鐵路預應力混凝土箱形梁上復合材料整體電纜槽和遮板研究

曾志斌，李再軻，呂文麗

（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；3.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

電纜槽和遮板屬于鐵路預應力混凝土箱形梁（以下簡稱箱形梁）的橋面附屬設施，分別采用現澆和預制鋼筋混凝土結構，現澆施工周期較長，預制件安裝時需要大型起重設備，制造質量難以保證。箱形梁橋面附屬設施輕質化研究的重點是減輕電纜槽和遮板的質量，做到裝配化、工廠化、標準化施工。采用復合材料制作電纜槽和遮板，拓展了設計思路，為橋面附屬設施的少維護甚至免維護提供了新的選擇。

1 箱形梁橋面附屬設施簡介

箱形梁橋面附屬設施是指位于防護墻外側、懸挑翼緣上表面、除接觸網立柱及其基礎之外的所有結構，由電纜槽及其蓋板、遮板、欄桿（包括立柱和扶手）或聲屏障組成，如圖1所示。

圖1 鐵路預應力混凝土箱形梁橋面附屬設施的組成

電纜槽包括豎墻A和豎墻B，為鋼筋混凝土結構，槽內設防水層，一般采用現澆施工。電纜槽蓋板為預制鋼筋混凝土板或預制RPC（reactive powder concrete，活性粉末混凝土）板。遮板安裝在箱形梁兩側邊緣，采用預制鋼筋混凝土構件。欄桿為鋼結構或預制鋼筋混凝土結構，安裝于遮板之上。

聲屏障是為減輕行車噪聲對附近居民的影響而設置在鐵路側邊的墻式構造物，分2種形式：

1）直接采用預制鋼筋混凝土構件，可與遮板制成一體；

2）采用金屬立柱+隔音板，金屬立柱安裝于遮板之上，隔音板插入金屬立柱之間。

電纜槽主要作為通信信號等線纜的通道，其承受的荷載除自重外，主要是由蓋板傳遞來的人群活載、臨時放置的軌枕和鋼軌、小型施工工具等活載。遮板作為欄桿或聲屏障的載體，兼有防止雨水流入橋面和美觀的作用。其承受的荷載除自重外，主要是由欄桿或聲屏障傳遞來的彎矩，該彎矩由人倚靠欄桿、風活載作用于欄桿或聲屏障而產生。

2 復合材料橋面附屬設施設計方案

針對既有箱形梁橋面附屬設施采用鋼筋混凝土構件時施工周期較長、重量較大、制造質量不好控制等問題，研究了全部采用復合材料制作橋面附屬設施的方案，作為采用鋼筋混凝土構件設計方案的一種補充［1-3］。具體思路如下：

1）欄桿的立柱和扶手全部采用拉擠成型復合材料制成，直接安裝于箱形梁懸挑翼緣最外側邊緣。

2）電纜槽和遮板作為整體，采用玻璃纖維增強泡沫夾心結構，真空灌注一次成型。由于遮板不再作為欄桿的載體，只是起防止雨水流入橋面和裝飾作用，因此其截面可以優化。

3）電纜槽蓋板采用拉擠成型復合材料制成，由于質量較輕，為了防止其在風活載或者列車通過時產生的負壓力作用下被掀翻，故將其安裝于電纜槽的卡槽內。

3 構造細節

復合材料整體電纜槽和遮板由豎墻A、豎墻B、豎墻C、底板和遮板組成（見圖2）。電纜槽的3 道豎墻用來支撐蓋板，故須有足夠的強度和剛度。將整體電纜槽和遮板制成空腔形式，內面填充泡沫，所有荷載均由外壁承受。豎墻A和豎墻C靠近上端設置有框形卡槽，供安裝整塊復合材料步行板，豎墻B頂面與卡槽下緣平齊以支撐步行板。在豎墻A 和遮板側欄桿位置設有供欄桿穿過的孔。對應箱形梁上泄水孔位置在豎墻B 和豎墻C 與底板交接處設置泄水孔。豎墻C中間部位卡槽上緣設置成活動板，方便抽換步行板。

