某軌道交通走行面伸縮縫預埋件加固性能試驗研究

奚 巍 胡克旭 許 多 徐 凱 丁 昊劉聰靈 湯培峰 曹錦磊

（1.上海軌道交通八號線三期發展有限公司，上海201113；2.同濟大學結構防災減災工程系，上海200092；3.上海美創建筑材料有限公司，上海200090；4.中車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，安徽241060；5.上海申凱公共交通運營管理有限公司，上海201113）

0 引 言

隨著我國城市發展速度的加快，城市的交通負擔也在增加，軌道交通的建設可以有效減輕城市交通的負擔，這對城市的未來發展具有重要意義。但隨著軌道交通工程的大規模建設，鑒于其技術要求高、施工難度大、運行條件復雜等情況，在開通運行后往往會出現一些預想不到的問題，給車輛正常運行帶來安全隱患［1］。本文針對某軌道交通項目在開通運行后行走面伸縮縫處出現的預埋鋼件松動及混凝土開裂壓碎問題進行分析并對加固方案進行研究。

該項目采用龐巴迪公司的INNOVIA APM 300 型全自動捷運系統，其運行方式類似于公共汽車，由橡膠車輪支撐在兩側的軌道面上行走，但通過中央的導向系統確保車輛沿運行軌面中央行駛。走行面運行道為鋼筋混凝土地梁式結構，寬度500 mm，高度一般為450 mm（局部330 mm）。為解決熱脹冷縮變形問題，運行道在與高架橋梁伸縮縫相同的位置也設置了伸縮縫，且與橋梁伸縮縫同寬對齊，但為確保車輛運行平穩，采用預埋鋼板對伸縮縫進行了斜交處理。在開通運行不到一年時間即發現40 多處伸縮縫（總計2 700 多個伸縮縫）兩側的預埋鋼板松動，個別伸縮縫處端部混凝土開裂，甚至壓碎脫落，給車輛正常運行帶來安全隱患，亟需通過研究尋求一種便于施工且可靠性能較高的加固方案，消除車輛運行安全隱患。

該軌道交通項目采用的是一種全新的軌道交通運行系統，由橡膠車輪支撐在兩側的行走面上行走，通過中央的導向系統使車輛沿走行面中央行駛。國內外關于該型系統走行面伸縮縫處的預埋件受力研究未見報導，尤其是龐巴迪公司，也未能提供相應的預埋件受力狀態分析和設計參數研究。原設計單位采用的設計參數，主要是車輛的運行重量和靜態輪壓，并根據相關設計規程考慮1.3 倍的動力放大系數，按靜力荷載設計走行面伸縮縫處的預埋件。因此，對該系統走行面伸縮縫處預埋件的損傷原因分析和加固修復研究具有緊迫的工程意義。

1 工程概況

1.1 走行面伸縮縫概況

走行面伸縮縫位于高架橋梁的伸縮縫處，兩根運行面的伸縮縫寬100 mm，位于線路的同一斷面，對稱布置。伸縮縫處采用預埋鋼板進行了斜向處理，如圖1 所示，走行面縫寬30 mm。預埋件大樣如圖2 所示，鋼板厚度30 mm，寬度與運行道相同，均為500 mm，端部懸挑長度215 mm，通過內置φ16錨筋（釬釘）與鋼筋混凝土運行道連接。

圖1 走行面伸縮縫處預埋鋼板平面布置示意（單位：mm）Fig.1 Layout of embedded steel plate at expansion joint of track beam（Unit：mm）

圖2 走行面伸縮縫預埋鋼板詳圖（單位：mm）Fig.2 Detailed drawing of embedded steel plate for expansion joint of track beam（Unit：mm）

根據設計圖紙提供的信息，鋼筋混凝土運行道配筋如圖3 所示，內布設φ10 縱向鋼筋13 根（330 mm 高運行道內為11 根，其中頂面5 根）；橫向箍筋φ16@200，在伸縮縫兩側600 mm 范圍內箍筋間距加密至φ16@150 mm。

圖3 走行面運行道配筋詳圖（單位：mm）Fig.3 Reinforcement details for running track of track beam（Unit：mm）

1.2 走行面伸縮縫預埋件損傷情況

根據現場調查，該項目走行面伸縮縫損傷主要為預埋鋼板與混凝土之間產生裂縫，運行道端頭混凝土開裂和局部壓碎脫落，以及部分預埋鋼板松動，車輛運行時產生響聲。混凝土裂縫和脫落情況如圖4 所示。據現場巡查統計，線路運行約15 個月后，有40 多處伸縮縫產生了明顯的損傷，其中有13處伸縮縫預埋鋼板產生松動。

圖4 走行面伸縮縫處預埋鋼板松動和混凝土壓碎脫落情況Fig.4 Loosening of embedded steel plate and crushing and falling off of concrete at expansion joint of track beam

2 加固處理方案

2.1 損傷原因初步分析

目前，走行面伸縮縫預埋鋼板損傷主要是鋼板松動和混凝土開裂壓碎脫落。根據圖2，伸縮縫每側預埋鋼板總長620 mm，懸挑長度215 mm，懸臂處設置了152 mm 長（30 mm 厚）的豎向勁板。由此可見，預埋鋼板在車輛運行時在車輪壓力作用下會產生傾覆力矩（圖5（a）），而該力矩由預埋件的內部錨筋（釬釘）平衡。由圖5（b）顯示的錨筋布置看，主要是由離伸縮縫遠端的φ16 豎向錨筋承擔。而該錨筋為L 形，上端水平段與預埋鋼板焊接，這樣的焊縫受力時會產生應力集中，很容易從受力一端撕開失效。

