hz (板自重)和11.7 Hz (板重+15% 列車荷載)。該系統(tǒng)應(yīng)用于上海軌道交通10號線預(yù)制鋼彈簧浮置板試驗段。

采用優(yōu)化后的側(cè)置式隔振器，系統(tǒng)固有頻率進(jìn)一步降低，分別為9.6 Hz和8.6 Hz。此系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于上海軌道交通11、12、13和9號線南延伸。

3.3 靜力分析

在靜力分析中，主要計算各種荷載工況下浮置板的垂向和水平向變形以及截面內(nèi)力。靜力計算中采用動力放大系數(shù)來反映沖擊、振動及其他動力效應(yīng)(含輪軌不平順引起的)。動力放大系數(shù)在配筋設(shè)計和剪力鉸驗算中都有考慮。其中荷載工況包括：

·LC 0——自重；

·LC 1～141——列車軸重；

·LC 142——側(cè)向力(100 kN 分布在4 m的長度上)；

·LC 143——制動和牽引；

·LC 144——溫度變化；

·LC 145——縱向坡度；

·LC 146——收縮;

·LCs——斷軌 (最不利荷載)：

·LC 147——最大剪應(yīng)力；

·LC 148——斷軌前后的最大偏差。

例如，在LC 0(自重)恒載作用下計算出板的總變形，最大變形量為0.001 56 m。

在LC 1～141中，計算了鋼軌最大正切角、鋼軌最大正負(fù)彎矩、鋼軌最大剪力、隔振器最大變形、板體最大正負(fù)彎矩、隔振器最大變形等參數(shù)。LC 145工況按20‰ 坡度計算隔振器產(chǎn)生的水平位移。LC 146工況下的靜力由板的長度變化和水平彈簧變形引起。斷軌條件下驗算剪力鉸剪力和斷軌點前后最大偏差。

上海軌道交通10號線試驗段部分計算結(jié)果見表1。

表1 上海軌道交通10號線試驗段各工況部分計算結(jié)果

3.4 配筋計算

配筋計算由專門的程序自動完成。所有的截面內(nèi)力要考慮動力放大系數(shù)。配筋計算滿足德國規(guī)范DIN 1045-1，材料屬性根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取用。

配筋計算時對板各荷載工況進(jìn)行組合：1.35×LC 0 + 1.3×1.5×LCi。其中，LC 0為恒載工況，LCi(i=1,2,3,…,n)為荷載工況，n為工況總數(shù)量。直線板配筋計算結(jié)果見表2。

表2 直線板配筋計算結(jié)果 cm2/m

3.5 減振效果分析

建立車輛-軌道耦合模型。車輛模型和軌道-道床模型通過4個車輪的輪軌力進(jìn)行耦合。車輛模型簡化為相鄰兩節(jié)車廂的2個轉(zhuǎn)向架，考慮對稱性，一半軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)單邊4個車輪。軌道-道床模型包含浮置板軌道-道床結(jié)構(gòu)模型和整體道床軌道結(jié)構(gòu)模型，其中：整體道床結(jié)構(gòu)模型自上而下依次為鋼軌、扣件、道床和彈性層；浮置板軌道-道床結(jié)構(gòu)模型多了浮置板、隔振器兩部分。圖4中浮置板軌道-道床結(jié)構(gòu)模型中的道床指浮置板基底，但考慮了隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量對基底振動的影響。

圖4 車輛-浮置板軌道耦合模型

采用幅值1 μm的簡諧函數(shù)作為輪軌間的相對位移激勵，模擬輪軌踏面粗糙度產(chǎn)生的激勵作用，并假設(shè)4個車輪處的位移激勵具有相同的相位。應(yīng)用耦合模型對相對位移激勵下軌道結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。隔振性能評價采用相對加速度。相對加速度為相同位移激勵下，浮置板基底加速度響應(yīng)和對應(yīng)的整體道床加速度響應(yīng)幅值之比，記為RA=AFST/AET。車輛模型中心線處道床相對加速度如圖5所示。

圖5 車輛模型中心線處道床相對加速度

4 試驗研究

4.1 室內(nèi)試驗

靜載試驗是在不同支撐條件下，對預(yù)制短板進(jìn)行分級加載測試：測試預(yù)制短板不同受力位置和內(nèi)部主筋的應(yīng)變，分析不同荷載作用下預(yù)制短板的受力特性；測試預(yù)制短板不同位置的位移和撓度，分析預(yù)制短板的變形特性。

加載方式有雙軸(1個轉(zhuǎn)向架)加載、單軸跨中加載和單軸1/3板長加載3種。標(biāo)準(zhǔn)軸載為160 kN。支撐方式考慮了內(nèi)部4個隔振器正常工作、全部脫空和一半脫空一半工作3種可能。

