彈性體伸縮縫在城市軌道交通中的應用研究

王樂然，牛斌

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

彈性體伸縮縫在城市軌道交通中的應用研究

王樂然，牛斌

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

通過對城市軌道交通高架橋常用梁型和跨度的混凝土簡支梁梁間接縫變形的分析，結合國家軌道中心輕軌試驗線U形和T形梁梁間接縫的防水密封工程，在理論和施工工藝上證實了TTXF型彈性體伸縮縫應用于城市軌道交通高架橋梁接縫密封的可行性，并對其應用效果進行了3年的跟蹤調(diào)查，至今彈性體伸縮縫材料狀態(tài)良好，與混凝土梁粘接牢固，雨雪天氣未出現(xiàn)梁間接縫滲漏水現(xiàn)象。本文的研究結果可為城市軌道交通混凝土高架橋梁端防排水工程提供參考和技術支撐。

城市軌道交通 橋梁 彈性體 伸縮縫

由于高架線路投資經(jīng)濟、施工快捷、運營成本低、線路適應性良好，在城市軌道交通建設中得到了廣泛的應用，其中以預應力混凝土簡支梁為主要結構。

工程實踐表明，混凝土橋梁結構在外部環(huán)境長期的使用過程中極易出現(xiàn)堿骨料反應、混凝土碳化、鋼筋電化學銹蝕、酸雨破壞、凍融循環(huán)等耐久性病害，這些病害的產(chǎn)生、發(fā)展均與水有關，因此采取有效的防排水措施是提高結構耐久性、保證軌道交通安全運營的重要手段［1］。我國地鐵相關規(guī)范規(guī)定:橋面應設防水層;梁縫處應設伸縮縫，伸縮縫除保證梁部能自由伸縮外，還應有效防止橋面水滲漏［2］。我國高速鐵路普遍采用橡膠止水帶伸縮裝置［3］，但該裝置安裝、維修和更換困難，嚴重影響了裝置的使用壽命和防排水質量。德國Maurer公司研制的Betoflex樹脂混凝土，將邊梁的錨固增加粘接工序，提高了施工質量和減震降噪性能。日本的MS和SILICON系列密封膠已在日本高速鐵路橋梁防排水工程中得到了成功的應用。硅酮密封膠早在上世紀八十年代就應用于歐美的機場、公路等工程的大變形混凝土接縫密封［4］。CPU彈性體材料在我國高速鐵路橋梁接縫密封工程中已經(jīng)得到了成功應用［5］。本文在相關研究的基礎上，通過理論分析計算和工程實踐對軌道交通高架橋使用“非固定式”彈性體伸縮縫的可行性和適用性進行了分析。

1 梁間接縫變形情況分析

我國的城市軌道交通，除了特殊區(qū)段外，高架橋梁的結構形式也逐漸趨于統(tǒng)一，但目前尚無標準圖或通用圖。隨著城市軌道交通項目的持續(xù)開展，國內(nèi)相關科研單位和設計單位從線路適應性、受力性能、結構變形、施工因素以及經(jīng)濟性等多方面對橋梁的結構形式、跨度進行了比較選擇［6-8］。已開通運營的線路中，高架橋梁有箱形、并置T形、U形、空心板式以及下承脊式等多種梁型結構，簡支體系跨度一般在40 m以下，連續(xù)體系通常采用3×25 m和3×30 m兩種跨度組合。工程實踐和研究結論均顯示，30，25 m標準跨度的雙箱單室組合和單箱單室預應力混凝土簡支箱形結構的綜合性能最優(yōu)，應用最廣。城市軌道交通高架橋梁在受力特點、結構形式等方面與高速鐵路橋梁非常相似:①橋面均鋪設軌道結構，列車荷載相對公路汽車荷載較大，且不直接作用于梁部;②梁軌間相互作用導致梁部受力較為復雜;③線路平順性及行車的安全和舒適性較高，線路變形控制嚴格，橋梁上部及下部結構剛度較大，基礎沉降小。

