板式軌道剪力齒槽作用機理分析

魏 強

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

剪力齒槽是CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)的重要結構，在梁體施工過程中，需要澆筑成型和預埋連接鋼筋用的套筒。由于運梁車通過時保護不好容易被壓壞，或者施工過程中操作不規(guī)范產生質量缺陷，對其缺陷處理要足夠重視。

1 剪力齒槽的作用機理和重要性

CRTSⅡ型板式無砟軌道的縱向力傳遞要綜合考慮軌—板—梁—墩的相互作用。溫度變化和列車荷載作用下，鋼軌和道床板之間通過扣件阻力相互作用，道床板和梁通過剪力齒槽和摩擦阻力相互作用，梁和橋墩通過支座相互作用。在梁板之間設置滑動層，使梁、板之間摩擦力減少并使梁板可以產生相對位移。“浮置”于梁面以上的無砟軌道結構可以通過扣件阻力達到協(xié)調變形、保持結構穩(wěn)定。底座板通過剪力齒槽起到控制伸縮變形的作用，同時將無砟軌道產生的作用力傳遞到橋梁上。梁相對于底座板可以“自由”伸縮，對鋼軌和無砟道床產生附加力較小。底座板內的縱向力，通過設置在固定支座處的剪力齒槽和固定的梁端直接傳遞到橋墩上。適當增加橋墩的縱向剛度來抵抗縱向變形、減少鋼軌和無砟道床附加力;適當增加底座板的剛度把縱向力在附近橋墩上進行分散。可見，剪力齒槽在CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)起到的重要作用，是無砟軌道和橋梁之間相互作用的“紐帶”，同時是長橋上無砟軌道底座板的縱向限位裝置。

按照設計，底座板是CRTSⅡ型板式無砟軌道的主要受力結構，按照兩端固定的拉壓桿件進行設計檢算［1］，承受的縱向力主要包括溫度力(收縮力)和列車啟(制)動力。圖1是CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的受力示意圖，兩端約束為端刺結構，中間約束為剪力齒槽。

圖1 CRTSⅡ型板式無砟軌道結構受力示意

拉壓桿件在軸向力作用下，產生縱向伸縮變形，除了在橋臺背后設置端刺結構外，橋上特別是長橋上在固定支座處梁端設置限位結構(剪力齒槽)十分重要。如上所述，剪力齒槽通過剪力鋼筋和新舊混凝土結合把底座板與橋梁在固定支座處固結，傳遞縱向力和限制底座板位移。文獻［2］利用有限元方法分別計算了溫度力、制動力等縱向力作用下，多跨簡支梁上剪力齒槽的受力。一線制動荷載和溫度力作用下，剪力齒槽受力大于橋墩受力，并受底座板伸縮剛度和滑動摩擦系數影響較大，表明了剪力齒槽傳遞軌道縱向力并傳遞橋墩變形產生的軌道附加力。

2 剪力齒槽的結構設計

在剪力齒槽錨固區(qū)域，底座板與橋梁梁體通過剪力鋼筋和齒槽進行固結［1，3］。不同的橋梁結構具體設計不同，連續(xù)梁結構比普通簡支梁設計結構要強。下面以32 m簡支梁為例介紹設計計算原理。

圖2是32 m簡支梁的剪力齒槽設計，設置在固定支座處的梁端，距離梁縫中心線1 536 mm。剪力齒槽設計三道耳墻和三道凹槽，靠近梁端的耳墻上頂寬360 mm，高度50 mm，與梁端粘貼的擠塑板等高。中間兩道耳墻為正梯形，上寬132 mm，下寬170 mm。凹槽形狀為倒梯形，上寬138 mm，下寬100 mm，深度為65 mm。在每道中間耳墻上設置φ28 mm的HRB335級鋼筋7根，共14根，鋼筋采用預埋方式在箱梁澆筑時埋入。在澆筑底座板混凝土時，需要提前安裝剪力釘(φ28 mm的HRB335級鋼筋)。剪力釘與預埋鋼筋通過連接套筒連接，連接套筒長度為2×1.5×28=84 mm，剪力釘擰入深度不得小于連接套筒長度的一半，即42 mm。設計要求鋼筋螺紋、連接套筒和連接接頭擰緊力矩以及相關抗疲勞性能要符合《滾軋直螺紋鋼筋連接接頭》(JG163—2004)和《鋼筋機械連接通用技術規(guī)程》(JGJ 107—2003)的相關要求。