以上加載方式和支撐方式組合了5種工況。試驗表明：標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載作用下，混凝土及鋼筋最大拉壓應(yīng)力均滿足設(shè)計要求；板端側(cè)置式隔振器支撐區(qū)是預(yù)制板應(yīng)力集中區(qū)。根據(jù)試驗結(jié)論，優(yōu)化了板端側(cè)置式隔振器區(qū)域配筋，并對優(yōu)化后的板再次進(jìn)行了驗證試驗。

疲勞試驗支撐方式為所有隔振器正常工作，加載方式為單軸跨中加載。施加的疲勞荷載為30～180 kN。在加載前，以及加載50萬次、70萬次、100萬次、170萬次、200萬次、300萬次后，對板的動態(tài)位移和混凝土應(yīng)變進(jìn)行測試，同時進(jìn)行板裂紋和板狀態(tài)的觀測記錄。

預(yù)制式浮置板經(jīng)過300萬次疲勞試驗后，混凝土未發(fā)現(xiàn)裂紋，疲勞強(qiáng)度滿足要求。

4.2 試驗線研究

本項目研究依托上海申通軌道交通研究咨詢有限公司的科研課題《鋼彈簧浮置板設(shè)計施工一體化研究》[2-3]展開，在上海軌道交通10號線虹橋1號航站樓—上海動物園站上行區(qū)間鋪設(shè)了41塊預(yù)制浮置板(總長147.6 m)試驗段。該試驗段于2010年11月底通車運營。

2010年10月，受上海申通軌道交通研究咨詢有限公司委托，同濟(jì)大學(xué)對上海軌道交通10號線預(yù)制浮置板的安全性及平穩(wěn)性進(jìn)行了現(xiàn)場測試。根據(jù)GB 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，平穩(wěn)性實測結(jié)論為預(yù)制鋼彈簧浮置板系統(tǒng)行車平穩(wěn)性達(dá)到Ⅰ級(保養(yǎng))標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。

采用脫軌系數(shù)、輪重減載率及最大橫向力等3個指標(biāo)評價軌道安全性。脫軌系數(shù)測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 預(yù)制浮置板試驗段軌道安全性測試

減振效果測試于2010年10月動車調(diào)試期間和運營3個月后的2011年3月各進(jìn)行了1次。測試表明，相對于整體道床，隧道壁垂向加速度振動的插入損失為16.2 dB，可滿足特殊減振等級需求。

5 應(yīng)用

預(yù)制式浮置板采用內(nèi)置+側(cè)置組合式隔振系統(tǒng)，有效解決了短板之間受力與變形協(xié)調(diào)問題。采用工廠化生產(chǎn)，機(jī)械化鋪設(shè)，極大地提升了浮置板的質(zhì)量和施工速度。優(yōu)秀的減振效果保證了預(yù)制浮置板系統(tǒng)可滿足高等級及特殊減振需求。

上海軌道交通10號線試驗段成功驗收后，預(yù)制式浮置板在上海軌道交通11～13號線和9號線南延伸段獲得應(yīng)用，總鋪設(shè)里程超過35 km，超過了同期建設(shè)的現(xiàn)澆浮置板，成為上海新一輪建設(shè)中的主流鋼彈簧浮置板。

軌道施工中，預(yù)制式浮置板一旦就位即可發(fā)揮減振作用，施工車輛運行于預(yù)制浮置板地段，未再發(fā)生因振動超標(biāo)擾民而導(dǎo)致的投訴。

上海軌道交通13號線世博段采用預(yù)制式浮置板，將普通道床及部分減振扣件道床升級改造為鋼彈簧浮置板道床。此段于2015年12月重新開通運營，解決了該區(qū)段振動超標(biāo)擾民問題。

2014年和2015年，預(yù)制式浮置板道床應(yīng)用于南京地鐵和深圳地鐵，其中南京地鐵3號線為過江大盾構(gòu)隧道，深圳地鐵9號線則包含暗挖馬蹄形、明挖矩形和盾構(gòu)圓形3種土建斷面。目前，上海、天津等城市的地鐵線路正在進(jìn)行預(yù)制浮置板道床設(shè)計和建設(shè)。

迄今，最早的預(yù)制浮置板線路運營已超過6年，上海軌道交通11～13號線等大規(guī)模應(yīng)用的線路運營也已超過3年，預(yù)制浮置板的工作狀態(tài)和減振效果均表現(xiàn)良好。

預(yù)制式浮置板作為鋼彈簧浮置板技術(shù)的最新發(fā)展，有著現(xiàn)澆板無法企及的優(yōu)勢，已獲得成功應(yīng)用，能滿足特殊等級和高等級減振需求，可作為鋼彈簧浮置板的首選應(yīng)用方案。預(yù)制浮置板將引領(lǐng)軌道交通建設(shè)中道床預(yù)制拼裝潮流。