影響混凝土橋梁梁間接縫密封的因素有二期恒載、預應力混凝土的收縮徐變、列車動活載、整體溫度力以及列車引起的縱向力。二期恒載和預應力混凝土的收縮徐變引起接縫的永久變形，屬于主力恒載;列車動活載和整體溫度力引起接縫的動態(tài)變形，屬于主力活載;縱向力屬于附加力，所引起的接縫變形不經(jīng)常發(fā)生。

城市軌道交通的列車荷載集度要遠小于鐵路列車荷載集度，地鐵設計標準規(guī)定，城市軌道交通高架橋梁的設計荷載采用實際運營列車荷載，常見車型的設計荷載分為A型、B型、C型3種(圖1)。

國內(nèi)有研究對A型、B型、C型車輛荷載與UIC設計荷載進行了對比。研究結果顯示，從荷載的靜動效應，同時考慮未來車輛的發(fā)展，0.6UIC荷載能夠替代目前城市軌道交通常用車輛設計荷載，并留有余量［9］。本文車輛荷載引起的梁間接縫的變形按照0.6UIC荷載進行計算，梁縫寬度按照7 cm計算。

根據(jù)上述計算分析和規(guī)定，得出城市軌道交通高架線路常用跨度混凝土簡支結構接縫最大變形情況，見表1。其中主力恒載引起的接縫永久變形最大伸長率為+24.76%，主力活載引起的動態(tài)變形最大伸長率分別為+4.09%(列車動荷載)，+23.14%(溫度活載)，附加力荷載引起的最大伸長率為+15.47%。相比高速鐵路混凝土簡支梁梁間接縫變形，城市軌道交通高架橋梁梁間接縫的變形量與之基本相當。為驗證適用于高速鐵路混凝土橋梁梁間接縫密封的TTXF型彈性體伸縮縫在城市軌道交通領域的可行性和適用性，課題組于2011年10月份在位于北京東北五環(huán)的輕軌試驗環(huán)線進行了TTXF型彈性體伸縮縫安裝施工。

圖1 城市軌道交通車輛設計荷載

表1 城市軌道交通高架線路常用跨度簡支梁橋接縫伸縮(率)統(tǒng)計

2 驗證性應用

國家輕軌試驗線新建于中國鐵道科學研究院國家軌道試驗中心，正線與既有大環(huán)試驗線并行，線上有高架橋、隧道、小半徑曲線等各種形式的試驗段。高架橋為單線橋，位于城軌試驗線的西側，設計里程為K7+ 573.351—K8+359.534，線路縱坡25‰～28‰，總長約786 m，均為簡支結構，共計54片29跨，其中30 m的T梁32片、25 m的T梁18片、25 m的U形梁4片。原設計梁間接縫使用C80，C100型耐腐合金止水帶伸縮縫，共計140.40 m。

為驗證TTXF彈性體伸縮縫在城市軌道交通高架橋上的適用性，選定在U形梁和T形梁上使用彈性體伸縮縫替代原設計，梁間接縫分為U-U梁接縫、U-T梁接縫兩種，見圖2。彈性體伸縮縫安裝施工環(huán)境溫度為15℃。根據(jù)原設計，試驗線上兩種梁型梁端均設有現(xiàn)澆擋水臺，因此將彈性體伸縮縫澆注于兩擋水臺之間，同時可根據(jù)需要在現(xiàn)澆擋水臺時預留槽口，以方便彈性體伸縮縫的安裝。

圖2 TTXF彈性體伸縮縫設計示意

主要施工步驟有混凝土基面處理、襯墊定位及安裝、底涂料涂刷、彈性體澆注、面涂料噴涂、擋水凸臺二次澆注以及過程中的覆蓋養(yǎng)護，詳述如下。

1)由于現(xiàn)場預留槽口尺寸較小導致表面混凝土出現(xiàn)蜂窩麻面，選擇使用手持式混凝土打磨設備進行混凝土基面處理，將薄弱、疏松或破碎的表面混凝土清除，并清理表面的浮土、浮銹、脫模劑、油污等污物。

2)試驗線上為分塊式軌道結構，選擇實心PP棒材(直徑不小于20 cm)，作為彈性體伸縮縫的底襯材料，安裝時要求成形面平順、無接頭。安裝完成后，檢查襯墊的定位尺寸，預留空腔尺寸不得小于設計要求。