根據文獻［1］中鐵科院提供的設計原理部分，京津城際鐵路設計主要進行了錨筋檢算、鋸齒塊(以下稱耳墻)局部承壓檢算和抗沖剪力檢算。錨筋檢算簡化力學模型如圖3所示，認為利用錨筋的抗拔力來抵抗縱向力，其前提是耳墻和底座板下突部分不被剪切破壞。并保證新舊混凝土在耳墻的斜面上不發(fā)生破壞，抗拔力與耳墻的斜面角度有關系，其關系式為

圖2 32 m簡支梁的剪力齒槽設計斷面(單位:mm)

其中，θ為斜面傾角。鋸齒塊(耳墻)局部承壓檢算主要利用縱向力產生的垂直耳墻斜面的力作用在耳墻的壓應力，認為小于容許壓應力就可以通過檢算。

其中，θ為斜面傾角。根據式(1)和式(2)，實際上把縱向力分解為兩部分，一部分是垂直力，利用剪力釘的抗拔力來抵抗;一部分是垂直耳墻斜面的力，利用混凝土的抗壓能力來抵抗。這種設計充分發(fā)揮了鋼筋抗拉和混凝土抗壓的性能，但是應進行耳墻混凝土的抗剪檢算。建議對耳墻混凝土進行配筋設計，并加強底座板下凸塊的配筋設計，提高抗剪能力。同時底座板和剪力齒槽的新舊混凝土結合面要牢固，真正實現“固結”。

圖3 京津城際鐵路剪力齒槽受力示意

3 剪力齒槽質量缺陷分析及處理

在施工中，由于對剪力齒槽重視程度不夠，造成質量缺陷，或者保護不善，對已經成型的剪力齒槽造成破壞，這些都會對Ⅱ型板式無砟軌道的使用安全產生影響。本文重點對施工中容易產生的質量缺陷進行分析。

3.1 耳墻混凝土質量缺陷分析及處理

在梁面上成型剪力齒槽比較困難，一般采用組合鋼(木)模板或定型鋼模板。由于耳墻尺寸較小，造成搗固困難，使混凝土不密實，如圖4所示。另一缺陷是由于梁面收面時的混凝土澆筑在耳墻內，或者搗固耳墻時未去除浮漿，使混凝土內粗骨料減少。這兩種情況都會使混凝土齡期強度降低，在承受壓力時被壓碎而破壞。此時剪力釘通過抗拔力抵抗縱向力轉變?yōu)橥ㄟ^剪切力來抵抗縱向力，剪切力比正常情況下的抗拔力增加1/tanθ，當θ為11°時(京津城際鐵路的θ設計值)，將增加5倍。

圖4 耳墻混凝土不密實

還有一種常見的耳墻缺陷是由于運梁機碾壓使耳墻掉塊、不完整(圖5)，造成耳墻受壓面積減少，承受壓力不足使耳墻破壞。特別是預埋剪力釘部位混凝土缺失，直接影響鋼筋的抗拔力，產生不良后果［4］。對于耳墻缺損、掉塊，現場一般采用兩種處理方式。一種處理方式是按照原耳墻尺寸進行修補，另一種處理方式是不對耳墻進行修補，缺損部分在底座板施工時一同澆筑。兩種處理方式的受力方式都是相同的，修補面處是受力破壞的主要部位，由原設計局部受壓轉化為接觸面受剪。出于混凝土整體施工質量較好的考慮，建議采用后一種處理方式。但是應進行植筋處理，將壓力等效轉化為鋼筋剪力，同時要認真進行接觸面的處理。如果缺損部分低于原設計頂面高度較小，可采用對凹槽進行鑿深的處理方式。

圖5 耳墻混凝土缺損

以上缺陷產生質量問題的后果是相同的，都可能產生底座板縱向位移，影響無砟軌道的安全使用。

耳墻存在的另一個質量缺陷是尺寸控制問題，特別是斜面坡度。從式(1)、式(2)可知，水平力的分解與坡面角度存在關系，坡面角度設置不當直接影響錨筋抗拔力和混凝土壓力的分配。現場施工應使用定型的、符合設計要求的鋼模板，以控制整個齒槽的尺寸。

3.2 凹槽質量缺陷分析及處理

凹槽質量缺陷主要包括深度不足和混凝土不密實。由于采用槽型模板施工，凹槽處混凝土被模板蓋住，造成搗固困難。振搗中不能排除氣泡和去掉表面浮漿，致使該部位混凝土不密實、氣泡多、浮漿多(圖6)。處理不當與底座板澆筑的混凝土結合時形成薄弱面，受縱向力作用易被剪切破壞。

