無損傷快速安裝預(yù)埋槽道疲勞性能研究

陸 晨

上海軌道交通十八號(hào)線發(fā)展有限公司 上海 200135

預(yù)埋槽道方案在建筑、鐵路、交通、市政等工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在地下軌道交通中的使用更加普遍。在地下軌道交通中，預(yù)埋槽道方案常預(yù)埋于管片混凝土內(nèi)，用于支撐、懸掛、固定各機(jī)電系統(tǒng)支持結(jié)構(gòu)。預(yù)埋槽道方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：預(yù)埋過程不再需要借用任何鉆孔螺栓等，對(duì)管片的結(jié)構(gòu)影響較小；由于其預(yù)埋過程在管片廠完成，在施工過程中無需再焊接[1-2]，有效提高了施工效率。

考慮到其方案的優(yōu)點(diǎn)，且我國地下軌道交通中的預(yù)埋槽道技術(shù)起步較晚，近年來已有部分學(xué)者對(duì)預(yù)埋地下軌道交通中的預(yù)埋槽道施工方案進(jìn)行了初步研究[3-6]。為推行該種快速安裝方案，對(duì)快速安裝預(yù)埋槽道的力學(xué)性能研究必不可少。目前，國內(nèi)外已經(jīng)在力學(xué)方面對(duì)預(yù)埋槽道進(jìn)行了部分研究，如劉長利等[7]對(duì)預(yù)埋槽道進(jìn)行研究分析，提出了盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道技術(shù)的優(yōu)勢。李智明[8]分析了預(yù)埋槽道的抗拉和抗剪受力機(jī)理，并定量計(jì)算分析預(yù)埋槽道抗剪極限荷載和承載力，為預(yù)埋槽道方案的力學(xué)機(jī)制提供了基礎(chǔ)。Pertold等[9]，Khalil等[10]對(duì)預(yù)埋槽道進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬分析，介紹了錨固的各項(xiàng)性能。

為了研究預(yù)埋槽道的極限破壞過程，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一些研究。如楊福芹等[11]分析了預(yù)埋槽道的破壞過程，破壞過程主要表現(xiàn)為預(yù)埋槽道拉斷破壞損傷和混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生錐形破壞損傷。薛佳[12]則對(duì)預(yù)埋槽道進(jìn)行了極限破壞試驗(yàn)，預(yù)埋槽道在3倍工作荷載下，發(fā)生了明顯的屈服變形和功能性失效破壞。

綜上所述，針對(duì)地下軌道交通中的預(yù)埋槽道，國內(nèi)外學(xué)者從本身的力學(xué)性質(zhì)到槽道的極限破壞過程都已進(jìn)行較為充足的研究，但對(duì)于預(yù)埋槽道疲勞性能的研究還尚少。作為一種長期使用的預(yù)埋構(gòu)件，經(jīng)過長時(shí)間的服役，循環(huán)多次受到重復(fù)性荷載，其可能產(chǎn)生疲勞裂縫，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。且其作為預(yù)制構(gòu)件，更換的工藝將更為復(fù)雜和困難，故研究其疲勞性能極為重要。

而國內(nèi)關(guān)于預(yù)埋槽道的疲勞性能研究正處于發(fā)展時(shí)期，目前只有萬橋等[13]研究了在不同的熱處理下槽道的耐久疲勞性，其得出經(jīng)高溫回火工藝處理后，對(duì)預(yù)埋槽道的疲勞耐久性有顯著提高。考慮到預(yù)埋槽道在長期運(yùn)營工程中的錨固性能可能有所下降[14]，混凝土管片本身對(duì)槽道結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和保護(hù)作用減弱，本文擬直接研究預(yù)埋槽道裸槽設(shè)計(jì)的力學(xué)性能是否滿足工程要求，研究預(yù)埋槽道在長期運(yùn)營狀態(tài)下的最不利工況的疲勞結(jié)構(gòu)性能，檢測預(yù)埋槽道在地鐵長期動(dòng)荷載的作用下，使用年限能否滿足100年的擾動(dòng)和受力變化，為無損傷快速安裝系統(tǒng)在城市軌道管線及設(shè)備安裝中的應(yīng)用提供參考。