3)底涂料為本彈性體材料專用的界面處理劑，涂刷面應均勻、不露底面、不堆積，并至少大于粘接面外輪廓，涂刷完成后覆蓋養(yǎng)護。

4)TTXF型彈性密封材料，由A，B組分在現(xiàn)場澆注機內(nèi)恒溫混合而成。混合完成后，可選擇人工或機械方式進行澆注，澆注過程中避免帶入空氣，隨時注意除泡，配制好的液態(tài)密封材料應在30 min用完，隨用隨配，保證澆注過程的連續(xù)性(圖3)。澆注完成后覆蓋養(yǎng)護，確保密封材料外觀的清潔、干燥。

圖3 TTXF彈性體伸縮縫澆注施工

5)澆注完成12 h以內(nèi)，且膠面不黏手時，進行面涂料噴涂，噴涂完成后繼續(xù)覆蓋養(yǎng)護至材料實干，養(yǎng)護中避免水份、灰塵、雜質落入，并防止機械損傷。

6)為保證橋面積水不在伸縮縫兩端漫流至橋下，可在彈性體實干后進行擋水凸臺的二次澆注，凸臺高于伸縮縫表面2 cm。

3 結語

國家軌道中心輕軌試驗線高架橋彈性體伸縮縫施工完成至今已近3年，課題組在冬夏季，雨雪天氣等特殊氣候條件下對彈性體伸縮縫的使用狀況進行了跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)伸縮縫在多種因素的共同作用下，在保證梁端長期防水密封質量的前提下完全可以滿足橋梁伸縮變形的要求，安裝施工和后期養(yǎng)護方便快捷，解決了目前常用的固定式伸縮裝置質量受施工因素影響大，且安裝、維修不便，基本無法更換的實際困難，為城市軌道交通高架橋梁梁間接縫的防水密封提供了新技術和新材料。

［1］殷寧駿．高速橋梁的耐久性［J］．鐵道建筑，1997(7):9-12．

［2］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中華人民共和國建設部．GB/T 50157—2003地鐵設計規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

［3］張軍．客運專線橋面附屬設施設計研究［J］．鐵道標準設計，2007(2):54-56．

［4］袁素蘭，盧麟，鄒百軍，等．低模量高伸長率硅酮密封膠在混凝土接縫防水中的應用［J］．城市道橋與防洪，2007 (5):65-68．

［5］牛斌．京滬高速鐵路橋梁彈性體伸縮縫應用試驗研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2011．

［6］姚亞茹．軌道交通高架區(qū)間橋梁形式比選與經(jīng)濟比較［J］．鐵路工程造價管理，2006，26(2):41-44．

［7］曹玉忠，柳學發(fā)．城市軌道交通高架橋特點與設計對策［J］．鐵道標準設計，2007(8):60-63．

［8］方昌福，胡京濤，陳罄超．城市軌道交通高架線的設計研究［J］．鐵道工程學報，2006(5):91-96．

［9］徐志發(fā)．城市軌道交通橋梁設計活載圖式研究［J］．交通科技，2010(2):94-96．

Study on application of elastomer expansion joints in structures of urban transit system

WANG Leran，NIU Bin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he article mainly analysed the deformation between adjacent concrete simply-supported bridge spans in urban rail traffic，and focused on engineering application of T T XF elastomer expansion joint in light-rail testing line in which there were U-type Beam and T-type Beam．T he effect had been tracked for 3 years．T he results showed that the elastomer material of bridge expansion joints had been in good condition，and it attached to the concrete girders tightly without leakages in rainy or snowy days．T he T T XF elastomer expansion joint applied in bridge joints seals in urban rail traffic proved feasible and it can provide technical support for the similar engineering．

Urban rail traffic;Bridge;Elastomer;Expansion joint

U443.31

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．02

1003-1995(2015)04-0006-03

(責任審編周彥彥)

2014-09-10;

2015-01-15

王樂然(1979—)，男，河北獻縣人，助理研究員，碩士。