圖2 復合材料整體電纜槽和遮板結構示意

復合材料整體電纜槽和遮板的豎墻C處上設置與防護墻連接用的螺栓孔，在欄桿底座設置壓板，將電纜槽底板扣壓在箱形梁的懸挑翼緣上，如圖3所示。

根據箱形梁長度將整體電纜槽和遮板分成幾個標準節段和調整節段，標準節段長度可設置為8 m。

圖3 欄桿底座、整體電纜槽和遮板與箱形梁懸挑翼緣的連接

4 受力分析

4.1 計算模型

將整體電纜槽和遮板與蓋板一起考慮，即活載作用于蓋板之后傳遞給整體電纜槽和遮板。

首先采用三維建模軟件建立整體電纜槽和遮板與蓋板的幾何模型（見圖4），并對實際結構進行了一定程度的簡化，去除了一些倒角、倒圓、小孔等對計算影響很小的構造。然后采用ABAQUS V11.0 軟件對幾何模型作網格劃分，進行有限元計算分析［4］。

圖4 整體電纜槽和遮板與蓋板有限元計算模型

4.2 計算荷載和邊界條件

施工臨時荷載：按照我國TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》［5］，人工養護的線路考慮堆砟荷載，蓋板上表面施加均布荷載為10 kPa。

邊界條件：約束電纜槽底板的上下自由度和豎墻C的水平自由度；將豎墻A、豎墻B、遮板與電纜槽設置為綁定，蓋板的兩端支撐與豎墻A 和豎墻C、中間與豎墻B設置為綁定。

4.3 材料參數

所有材料參數均來自于從成品上取樣的實測值。箱梁底板由面板、線槽、豎墻A、豎墻B和遮板組成。

1）蓋板的主要參數：E1=9 GPa，E2=E3=2.5 GPa，V23=1 000 MPa，V12=V13=1 200 MPa，u23=0.3，u12=u13=0.217。其中，E為彈性模量，G為剪切模量，u為泊松比。角標1 為纖維方向（橫橋向），角標2 為寬度方向（順橋向），角標3為鋪層方向。

2）整體電纜槽和遮板外壁的主要參數：E1=E2=20 GPa，E3=3.5 GPa，u12=u13=0.217，u23=0.3，G12=G13=G23=1 200 MPa。

3）整體電纜槽和遮板夾心泡沫的主要參數：E=60 MPa，u=0.3。

4.4 計算結果

對計算結果進行后處理時，由于螺栓孔周邊存在應力集中，故不提取該處的應力。

整體電纜槽和遮板外壁的Von Mises 應力云圖和位移云圖如圖5 所示。可知：最大Von Mises 應力為23.54 MPa，最大位移為0.63 mm，均發生在豎墻A與底板連接部位。外壁材料的實測強度為350 MPa，安全系數為14.87。

圖5 外壁應力和位移云圖

整體電纜槽和遮板夾心泡沫的Von Mises 應力云圖和位移云圖如圖6 所示。可知：最大Von Mises 應力為0.54 MPa，位移為0.63 mm，均發生在豎墻A 的卡槽部位。泡沫材料的實測強度為2 MPa，安全系數為3.71。

圖6 夾心泡沫應力和位移云圖

5 實際使用情況

2016年11月，新研制的復合材料整體電纜槽和遮板與復合材料步行板、復合材料欄桿一起在北京某處40 m預應力混凝土箱形梁上試用（見圖7），至今已滿2年。現場檢查沒有出現開裂等病害，效果良好［6］。

圖7 整體電纜槽和遮板在40 m預應力混凝土箱形梁上試用

6 結語

現有箱形梁橋面附屬設施主要采用預制和現澆鋼筋混凝土結構，施工周期長，質量難以控制，且容易劣化，需要經常檢查和維修。作為橋面附屬設施重要組成部分的新型輕質復合材料整體電纜槽和遮板的研制成功，為箱形梁橋面附屬設施的工廠化、裝配化和標準化施工，以及少維護甚至免維護提供了新的選擇。