該試驗(yàn)研究的快速預(yù)埋滑槽在管片上的布置如圖1所示，成形隧道完成設(shè)備安裝后的現(xiàn)場效果如圖2所示。

圖1 預(yù)埋滑槽布置示意

圖2 成形隧道完成設(shè)備安裝后的現(xiàn)場效果

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)試件

采用實(shí)際工程中使用的帶齒外置不銹鋼無損傷快速安裝預(yù)埋槽道進(jìn)行試驗(yàn)。槽道試件采用奧氏體（A）型不銹鋼，槽道錨腿以M14級(jí)的相應(yīng)材料的螺栓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)套筒。槽道整體如圖3所示。

圖3 槽道整體示意

其中，槽道截面如圖4所示，截面的尺寸及材料性質(zhì)如表1所示。

圖4 槽道截面示意

表1 槽道尺寸及材料性質(zhì)

1.2 加載系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用250 kN MTS疲勞環(huán)境耦合試驗(yàn)機(jī)，操作平臺(tái)達(dá)到2 m×2 m。該試驗(yàn)機(jī)可以采用靜力和疲勞2種加載方式。靜力加載下最大機(jī)械力可達(dá)到250 kN，最小精度為0.01 kN。疲勞試驗(yàn)下可滿足振動(dòng)頻率范圍為0.1～200 Hz，最小精度達(dá)到0.1 Hz。

該試驗(yàn)機(jī)滿足本試驗(yàn)的靜力和疲勞最大荷載和精度要求。疲勞加載試驗(yàn)機(jī)如圖5所示。

圖5 疲勞加載試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)工況

該試驗(yàn)為裸槽疲勞加載試驗(yàn)。由TB/T 3329—2013《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》的規(guī)范可以得知，預(yù)埋槽道的靜力拉拔測試方案采用在兩錨腿正中間進(jìn)行加載的方案。

為對(duì)比疲勞試驗(yàn)后預(yù)埋槽道的靜力拉拔性能下降程度，疲勞試驗(yàn)采用相同的跨中加載方式，加載點(diǎn)位于螺栓位置，槽道及螺栓布置如圖6所示。

圖6 槽道及螺栓布置示意

試驗(yàn)采用M20的8.8級(jí)螺栓，其中，螺桿極限抗拉強(qiáng)度為800 N/mm2，螺桿屈服強(qiáng)度為640 N/mm2。

螺桿試件采用M20的8.8級(jí)螺栓，螺栓的作用相當(dāng)于為槽道施加了一個(gè)受力點(diǎn)，其本身的結(jié)構(gòu)不作為考察目標(biāo)。經(jīng)過計(jì)算，錨腿極限抗拉軸力為142×π/4×205＝31.56 kN。而該螺栓可以承擔(dān)的最大屈服拉力為202×π/4×640＝402.12 kN，保證了在試驗(yàn)中加載點(diǎn)螺桿是后于槽道屈服的，確保了試驗(yàn)測試結(jié)果為槽道的力學(xué)性能。

同樣，根據(jù)TBT 3329—2013《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》的規(guī)范，疲勞試驗(yàn)的荷載上下幅應(yīng)為設(shè)計(jì)的30%。而根據(jù)本工程的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算最不利情況下（即整條槽道只有1個(gè)受力點(diǎn)），外置槽道螺栓受到的最大拉力為13 kN，根據(jù)規(guī)范要求，上下幅應(yīng)為設(shè)計(jì)的30%，所以上限荷載取16.9 kN，下限荷載取9.1 kN。

具體的試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

1.4 測試方案

為了研究在疲勞振動(dòng)過程中槽道的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，擬通過對(duì)槽道表面張貼應(yīng)變片的方式進(jìn)行。

考慮試驗(yàn)中槽道正中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大，通過對(duì)槽道正中的應(yīng)變研究可以包絡(luò)代表整個(gè)槽道的應(yīng)變情況，因此，在槽道中央設(shè)置三向應(yīng)變花（橫向編號(hào)1，豎向編號(hào)3，斜向編號(hào)2）。

