鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁上復(fù)合材料整體電纜槽和遮板研究

曾志斌，李再軻，呂文麗

（1.高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

電纜槽和遮板屬于鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁（以下簡(jiǎn)稱箱形梁）的橋面附屬設(shè)施，分別采用現(xiàn)澆和預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆施工周期較長(zhǎng)，預(yù)制件安裝時(shí)需要大型起重設(shè)備，制造質(zhì)量難以保證。箱形梁橋面附屬設(shè)施輕質(zhì)化研究的重點(diǎn)是減輕電纜槽和遮板的質(zhì)量，做到裝配化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化施工。采用復(fù)合材料制作電纜槽和遮板，拓展了設(shè)計(jì)思路，為橋面附屬設(shè)施的少維護(hù)甚至免維護(hù)提供了新的選擇。

1 箱形梁橋面附屬設(shè)施簡(jiǎn)介

箱形梁橋面附屬設(shè)施是指位于防護(hù)墻外側(cè)、懸挑翼緣上表面、除接觸網(wǎng)立柱及其基礎(chǔ)之外的所有結(jié)構(gòu)，由電纜槽及其蓋板、遮板、欄桿（包括立柱和扶手）或聲屏障組成，如圖1所示。

圖1 鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋面附屬設(shè)施的組成

電纜槽包括豎墻A和豎墻B，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)設(shè)防水層，一般采用現(xiàn)澆施工。電纜槽蓋板為預(yù)制鋼筋混凝土板或預(yù)制RPC（reactive powder concrete，活性粉末混凝土）板。遮板安裝在箱形梁兩側(cè)邊緣，采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件。欄桿為鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，安裝于遮板之上。

聲屏障是為減輕行車噪聲對(duì)附近居民的影響而設(shè)置在鐵路側(cè)邊的墻式構(gòu)造物，分2種形式：

1）直接采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，可與遮板制成一體；

2）采用金屬立柱+隔音板，金屬立柱安裝于遮板之上，隔音板插入金屬立柱之間。

電纜槽主要作為通信信號(hào)等線纜的通道，其承受的荷載除自重外，主要是由蓋板傳遞來(lái)的人群活載、臨時(shí)放置的軌枕和鋼軌、小型施工工具等活載。遮板作為欄桿或聲屏障的載體，兼有防止雨水流入橋面和美觀的作用。其承受的荷載除自重外，主要是由欄桿或聲屏障傳遞來(lái)的彎矩，該彎矩由人倚靠欄桿、風(fēng)活載作用于欄桿或聲屏障而產(chǎn)生。

2 復(fù)合材料橋面附屬設(shè)施設(shè)計(jì)方案

針對(duì)既有箱形梁橋面附屬設(shè)施采用鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)施工周期較長(zhǎng)、重量較大、制造質(zhì)量不好控制等問(wèn)題，研究了全部采用復(fù)合材料制作橋面附屬設(shè)施的方案，作為采用鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)方案的一種補(bǔ)充［1-3］。具體思路如下：

1）欄桿的立柱和扶手全部采用拉擠成型復(fù)合材料制成，直接安裝于箱形梁懸挑翼緣最外側(cè)邊緣。

2）電纜槽和遮板作為整體，采用玻璃纖維增強(qiáng)泡沫夾心結(jié)構(gòu)，真空灌注一次成型。由于遮板不再作為欄桿的載體，只是起防止雨水流入橋面和裝飾作用，因此其截面可以優(yōu)化。

3）電纜槽蓋板采用拉擠成型復(fù)合材料制成，由于質(zhì)量較輕，為了防止其在風(fēng)活載或者列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓力作用下被掀翻，故將其安裝于電纜槽的卡槽內(nèi)。

3 構(gòu)造細(xì)節(jié)

復(fù)合材料整體電纜槽和遮板由豎墻A、豎墻B、豎墻C、底板和遮板組成（見圖2）。電纜槽的3 道豎墻用來(lái)支撐蓋板，故須有足夠的強(qiáng)度和剛度。將整體電纜槽和遮板制成空腔形式，內(nèi)面填充泡沫，所有荷載均由外壁承受。豎墻A和豎墻C靠近上端設(shè)置有框形卡槽，供安裝整塊復(fù)合材料步行板，豎墻B頂面與卡槽下緣平齊以支撐步行板。在豎墻A 和遮板側(cè)欄桿位置設(shè)有供欄桿穿過(guò)的孔。對(duì)應(yīng)箱形梁上泄水孔位置在豎墻B 和豎墻C 與底板交接處設(shè)置泄水孔。豎墻C中間部位卡槽上緣設(shè)置成活動(dòng)板，方便抽換步行板。

