單向預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼彈簧浮置板系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

高 聰

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043）

1 概述

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，由于運(yùn)行引起的振動(dòng)及噪聲對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生了較大影響。城市軌道交通線路下穿時(shí)，上蓋建筑物和居民受到振動(dòng)和噪聲的干擾，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生二次振動(dòng)和二次噪聲影響。減振等級(jí)根據(jù)環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)超標(biāo)量分為中等減振、高等減振和特殊減振。針對(duì)醫(yī)院、學(xué)校等環(huán)評(píng)敏感點(diǎn)，在城市軌道交通建設(shè)中采取合理有效的減振措施，降低振動(dòng)和噪聲是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[1－4]。

鋼彈簧浮置板是由鋼筋混凝土道床和鋼彈簧隔振器共同組成的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離和減少軌道向周圍傳遞振動(dòng)。鋼彈簧浮置板減振效果優(yōu)良，可滿足特殊和高等減振地段的減振需求，是目前城市軌道交通系統(tǒng)中公認(rèn)且唯一的特殊減振措施，在國(guó)內(nèi)各城市城市軌道交通項(xiàng)目中得到了廣泛推廣和應(yīng)用[5－7]。但鋼彈簧浮置板存在施工速度慢、嚴(yán)重制約鋪軌工期等缺點(diǎn)[8－9]。為此，越來(lái)越多的城市開(kāi)始逐步采用預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)[10－12]?，F(xiàn)有預(yù)制浮置板可分為普通鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)和部分預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)。存在的主要問(wèn)題如下：混凝土為脆性材料，普通鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)在受到列車反復(fù)荷載作用下易產(chǎn)生裂縫，耐久性相對(duì)較差；采用普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線配筋體系，預(yù)應(yīng)力在浮置板中傳遞長(zhǎng)度較大，浮置板兩端區(qū)域預(yù)應(yīng)力難以達(dá)到設(shè)計(jì)值[13－14]。

為解決上述問(wèn)題，本文基于對(duì)既有軌道交通預(yù)制鋼彈簧浮置板系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)現(xiàn)有普通鋼筋混凝土浮置板預(yù)制結(jié)構(gòu)耐久性差、部分預(yù)應(yīng)力混凝土浮置板預(yù)制結(jié)構(gòu)中鋼絞線預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度大、缺少起吊支撐套管和連接套管等缺陷，提出一種單向預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼彈簧浮置板系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以提高預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)耐久性和板間的連接穩(wěn)定性。

2 浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及方案

2．1 設(shè)計(jì)原則

單向預(yù)應(yīng)力鋼彈簧浮置板的設(shè)計(jì)需首先滿足日常運(yùn)營(yíng)功能需求，實(shí)現(xiàn)減振目的。主要包括：

（1）滿足特殊或高等減振需求，有效降低城市軌道交通運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。

（2）采用合理的配筋體系，提高預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)使用壽命周期，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

（3）優(yōu)化預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采取板間連接措施，提高預(yù)制鋼彈簧浮置板間的連接穩(wěn)定性。

（4）預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證道床表面連續(xù)和平整，與既有預(yù)制鋼彈簧浮置板比較，不額外增加相關(guān)日常養(yǎng)護(hù)維修工作量。

2．2 設(shè)計(jì)方案

預(yù)制鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土浮置板整體道床和彈性支承元件組成，構(gòu)成質(zhì)量－彈簧減振系統(tǒng)，利用浮置板整體道床的慣性質(zhì)量抵消輪軌產(chǎn)生的動(dòng)載荷。本文提出的單向預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）浮置板采用縱向預(yù)應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力鋼絲端部設(shè)置錨固板，有效降低預(yù)應(yīng)力鋼絲的傳遞長(zhǎng)度，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

（2）優(yōu)化浮置板預(yù)埋套筒設(shè)計(jì)，側(cè)向套管同時(shí)實(shí)現(xiàn)起吊支撐和板件連接作用，結(jié)合水平套管可進(jìn)一步提高板間連接的穩(wěn)定性。

浮置板為單向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)3.57 m、寬2.7 m、高0.34 m（承軌臺(tái)處0.37 m）。每塊板上布置6對(duì)承軌臺(tái)、3對(duì)隔振器外套筒、8個(gè)側(cè)向套管、24個(gè)水平套管以及4個(gè)雜散電流端子等。浮置板中間縱向布置一層共計(jì)7根1 570 MPa級(jí)φ10 mm的消除應(yīng)力鋼絲，采用先張法體系，端部設(shè)置錨固板，可降低應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度?？v向上、下兩層采用φ16 mm的HRB400級(jí)鋼筋，橫向上、下兩層及架立鋼筋采用φ12 mm的HRB400級(jí)鋼筋。浮置板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60級(jí)。板間通過(guò)水平套管、側(cè)向套管與鋼板、橡膠蓋板配合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固連接，側(cè)向套管同時(shí)具有起吊功能。浮置板外形及預(yù)應(yīng)力筋配筋設(shè)計(jì)如圖1～圖2所示。

圖1 浮置板預(yù)應(yīng)力筋配筋平面

圖2 浮置板預(yù)應(yīng)力筋配筋斷面

3 浮置板結(jié)構(gòu)檢算

依據(jù)規(guī)范對(duì)浮置板的力學(xué)性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。主要包括縱向抗裂性能、橫向抗裂性能、橫向抗彎強(qiáng)度、橫向疲勞特性等。

