鐵路混凝土梁人行道步行板的技術要求和結構選型

曾志斌

(1.高速鐵路系統試驗國家工程實驗室,北京 100081;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

鐵路混凝土梁人行道由支架、欄桿(包括立柱和扶手)、步行板、電纜槽托架等組成，主要作為工務人員巡視檢查或養護維修的通道，以及維修施工時臨時堆放機具、道砟、軌枕或者鋼軌的場所。人行道還可為通訊線纜、信號線纜等提供支撐，其承受的荷載除自身重量外，主要是人群活載、施工機具活載、臨時堆載和風活載。

傳統的人行道步行板采用普通鋼筋混凝土板，每年全路發生多起因劣化嚴重的混凝土步行板斷裂而引起的人身傷害事故。步行板作為鐵路橋梁上可更換的附屬設施，設計規范沒有規定其技術參數，也沒有相應的檢查驗收標準。為了解決劣化嚴重的鋼筋混凝土步行板更換的難題，設備管理部門采取過各種措施，如直接以新制鋼筋混凝土板替換劣化嚴重的步行板，采用集中在構件廠預制的方式保證制造質量，但是這些措施沒有從根本上解決鋼筋混凝土板容易劣化的問題。近些年，橡膠步行板的使用越來越多，各種各樣的復合材料步行板也開始試用。如何選擇具有足夠承載力和耐久性、能夠保證人身安全的步行板，是設備管理部門迫切需要解決的難題。

1 人行道步行板的設計荷載和技術要求

1.1 設計荷載

按照我國現行TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》[1]，人行道步行板除了承受其自身重量外，有時用于放置軌枕、鋼軌、工具等，豎向靜活載取4 kPa；當橋上走行檢查或維修小車時，豎向集中荷載取1.5 kN；在有砟橋面的人行道上考慮養護翻修道床時臨時堆放道砟的需要，規定離梁中心2.45 m范圍內的人行道上臨時堆砟荷載為10 kPa。另外，還要考慮風荷載。

1.2 技術要求

根據實際使用經驗和教訓，針對人行道步行板的技術要求提出以下建議：①在設計荷載作用下，步行板的強度(拉應力、壓應力和剪應力)滿足材料的設計容許應力要求。鋼筋混凝土結構的計算裂縫寬度還要滿足設計要求。②當人在步行板上行走時，步行板的撓度不能使人產生不安全感。我國現行GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[2]規定樓梯構件的計算跨度l0<7 m時，撓度限值為l0/200(l0/250)，括號內的數值適用于對撓度有較高要求的構件。撓度限值的減小意味著成本的增加，撓度限值太小也沒有必要。建議人行道步行板的撓度限值為L/300(L為支架間距)。③若步行板由薄壁板件組成，則在荷載作用下板件不能發生局部失穩。④步行板具有足夠的抗疲勞性能，即在人行活載反復作用下不致于發生疲勞破壞。疲勞試驗荷載幅值可取1.5 kN，循環次數可取10萬次。⑤步行板具有足夠的耐久性，使用壽命滿足設計要求。⑥步行板的吸水量必須小，即不能因吸水而增加自重，從而增大二期恒載。⑦步行板上表面須具有防滑功能，且具有足夠的硬度，防止尖銳物體損傷步行板。⑧步行板宜具有良好的阻燃性，即不燃燒。⑨為了防止步行板被風掀翻，其必須有足夠自重，或者固定于支架之上。⑩方便檢查維修。

2 鋼筋混凝土步行板

按照我國現行TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》[3]，鋼筋混凝土結構采用容許應力法設計，計算強度時不考慮混凝土承受拉力(除主拉應力檢算外)，拉力應完全由鋼筋承受，計算裂縫寬度不應大于0.15～0.20 mm。裂縫的存在意味著雨水可以滲透進去，不僅會加劇混凝土出現堿骨料反應、掉塊、保護層剝離等劣化問題，而且會引起鋼筋腐蝕。當鋼筋因腐蝕而導致截面削弱，其有效截面不能承受行人活載時，就會發生斷裂現象且近乎于脆性斷裂。

作為步行板的鋼筋混凝土板厚度只有5～8 cm，保護層厚度一般為2 cm，采用φ8～φ12鋼筋，極容易產生各種劣化現象，每年設備管理部門都要花費大量人力和物力進行檢查，但是檢查鋼筋腐蝕的難度很大。當步行板劣化嚴重時須更換。

3 橡膠步行板

新型輕質橡膠步行板以天然橡膠為主要原料，內設螺紋鋼骨架，經高溫混煉而成[4]。橡膠步行板與鋼支架之間采用螺栓連接。

橡膠是指具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產生較大形變，除去外力后能恢復原狀。橡膠制品在使用過程中，容易受氧、臭氧、熱、光、水分、機械應力等內外因素的綜合作用而引起橡膠物理、化學特性和機械性能的逐步變壞，最后喪失使用價值，也就是老化，表現為表面龜裂、發黏、硬化、軟化、粉化、變色、長霉等。當環境溫度較高時，橡膠步行板的彈性模量顯著減小，在人行荷載作用下的變形增大，使人產生不安全感。

4 復合材料步行板

4.1 復合材料簡介

復合材料是由2種或2種以上不同性能、不同形態的組分材料通過復合工藝組合而成的一種多相材料。它既保留了原組分材料的主要特點，又顯示了原組分材料所沒有的新性能。復合材料最早用于軍事工業，此后隨著增強纖維、樹脂基體、成型工藝等技術的發展，復合材料不僅在航空航天工業，而且在各種民用工業中獲得了廣泛的應用，成為重要的工程材料。

