地鐵車站軌行區(qū)風(fēng)管吊具疲勞安全性能試驗研究

北京市地鐵運營有限公司 李 曉北京交通大學(xué) 毛 軍

0 引言

地鐵在城市公共交通系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，安全可靠是對地鐵運營最基本的要求。地鐵在快速發(fā)展的同時，也存在諸多安全隱患[1]。例如，地鐵站臺軌行區(qū)上方的通風(fēng)管路處于地鐵列車活塞風(fēng)氣流中，長期受到氣流沖擊和振動的作用，可能出現(xiàn)風(fēng)管吊架松動和風(fēng)管脫落的現(xiàn)象，從而對列車行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。另外，風(fēng)管的吊架一般采用螺紋緊固件裝配連接方式，吊架與混凝土的連接采用膨脹螺栓。膨脹螺栓在混凝土圍巖內(nèi)的穩(wěn)固性至關(guān)重要，若現(xiàn)場安裝不規(guī)范，易造成風(fēng)管脫落甚至發(fā)生行車事故的不良后果。事實上，地鐵曾發(fā)生過數(shù)起軌頂風(fēng)管及吊桿脫落事件，給地鐵列車和乘客人身安全帶來極大隱患[2-3]。例如，某地鐵連接圍巖與吊桿的膨脹螺栓失效，導(dǎo)致吊架整體松動并向下傾斜，與進(jìn)站列車頂部發(fā)生碰撞，使列車迫停，造成沿線地鐵停運45 min，嚴(yán)重影響了交通出行。

由于風(fēng)管受到水平交變氣流的作用，風(fēng)管吊架受力呈現(xiàn)動態(tài)變化特點，僅依據(jù)靜力學(xué)性能難以準(zhǔn)確判定其安全可靠性。因此，需掌握吊具的動態(tài)力學(xué)安全性能，確定膨脹螺栓預(yù)緊力并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行必要修正。本文以北京地鐵軌頂風(fēng)管支吊架為對象，通過試驗研究吊具的疲勞特性和連接特性，為提高地鐵軌頂風(fēng)管及列車行車的安全可靠性提供依據(jù)。

1 地鐵軌頂風(fēng)管和吊具安裝方式

現(xiàn)有軌頂風(fēng)管安裝方式如圖1所示。既有吊架的構(gòu)成是：豎桿由一端帶M10螺紋的圓鋼與90°鋼焊接而成，上端通過M12膨脹螺栓固定在圍巖頂部，下端通過M10螺母與橫梁6.3#槽鋼連接，風(fēng)管直接置于橫梁上。在風(fēng)管改造可行性研究中，擬采用雙管合一吊架方式。

圖1 某地鐵軌行區(qū)上方的通風(fēng)風(fēng)管安裝方式

按照新設(shè)計規(guī)范，吊架與圍巖之間宜采用擴(kuò)底錨栓固定方式。而實際采用的是膨脹螺栓固定方式，吊架采用螺桿、螺母連接，在振動環(huán)境中可能松動，支、托、吊架等金屬件也存在疲勞破壞的可能。所以需要進(jìn)行擴(kuò)底錨栓、膨脹錨栓、吊架鏈接件、緊固件的力學(xué)性能試驗以確定其在運行過程中的穩(wěn)定性。

顯然，在地鐵運營線路現(xiàn)場難以進(jìn)行風(fēng)管吊具的動荷載測試和拉拔極限試驗，因此，需要對既有吊具及錨栓進(jìn)行接近實際條件的試驗研究，以便為風(fēng)管改造工程及今后新風(fēng)管吊具設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ鸵竽軌蚩陀^反映現(xiàn)場風(fēng)管吊架的安裝情況。根據(jù)改造工程可行性報告，單件吊架的靜態(tài)荷載為591.74 kg。為提高試驗效率及對多種形式的吊具進(jìn)行測試，設(shè)計加工了一套綜合試驗試樣。該試樣由4件吊架通過橫桿組合成一個整體，且采用不同的緊固方式(雙螺母、單螺母加彈性墊圈)，每件吊架的受力相等。試樣的總靜荷載為4×591.74 kg，即約2 400 kg?？紤]到加載便利性，以混凝土基礎(chǔ)代替圍巖，并將其固定在地面上，在試驗時對托架向上加載，使吊具的受力條件與實際情況一致。

試樣混凝土由C30混凝土和正常敷設(shè)的鋼筋澆筑而成，其尺寸和形狀根據(jù)試驗裝置的具體情況確定，長、寬、高分別為3.6、1.6、0.4 m，總質(zhì)量約8 000 kg，足以保證其不受吊架受力加載的影響。各桿件、連接件的材料、尺寸、規(guī)格、連接方式等均與實際情況相同，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖2。