圖2 復(fù)合材料整體電纜槽和遮板結(jié)構(gòu)示意

復(fù)合材料整體電纜槽和遮板的豎墻C處上設(shè)置與防護(hù)墻連接用的螺栓孔，在欄桿底座設(shè)置壓板，將電纜槽底板扣壓在箱形梁的懸挑翼緣上，如圖3所示。

根據(jù)箱形梁長(zhǎng)度將整體電纜槽和遮板分成幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和調(diào)整節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度可設(shè)置為8 m。

圖3 欄桿底座、整體電纜槽和遮板與箱形梁懸挑翼緣的連接

4 受力分析

4.1 計(jì)算模型

將整體電纜槽和遮板與蓋板一起考慮，即活載作用于蓋板之后傳遞給整體電纜槽和遮板。

首先采用三維建模軟件建立整體電纜槽和遮板與蓋板的幾何模型（見圖4），并對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，去除了一些倒角、倒圓、小孔等對(duì)計(jì)算影響很小的構(gòu)造。然后采用ABAQUS V11.0 軟件對(duì)幾何模型作網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元計(jì)算分析［4］。

圖4 整體電纜槽和遮板與蓋板有限元計(jì)算模型

4.2 計(jì)算荷載和邊界條件

施工臨時(shí)荷載：按照我國(guó)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］，人工養(yǎng)護(hù)的線路考慮堆砟荷載，蓋板上表面施加均布荷載為10 kPa。

邊界條件：約束電纜槽底板的上下自由度和豎墻C的水平自由度；將豎墻A、豎墻B、遮板與電纜槽設(shè)置為綁定，蓋板的兩端支撐與豎墻A 和豎墻C、中間與豎墻B設(shè)置為綁定。

4.3 材料參數(shù)

所有材料參數(shù)均來(lái)自于從成品上取樣的實(shí)測(cè)值。箱梁底板由面板、線槽、豎墻A、豎墻B和遮板組成。

1）蓋板的主要參數(shù)：E1=9 GPa，E2=E3=2.5 GPa，V23=1 000 MPa，V12=V13=1 200 MPa，u23=0.3，u12=u13=0.217。其中，E為彈性模量，G為剪切模量，u為泊松比。角標(biāo)1 為纖維方向（橫橋向），角標(biāo)2 為寬度方向（順橋向），角標(biāo)3為鋪層方向。

2）整體電纜槽和遮板外壁的主要參數(shù)：E1=E2=20 GPa，E3=3.5 GPa，u12=u13=0.217，u23=0.3，G12=G13=G23=1 200 MPa。

3）整體電纜槽和遮板夾心泡沫的主要參數(shù)：E=60 MPa，u=0.3。

4.4 計(jì)算結(jié)果

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)，由于螺栓孔周邊存在應(yīng)力集中，故不提取該處的應(yīng)力。

整體電纜槽和遮板外壁的Von Mises 應(yīng)力云圖和位移云圖如圖5 所示?？芍鹤畲骎on Mises 應(yīng)力為23.54 MPa，最大位移為0.63 mm，均發(fā)生在豎墻A與底板連接部位。外壁材料的實(shí)測(cè)強(qiáng)度為350 MPa，安全系數(shù)為14.87。

圖5 外壁應(yīng)力和位移云圖

整體電纜槽和遮板夾心泡沫的Von Mises 應(yīng)力云圖和位移云圖如圖6 所示?？芍鹤畲骎on Mises 應(yīng)力為0.54 MPa，位移為0.63 mm，均發(fā)生在豎墻A 的卡槽部位。泡沫材料的實(shí)測(cè)強(qiáng)度為2 MPa，安全系數(shù)為3.71。

圖6 夾心泡沫應(yīng)力和位移云圖

5 實(shí)際使用情況

2016年11月，新研制的復(fù)合材料整體電纜槽和遮板與復(fù)合材料步行板、復(fù)合材料欄桿一起在北京某處40 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁上試用（見圖7），至今已滿2年?，F(xiàn)場(chǎng)檢查沒有出現(xiàn)開裂等病害，效果良好［6］。

圖7 整體電纜槽和遮板在40 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁上試用

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有箱形梁橋面附屬設(shè)施主要采用預(yù)制和現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工周期長(zhǎng)，質(zhì)量難以控制，且容易劣化，需要經(jīng)常檢查和維修。作為橋面附屬設(shè)施重要組成部分的新型輕質(zhì)復(fù)合材料整體電纜槽和遮板的研制成功，為箱形梁橋面附屬設(shè)施的工廠化、裝配化和標(biāo)準(zhǔn)化施工，以及少維護(hù)甚至免維護(hù)提供了新的選擇。