圖6 凹槽及耳墻混凝土氣泡較多

凹槽深度不足產生的主要原因是在澆筑混凝土時對模板上浮控制不嚴，其產生的后果也使耳墻受壓面積減少，產生3.1中論述的后果。

凹槽模板的制作和加工質量十分關鍵，在模板上應采取一些排氣措施，同時建議考慮混凝土澆筑時上浮力的影響。加強模板加固措施的同時，盡量使凹槽深度富余一些。對于深度已經不足成型的凹槽，應人工鑿除至設計深度。

3.3 混凝土表面鑿毛不足的質量缺陷分析及處理

在現場施工中，存在接觸面如圖7所示鑿毛過于簡單不符合要求的現象。按照相關的設計原理，如果混凝土表面鑿毛不足，特別是耳墻的斜面，造成該接觸面為滑動面，使底座板產生順斜面方向滑動的趨勢，從而增加錨筋的上拔力，一旦發(fā)生破壞，使軌道上拱，產生不良后果。

圖7 混凝土鑿毛不足

設計要求底座板與剪力齒槽固結，要求混凝土良好的結合，使剪力齒槽受力形式符合計算圖式的要求，保證新舊混凝土結合面不被剪切破壞。相關文獻表明［5］，新舊混凝土結合面的處理方式、粗糙程度和新混凝土配合比對黏結力影響較大，粗糙度越高，黏結力越大。所以應對整個剪力齒槽進行充分的鑿毛，圖8所示為鑿毛較好，鑿除了浮漿，鑿出了粗糙的混凝土面。同時建議，由于混凝土結構設計造成的必須間隔施工，應該按照設計縫進行處理。必要時進行計算以滿足固結要求，符合設計中剪力齒槽的受力設想，或者提出新舊混凝土面結合措施，必要可以采取特殊處理。

圖8 混凝土鑿毛較好

3.4 剪力釘安裝產生的質量缺陷分析及處理

剪力釘安裝主要存在幾個方面的質量缺陷:①預埋套管不進行注油封蓋，長期被水浸泡，內部銹蝕嚴重，筒內螺紋被腐蝕失效;或者被異物填充，鑿除時破壞螺紋(圖9)。②剪力釘旋入困難時，直接砸入，破壞螺紋。③剪力釘安裝時旋入深度不夠或者力矩不夠。以上三點缺陷都導致錨固鋼筋的抗拔力以及抗疲勞性能降低，甚至失效。④剪力釘安裝不豎直(圖10)。由于按照設計剪力釘應受到垂直向上的力，如果剪力釘安裝不順直，將產生旁彎變形的趨勢。即使考慮混凝土的約束作用，受到拉力時產生的附加彎距，也將產生附加應力，使鋼筋內產生的拉應力會有所增加。增加的幅度決定于鋼筋的傾斜角度，傾角越大，鋼筋受到的拉力越大。圖11和式(3)表明了傾斜鋼筋受到的拉力和設計抗拔力的關系。

式中，F′為傾斜鋼筋受到的拉力，F為設計抗拔力，α為鋼筋與豎直線的夾角。

圖9 預埋套管被混凝土堵住

圖10 剪力釘安裝傾斜

圖11 剪力釘傾斜受力分解示意

螺紋破壞在現場一般采用重新刻絲的工藝進行處理。如果進行重新刻絲，需要將原絲口磨平，這樣導致套筒內徑增大、筒壁變薄，從而使鋼筋的抗拔力降低。所以，應該根據實際的內徑對剪力釘的直徑重新進行選配，并應該降低經過處理的錨筋設計抗拔力，損失部分通過植筋進行補償。對于安裝不豎直的剪力釘，豎直抗拔力已經降低，應實際測量歪斜角度，計算損失的抗拔力，通過植筋進行補償。

4 結語

通過剪力齒槽作用機理的分析表明，剪力齒槽是無砟軌道系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)之間傳力的“紐帶”，是橋梁上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)中的重要結構。施工中質量控制難度大，一旦發(fā)生質量缺陷，不但難以處理，而且可能改變原設計的受力狀態(tài)，應該引起足夠重視。

［1］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術總結報告［R］.北京:鐵道部工程管理中心，2008.

［2］曹利.簡支梁橋上博格板式無砟軌道縱向力分析［D］.成都:西南交通大學碩士論文，2007.

［3］閻紅亮.京津城際鐵路無砟軌道設計綜述［J］.鐵道建筑，2008(增刊):10-15.

［4］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［5］袁群，趙國藩，趙志方.新老混凝土黏結強度的影響因素分析［J］.人民黃河，2000，22(4):31-33.