混凝土基礎(chǔ)上吊點支撐點的處理方式與現(xiàn)場情況相同。4件吊架分別采用與混凝土不同的連接方式：其中2件采用切底螺栓，另2件采用膨脹螺栓；2件采用角鋼與圓鋼桿焊接、角鋼固定在混凝土基礎(chǔ)上的方式，另2件采用槽鋼固定在混凝土基礎(chǔ)上、無需焊接的方式。加載鋼框采用鋼板焊接制成，鋼板厚度均為24 mm。

2.2 吊具型式

2.2.1吊架的2種形式

注：數(shù)值單位為mm。圖2 風(fēng)管吊架與混凝土基礎(chǔ)及加載鋼框

根據(jù)北京地鐵現(xiàn)場情況，考慮到安全性和安裝維修的方便，設(shè)計了2種形式的吊架。一種是角鋼與圓鋼桿焊接在一起，角鋼固定在圍巖上，代號A型吊架；另一種是使用槽鋼，槽鋼無需與圓鋼桿焊接在一起，槽鋼固定在圍巖上，代號B型吊架。如圖3所示。

注：數(shù)值單位為mm。圖3 2種形式的風(fēng)管吊架

2.2.2吊架與混凝土基礎(chǔ)連接的2種螺栓

根據(jù)北京地鐵現(xiàn)場情況和吊架安裝標(biāo)準(zhǔn)GB 50243—2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的要求，考慮到安全性和可維護(hù)性，使用普通膨脹螺栓和切底螺栓2種螺栓連接吊架與混凝土基礎(chǔ)，對連接情況進(jìn)行試驗分析。

3 吊具模型疲勞試驗過程

3.1 試驗內(nèi)容

如前所述，待測吊具包括4種形式：A型吊架+普通膨脹螺栓，A型吊架+切底螺栓；B型吊架+普通膨脹螺栓，B型吊架+切底螺栓。試驗內(nèi)容主要包括：

1) 對不同形式的吊架進(jìn)行循環(huán)加載次數(shù)達(dá)200萬次[4-5]的疲勞試驗，同時測試螺栓預(yù)緊力變化及其緊固件松動情況；

2) 對安裝在同一區(qū)域混凝土上的切底螺栓和膨脹螺栓進(jìn)行拉拔試驗；

3) 采用靜力加載方式進(jìn)行破壞性試驗，分別在最大、最小試驗荷載時進(jìn)行測量。

通過試驗，分析吊架的動荷載變化規(guī)律，對比2種錨固螺栓的失效情況，為改造工程的設(shè)計、施工及緊固件維護(hù)提供參考建議。

3.2 動態(tài)加載裝置、加載方式及測點布置

3.2.1疲勞加載裝置

疲勞試驗在北京交通大學(xué)的結(jié)構(gòu)試驗室進(jìn)行。使用500 kN疲勞試驗機(jī)、伺服和靜力液壓加載頭等大型設(shè)備，配置先進(jìn)的傳感器，動靜力信號檢測、記錄和數(shù)據(jù)分析儀器等。試驗裝置的總體布置情況如圖4所示。

圖4 風(fēng)管吊架疲勞加載試驗裝置系統(tǒng)

裝置加載時，調(diào)節(jié)鋼框及螺栓預(yù)緊力使4件吊架的初始荷載相等，并以此為加載零點。

在實際工程中，空調(diào)送風(fēng)使用厚度為25 mm的雙面彩鋼復(fù)合風(fēng)管，回排風(fēng)采用鍍鋅鋼板風(fēng)管。所有吊架均采用熱鍍鋅型鋼、圓鋼，螺栓連接均采用雙螺母。空調(diào)送風(fēng)管吊架間距為1 200 mm，每隔3個普通吊架設(shè)置1個固定防晃吊架。軌頂回排風(fēng)管吊架的間距為1 500 mm，每隔3個普通吊架設(shè)置1個固定防晃吊架，每件吊架的試驗靜荷載為591.74 kg。

3.2.2受力測點布置與動態(tài)加載情況

4件吊架的8根圓鋼吊桿的桿端設(shè)置有8個螺栓應(yīng)變傳感器，編號為1#～8#，用于測定吊桿的實時受力；8個地腳螺栓的端頭亦安裝螺栓應(yīng)變傳感器，編號為9#～16#，用于測定地腳螺栓在循環(huán)荷載作用下的預(yù)緊力。每個傳感器均經(jīng)過了標(biāo)定，如圖5所示。

圖5 測點傳感器設(shè)置情況

3.2.3動態(tài)加載方式

考慮到風(fēng)管會受到列車活塞風(fēng)氣流的作用，使得吊架在豎直方向上受到附加的豎向荷載，因此，最大動荷載在靜荷載的基礎(chǔ)上增加20%，動態(tài)加載的主要參數(shù)確定為：循環(huán)荷載為720 kg，加載頻率為5 Hz，循環(huán)次數(shù)為200萬次以上，采用多點等幅加載模式[6]。