同時(shí)，為了確保疲勞試驗(yàn)中錨腿的安全性，本試驗(yàn)也在2個(gè)錨腿處布置豎向應(yīng)變片（左錨腿編號(hào)4，右錨腿編號(hào)5）。具體布置如圖7所示。

圖7 裸槽道疲勞試驗(yàn)應(yīng)變片示意

2 加載過程及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 加載過程

設(shè)計(jì)鋼板放置于試驗(yàn)機(jī)上，將槽道的下部套筒夾入鋼板下固定，以保證整個(gè)振動(dòng)過程中主要的受力體為槽道本身。裸槽道垂直拉拔疲勞試驗(yàn)加載過程如下：

1）槽道與套筒進(jìn)行組裝，形成組合結(jié)構(gòu)，將錨腿固定于鐵板上，依次擰緊8個(gè)螺栓，擰緊過程中進(jìn)行嚴(yán)格的水平控制，保證整個(gè)槽道的水平，嚴(yán)格找到槽道中點(diǎn)，安裝螺栓，下移試驗(yàn)機(jī)，將螺栓固定于上部夾頭，使相關(guān)準(zhǔn)備工作就緒。

2）開啟試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置參數(shù)，應(yīng)變片調(diào)節(jié)平衡，在2 min內(nèi)將壓力加至13 kN。設(shè)置壓力上下限為3.9 kN，設(shè)置加載頻率為3 Hz。試驗(yàn)機(jī)位移上限定為3 mm，保證試驗(yàn)機(jī)不致于突然被破壞。靜態(tài)采集間隔為120 s/次。設(shè)置加載上限次數(shù)為50萬次，開始進(jìn)行試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)開始后，對(duì)全過程的槽道進(jìn)行相應(yīng)觀察，確認(rèn)槽道及槽道錨腿未產(chǎn)生大變形，并每隔10萬次對(duì)槽道進(jìn)行拍照并對(duì)槽道應(yīng)變進(jìn)行記錄，確認(rèn)槽道表面未發(fā)生較大應(yīng)變響應(yīng)。

隨后，在疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)槽道進(jìn)行靜力極限加載試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如下：加載點(diǎn)選取疲勞試驗(yàn)選用的加載點(diǎn)，加載過程采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行（設(shè)計(jì)荷載的20%為一級(jí)），加載至設(shè)計(jì)荷載13 kN，持荷3 min，組合結(jié)構(gòu)未見明顯變形，后以每分鐘2 kN的速度進(jìn)行加載，直至槽道變形破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過50萬次疲勞試驗(yàn)后，對(duì)槽道最終結(jié)果進(jìn)行拍照記錄。槽道、錨腿、螺桿均無明顯變形，槽道無結(jié)構(gòu)性損傷，表面無裂縫；而錨腿垂直度良好，也沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，表面同樣沒有產(chǎn)生裂縫，標(biāo)志疲勞試驗(yàn)結(jié)束。

在整個(gè)周期內(nèi)，最大拉力為17.529 kN，最小拉力為－0.445 kN，周期內(nèi)最大位移0.110 mm，最小位移0.014 mm，且波形波動(dòng)較為穩(wěn)定。

在完成疲勞試驗(yàn)后，對(duì)槽道進(jìn)行靜力極限試驗(yàn)，加載至46.12 kN時(shí)，槽道發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。槽道跨中產(chǎn)生較大的變形，槽道口也發(fā)生相應(yīng)損壞。錨腿端部產(chǎn)生傾斜變形，端部發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，破壞形態(tài)如圖8所示。

圖8 極限拉拔試驗(yàn)最終示意

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 疲勞試驗(yàn)應(yīng)變結(jié)果分析

將整個(gè)試驗(yàn)過程的5個(gè)應(yīng)變片的數(shù)值進(jìn)行采樣，提取出起始時(shí)調(diào)平的應(yīng)變值和每隔10萬次振動(dòng)過程的相應(yīng)應(yīng)變片數(shù)值。