3．1 彎矩設(shè)計(jì)值

軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

靜輪載取軸重為17 t計(jì)算，動(dòng)輪載取值依據(jù)：

式中：α為速度系數(shù)；Pd為動(dòng)輪載；P0為靜輪載。檢算速度取80 km／h，α取值為0.48，因此設(shè)計(jì)輪載取值為：

建立實(shí)體模型計(jì)算浮置板彎矩，模型選取3塊浮置板進(jìn)行計(jì)算，以中間板為研究分析對(duì)象。建模時(shí)鋼軌與浮置板均采用實(shí)體模型模擬，鋼軌和墊板之間節(jié)點(diǎn)連續(xù)，力可直接向下傳遞，而墊板與浮置板直接采用面面接觸，使力向下傳遞，底部鋼彈簧處全約束。彎矩設(shè)計(jì)值考慮輪載作用在浮置板中部和浮置板端部?jī)煞N情況進(jìn)行計(jì)算，有限元模型及輪載如圖3～圖4所示。

圖3 有限元模型

圖4 輪載作用示意

彎矩設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 浮置板結(jié)構(gòu)破壞極值

3．2 設(shè)計(jì)參數(shù)

浮置板混凝土等級(jí)采用C60，彈性模量 Ec為3.65×104MPa，抗壓極限強(qiáng)度f(wàn)c為40 MPa，抗拉極限強(qiáng)度 fct為3.50 MPa。

預(yù)應(yīng)力鋼絲采用φH10，彈性模量Ep為2.05×105MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk為1 570 MPa，張拉控制應(yīng)力取0.65fpk，抗拉計(jì)算強(qiáng)度f(wàn)p取0.9fpk，抗壓計(jì)算強(qiáng)度f(wàn)′p為 380 MPa，彈性模量比為 5.6。

縱向上、下兩層非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ16 mm的HRB400級(jí)鋼筋，橫向上、下兩層非預(yù)應(yīng)力鋼筋及架立筋采用φ12 mm的HRB400級(jí)鋼筋，彈性模量Es為2.0×105MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fsk為400 MPa，抗拉計(jì)算強(qiáng)度 fs為 400 MPa，抗壓計(jì)算強(qiáng)度 f′s為 400 MPa，彈性模量比為5.5。

3．3 浮置板配筋檢算

3．3．1 浮置板橫向檢算

預(yù)應(yīng)力鋼筋在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，需綜合考慮可導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失的影響因素。主要包括混凝土的收縮和徐變、錨頭變形、溫度差及鋼筋的應(yīng)力松弛等。

（1）預(yù)應(yīng)力損失值

（2）橫向抗裂性

（3）橫向抗彎強(qiáng)度

（4）橫向疲勞檢算

經(jīng)力學(xué)性能檢算，浮置板的橫向混凝土拉應(yīng)力、結(jié)構(gòu)抗彎性能及疲勞性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3．3．2 浮置板縱向檢算

3．4 靜載抗裂分析

3．4．1 模型建立

單向預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼彈簧浮置板外形尺寸如圖5所示，支撐位置長(zhǎng)2 700 mm、寬200 mm，加載位置長(zhǎng)200 mm、寬150 mm。共設(shè)7根預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋采用φ10 mm消除應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度按0.6倍的張拉控制應(yīng)力經(jīng)理論計(jì)算得出。浮置板加載及支撐位置如圖6所示。

圖5 浮置板外形尺寸（單位：mm）

圖6 浮置板加載及支撐位置

浮置板開(kāi)裂荷載分析計(jì)算條件：

（1）浮置板有限元計(jì)算模型底部支撐位置全約束。

（2）浮置板有限元計(jì)算模型加載位置施加集中荷載，荷載初始值為零，以10 kN逐級(jí)遞增。每級(jí)加載完后根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果判斷浮置板是否開(kāi)裂。

（3）材料參數(shù)：混凝土等級(jí)采用C60，彈性模量為3.65 ×104MPa，密度為2 500 kg／m3，泊松比為0.2，抗拉強(qiáng)度極限值為3.5 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ10 mm消除應(yīng)力鋼絲，張拉控制應(yīng)力取0.65fpk，即1 020 MPa，彈性模量取為2.05×105MPa，密度為7 800 kg／m3，泊松比取0.3。

3．4．2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型加載方式，提取每級(jí)荷載作用下浮置板跨中頂面上混凝土拉應(yīng)力（以拉為正）的分布情況。由于浮置板圓孔的存在，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在圓孔處。當(dāng)每個(gè)荷載面上施加80 kN集中荷載時(shí)，浮置板跨中頂面混凝土應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 跨中頂面混凝土應(yīng)力分布

模型計(jì)算結(jié)果如圖8所示。當(dāng)跨中荷載在40 kN以下時(shí)，浮置板混凝土在荷載作用下均處于受壓狀態(tài)；當(dāng)施加荷載至40 kN以上時(shí)，浮置板跨中混凝土開(kāi)始處于受拉狀態(tài)；當(dāng)荷載取118.5 kN時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力為3.50 MPa，與混凝土抗拉強(qiáng)度極值3.5 MPa相近。

圖8 各級(jí)荷載下跨中最大主拉應(yīng)力

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼彈簧浮置板是城市軌道交通中一種重要的減振結(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用。針對(duì)普通鋼筋混凝土浮置板預(yù)制結(jié)構(gòu)耐久性差、部分預(yù)應(yīng)力混凝土浮置板預(yù)制結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力難以達(dá)到設(shè)計(jì)值等問(wèn)題，提出一種單向預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼彈簧浮置板系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行檢算分析，為浮置板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。