加載作用力桿由螺栓固定在加載鋼框上，通過加載夾頭與作動器相連接，如圖4所示。2件“角鋼-圓鋼桿”吊架與2件“槽鋼-圓鋼桿”吊架的上端通過M10螺母與加載鋼框連接，下端則分別通過普通膨脹螺栓和切底螺栓與混凝土基礎(chǔ)相連。當(dāng)作動器上、下往復(fù)運動時，吊架即受到交變振動荷載的作用，交變荷載按壓力-拉力交替作用的方式循環(huán)施加。因此，吊具亦受到受壓-受拉的交變作用力，其頻率為5 Hz。加載時，作動器的最大位移不超過±5 mm，最大荷載不超過10 kN和-5 kN。

4 疲勞加載試驗結(jié)果及其分析

疲勞試驗結(jié)束時，荷載循環(huán)累積次數(shù)為200萬次，疲勞試驗過程中，監(jiān)測吊桿和地腳螺栓的預(yù)警力變化及動態(tài)應(yīng)力，然后在荷載循環(huán)累計次數(shù)達(dá)到200萬次后停機(jī)進(jìn)行靜力加載(拉拔)試驗[7]。

4.1 疲勞試驗結(jié)果

在疲勞試驗過程中，根據(jù)加載的實際情況，將加載過程分成了6個時間段，分別對應(yīng)4月1—6日。為捕捉疲勞失效的瞬態(tài)，數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)定為0.02 s，獲得了海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，處理后得到時程曲線。開始試驗時，先進(jìn)行力基準(zhǔn)調(diào)零，并給每根吊桿施加一定的拉伸預(yù)緊力，一是為了使8根吊桿的動荷載基本均勻，二是使吊桿與實際情況相符合即吊桿不承受壓力。圖6、7顯示了吊桿及螺栓受力的部分時程曲線。

圖6 吊桿及螺栓的受力時程曲線(第1天，12.5 h以內(nèi))

4.2 試驗結(jié)果分析

由吊具受力的時程曲線可以看出，在200萬次的加載循環(huán)周期內(nèi)，吊桿和螺栓的受力均處于安全值范圍內(nèi)，保持正常工作狀態(tài)。

同時，在采樣間隔為0.02 s的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，歸納了上述6個加載時間段內(nèi)的受力極值(波峰、波谷的峰值)和最值(最大、最小值)，部分結(jié)果見表1、2。

表1 吊桿和地腳螺栓受力極值(4月1日)

表2 吊桿和地腳螺栓受力極值(4月6日)

可見，按照金屬構(gòu)建疲勞試驗的相關(guān)規(guī)范，在循環(huán)加載200萬次、頻率為5 Hz的條件下，前述4種吊具均能承受實際風(fēng)管的荷載。但試驗過程中，與混凝土基礎(chǔ)連接的形式，以角鋼-地腳螺栓固定方式為宜；槽鋼-地腳螺栓固定方式的槽鋼振動比較明顯。

5 靜態(tài)拉拔試驗結(jié)果及其分析

為了比較前述4種形式吊具的承載極限，進(jìn)行了靜態(tài)拉拔破壞性試驗。采用線性加載方式，作動器位移線性增加，加載時間為0～473 s。圖8顯示了拉拔試驗的荷載時程變化曲線。

圖8 作動器荷載時程曲線(加載時間0～473 s)

圖8顯示：當(dāng)作動器加載到第93秒，荷載達(dá)到-45 kN，有少數(shù)桿件失效；第246秒時，荷載為-112 kN，吊具完全失效；第246秒之后，作動器的荷載逐步減小至-38 kN。

圖9顯示了吊具的靜態(tài)極限破壞情況。

圖9 極限加載的吊具失效狀態(tài)

普通膨脹螺栓先于吊具發(fā)生失效，吊具先于切底螺栓發(fā)生失效；B型吊架槽鋼的變形程度高于A型吊架角鋼的變形程度；圓鋼與角鋼焊接的強(qiáng)度高于螺栓螺紋連接的強(qiáng)度；通過在實際操作過程中使用力矩扳手進(jìn)行測試，螺栓的預(yù)緊力控制在40～43 N·m能滿足要求。

6 結(jié)論

1) 4種形式的吊具在正常荷載、200萬次循環(huán)的范圍內(nèi)，其受力和變形均是安全的，但使用槽鋼與圍巖連接的方式，槽鋼的動態(tài)彈性變形和恢復(fù)過程比較明顯。

2) 切底螺栓的牢固程度遠(yuǎn)高于普通膨脹螺栓；普通膨脹螺栓先于吊具發(fā)生失效，吊具先于切底螺栓發(fā)生失效。

3) B型吊架槽鋼的變形程度高于A型吊架角鋼；圓鋼與角鋼焊接的強(qiáng)度高于螺栓螺紋連接。

4)地鐵風(fēng)管吊具的結(jié)構(gòu)型式以A型吊架+切底螺栓為最優(yōu)。安裝時，螺栓的預(yù)緊力控制在40～43 N·m為宜。