應(yīng)變片振動(dòng)峰值的變化如表3所示。

表3 應(yīng)變片振動(dòng)峰值變化

應(yīng)變片振動(dòng)谷值的變化如表4所示。

表4 應(yīng)變片振動(dòng)谷值變化

通過對(duì)疲勞試驗(yàn)全過程的峰值和谷值的應(yīng)變變化情況，可以得出如下結(jié)論：

1）隨著疲勞次數(shù)的增多，槽道正中和錨腿的應(yīng)變?cè)诰徛黾樱f明隨著疲勞試驗(yàn)的進(jìn)行，槽道和錨腿的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有所增大。

2）槽道正中和錨腿的應(yīng)變片從開始試驗(yàn)到疲勞試驗(yàn)結(jié)束的應(yīng)變變化較小，絕對(duì)增量小于20με，相對(duì)差值大都在30%以內(nèi)，說明50萬次疲勞試驗(yàn)后槽道及錨腿的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較小，應(yīng)變變化小，疲勞試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的削弱有限。

3.2 極限靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

疲勞試驗(yàn)后對(duì)槽道進(jìn)行極限拉拔試驗(yàn)，繪制荷載-位移曲線，并與未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的試件的荷載-位移曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

圖9 極限拉拔試驗(yàn)荷載-位移曲線示意

將疲勞試驗(yàn)件和未經(jīng)歷疲勞試驗(yàn)件的極限荷載數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。

表5 疲勞試驗(yàn)前后極限荷載對(duì)比

從圖9和表5可以得出如下結(jié)論：

1）極限拉拔試驗(yàn)下的試件呈現(xiàn)出明顯的兩個(gè)階段。在試驗(yàn)荷載小于25 kN時(shí)，試件處于彈性階段；在試驗(yàn)荷載大于25 kN時(shí)，試件進(jìn)入彈塑性階段，在相同荷載增量下，位移增加變多。

2）疲勞試驗(yàn)件和未經(jīng)疲勞試驗(yàn)件的荷載-位移曲線類似，說明經(jīng)過疲勞試驗(yàn)后，試件極限拉拔試驗(yàn)中的各階段結(jié)構(gòu)性能類似。

3）經(jīng)過50萬次疲勞試驗(yàn)后，疲勞試件的最大抗拉強(qiáng)度下降較少（2.51 kN），可以認(rèn)為50萬次疲勞試驗(yàn)后疲勞試件的受力還是安全的。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

1）本文合理地設(shè)計(jì)了快速安裝預(yù)埋槽道的裸槽疲勞試驗(yàn)，并對(duì)疲勞試驗(yàn)中的裸槽結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出了相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)論，為類似預(yù)埋槽道疲勞性能的研究提供了借鑒依據(jù)。

2）通過對(duì)槽道的疲勞試驗(yàn)以及后續(xù)極限拉拔試驗(yàn)，對(duì)預(yù)埋槽道的質(zhì)量進(jìn)行了檢測。檢測結(jié)果表明，預(yù)埋槽道在指定荷載下已通過50萬次疲勞試驗(yàn)，且根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，相應(yīng)測試位置的應(yīng)變均小于20με，可以認(rèn)為試驗(yàn)過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)波動(dòng)較小，說明疲勞試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的削弱有限，結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞性能。

3）疲勞試驗(yàn)件和未經(jīng)疲勞試驗(yàn)件的荷載-位移曲線類似，疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的極限拉拔強(qiáng)度只下降5.16%，可以認(rèn)為50萬次疲勞試驗(yàn)后疲勞試件的受力還是安全的。同時(shí)，也說明在實(shí)際長期運(yùn)營的隧道中，發(fā)生混凝土剝離等現(xiàn)象后，快速安裝預(yù)埋槽道構(gòu)件本身依然可以保證一定的受力性能。

4）組合結(jié)構(gòu)極限破壞試驗(yàn)為整體受損結(jié)果，說明快速安裝預(yù)埋槽道構(gòu)件本身包含的槽道、錨腿各項(xiàng)性質(zhì)類似，組合受力設(shè)計(jì)較為合理。