纖維增強復合材料是由增強纖維材料與基體材料經過纏繞、模壓、拉擠或真空灌注等成型工藝而形成的復合材料。增強纖維材料包括玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、芳綸纖維等，常用的是前2種。基體材料包括金屬基體材料、陶瓷基體材料和聚合物基體材料，其中聚合物基體材料包括不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等[5-7]。采用不同的基體材料、增強纖維材料和成型工藝，添加不同的輔助劑，能夠得到不同性能的復合材料制品。

纖維增強復合材料具有如下特點：①質量輕，密度為1.8×103～2.1×103kg/m3；②比強度(縱向拉伸強度與其密度之比)高，比模量(縱向拉伸彈性模量與其密度之比)大；③材料性能和結構形式具有可設計性；④抗腐蝕性能和耐久性能好；⑤線膨脹系數與混凝土相近，相容性好。

4.2 2類復合材料步行板

1)模壓成型復合材料步行板

模壓成型工藝是將一定量基體材料和增強纖維材料組成的預浸料放入到金屬模具的對模模腔中，利用帶熱源的壓機產生一定的溫度和壓力，合模后在一定的溫度和壓力作用下使預浸料在模腔內受熱軟化、流動、充滿模腔成型和固化，從而獲得復合材料制品的一種工藝方法。模壓成型復合材料步行板一般以不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂為基體材料，以玻璃纖維或玄武巖纖維為增強材料，為了增加橫向強度可加入纖維氈。其結構一般為開口形式，即沒有封閉的空腔。

這類復合材料步行板的制作過程受溫度、模壓壓力、模壓時間等因素的影響，即使步行板的原材料、結構形式和尺寸完全相同，不同步行板的質量也難以保持均一，同一步行板不同部位由于纖維含量不同物理和力學性能也不同。另外，設備投入較大，生產效率較低。

2)拉擠成型復合材料步行板

拉擠成型工藝是在牽引設備的牽引下，將連續纖維或其織物進行樹脂浸潤并通過成型模具加熱使樹脂固化，生產復合材料型材的工藝方法。其屬于性能優異且經濟的型材生產方式，非常適合大批量生產高質量的纖維增強復合材料型材。

拉擠成型復合材料步行板以玻璃纖維或玄武巖纖維為增強材料，為了增加橫向強度可加入纖維氈。基體材料一般采用不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂。近年來，聚氨酯因具有韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優點而進入長期由不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂主宰的復合材料領域。聚氨酯拉擠復合材料制品具有低黏度、中度至高度反應性、良好的沖擊強度和韌性以及剪切性能，可通過提高制品中玻璃纖維含量而使強度大大提高。

拉擠成型復合材料步行板的結構為平板式、帶加勁肋的板式或者多室閉口形式。

4.3 幾個問題

1)作為增強材料的玻璃纖維按含堿量劃分為高堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維和無堿玻璃纖維，相互之間價格差異很大。含堿量越高，復合材料產品的耐久性越差，因此在生產復合材料步行板時須采用無堿玻璃纖維。

2)在復合材料步行板靠近下表面添加鋼絲。由于鋼絲的彈性模量為210 GPa，而復合材料的彈性模量往往小于50 GPa，在外荷載反復作用下，兩者由于變形不同而不能協調工作，黏結面容易破壞。另外，不管采用模壓成型還是采用拉擠成型，鋼絲在成品中很難固定于設計位置。

3)復合材料步行板采用不同復合材料型材或者復合材料型材與鋼結構或混凝土結構黏結而成。在外荷載反復作用下，步行板反復彎曲變形，黏結面容易因剪切疲勞而破壞。

4)復合材料步行板采用拉擠成型的多室閉口截面形式。一方面，為了形成空腔，模具的芯棒處于懸臂狀態，在連續拉擠生產過程中，芯棒會發生變形，造成內壁厚薄不均勻，若太薄則在外荷載作用下有可能破壞，且難以檢查；另一方面，在連續生產過程中，若內壁出現斷絲現象，則難以及時發現，從而影響產品質量。

5)如果采用模壓成型，或者以不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂為基體材料拉擠成型，在其中添加一些低成本的非必要成分則會顯著降低產品性能。如果采用纖維增強聚氨酯拉擠成型，聚氨酯的固化時間較短，以目前的技術水平在其中添加非必要成分的難度很大，則能夠保證產品質量。

6)傳統的鋼筋混凝土步行板簡支擱置于鋼支架上，沒有冗余度，一旦斷裂就會發生人身傷害事故。建議采用連續板式結構，即3～4個支架支撐1塊板，使其具有2～3個冗余度，增加安全性。

7)經濟性。從目前步行板的制作成本分析，鋼筋混凝土板是最便宜的，橡膠步行板次之，復合材料步行板最貴。如果從全壽命周期成本分析，特別是涉及人身安全的問題時，復合材料步行板還是具備競爭力的。

5 結論

鐵路混凝土梁人行道步行板的使用狀態直接關系著工務人員的安全。綜合比較不同步行板的力學性能以及其生產和實際使用經驗，推薦采用以聚氨酯為基體材料、以無堿連續玻璃纖維為增強材料、采用連續拉擠成型工藝生產的復合材料步行板，結構形式為平板式或者帶加勁肋的板式。采用在3～4個支架間連續鋪設，既能增加步行板的剛度，也能提高安全系數。