圖5 預埋鋼板受力和錨筋設置情況示意Fig.5 Stress of embedded steel plate and setting of anchor bar

2.2 加固處理方案

根據上述分析，伸縮縫處預埋鋼板由于內部錨筋在使用過程中容易失效導致鋼板松動。對于伸縮縫處預埋鋼板的加固處理，宜在鋼筋混凝土運行道兩側采用化學錨栓增設鋼板，新增鋼板與原預埋鋼板（頂部水平鋼板和端部豎向端板）焊接（剖口焊），加強原鋼板錨固。運行道兩側新增鋼板加固前，尚應對已經產生的混凝土裂縫和混凝土破碎部位進行灌縫修復和局部置換處理［5］。

經初步受力計算分析，新增側板錨固措施如圖6所示，且不需再另外采用增加豎向勁板的措施［6］。

圖6 走行面伸縮縫處預埋鋼板加強錨固示意圖（單位：mm）Fig.6 Schematic diagram of reinforcing anchorage of embedded steel plate at expansion joint（Unit：mm）

3 加固性能疲勞試驗

3.1 試驗工況和試驗試件

3.1.1 試驗工況

為對比研究原設計伸縮縫節點和加固節點的抗疲勞性能，以及不同錨固措施的加固效果，根據實際工程狀況，結合同濟大學結構試驗室疲勞試驗設備條件，本次進行了三個1∶1 模型的伸縮縫預埋件節點試件的疲勞試驗，試驗工況如表1 所示。其中，工況1 為原設計方案試件，用于進行加固效果對比；工況2和工況3分別為植筋塞焊固定鋼板加固試件和化學錨栓固定鋼板加固試件，以對比兩種加固方案的效果。經與原設計單位協商，每種工況下疲勞試驗循環加載次數不小于300萬次。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

3.1.2 試驗試件

原結構混凝土設計強度C40，考慮到現場結構混凝土振搗質量不易得到保障，本次試驗采用C35混凝土；鋼筋按原結構設計用材選用HRB335鋼筋和HRB400 鋼筋；預埋鋼板和新增鋼板均采用Q345C 鋼。化學錨栓采用喜利得M20 標準錨栓（5.8級鋼）及RE500植筋膠。

制作3 個足尺模型的伸縮縫預埋件試件，試件1 根據原設計狀態制作，考察原設計節點的受力性能和抗疲勞性能；試件2 為采用化學植筋塞焊固定鋼板的加固節點試件，除附加植筋塞焊固定鋼板進行加固外，與試件1 的不同之處還在于，最外排釬釘在試件2 中去除，以檢驗錨固鋼板的加固錨固性能；試件3 為采用化學錨栓固定鋼板的加固節點試件，除植筋塞焊改為化學錨栓外，其余部分與試件2 相同。三個試驗試件詳圖分別如圖7-圖9所示，試件全長2 200 mm。

圖7 試件1制作詳圖（單位：mm）Fig.7 Making detail drawing of specimen 1（Unit：mm）

圖8 試件2制作詳圖（單位：mm）Fig.8 Making detail drawing of specimen 2（Unit：mm）

圖9 試件3制作詳圖（單位：mm）Fig.9 Making detail drawing of specimen 3（Unit：mm）

3.2 試驗裝置和測試內容

3.2.1 試驗裝置

疲勞試驗在同濟大學結構試驗室的疲勞試驗機上進行，加載裝置如圖10 所示，在預埋鋼板懸臂處施加集中疲勞荷載，力臂100 mm。為適用本次試驗，疲勞試驗機頭最大加載能力100 kN。

圖10 疲勞試驗裝置實況圖Fig.10 Actual situation of fatigue test device

3.2.2 加載制度

本次疲勞試驗采用荷載控制，疲勞加載采用的正弦波如圖11 所示，加載頻率為4 Hz。疲勞試驗前，先對試件進行預加載至最大荷載值以消除因接觸不良造成的誤差，待變形穩定后即開始加載進行疲勞試驗加載［7］。

圖11 加載波形圖Fig.11 Loading oscillogram

根據實際結構的受力情況，對車輛運行時的影響線進行分析，得出預埋件最不利受力位置（力臂100 mm 處）和最大荷載（27.3 kN）。本次試驗所加集中循環荷載的加載點如圖12 所示，具體試驗時的荷載上限和下限值，以及疲勞試驗加載循環次數如表2所示。需要說明的是，原計劃3個工況的疲勞荷載均為10～30 kN，在工況1 進行300萬次的疲勞試驗結束后，試件并未發生破壞，考慮到實際使用情況與試驗加載情況可能存在差距，故在工況2 與工況3 的試驗中將荷載上限由30 kN 提高至了40 kN；另外，原計劃3個工況均進行300 萬次疲勞試驗，具體試驗過程中，根據試件的變形情況，工況2 進行了400 萬次，工況3 進行了1 000萬次。

表2 試驗加載情況匯總Table 2 Summary of test loading

圖12 加載點位置示意圖Fig.12 loading point location

3.2.3 變形和應變測量

為考察預埋件端部在荷載作用下的位移變形情況，試件1、試件2 及試件3 均在預埋鋼板前端及末端分別布置1 個激光位移計測量板端變形情況，如圖13所示。

圖13 位移計布置情況Fig.13 Displacement meter

為考察試件過程中原設計方案中錨筋（釬釘）的受力情況，試件1在最外排4根預埋釬釘上預貼應變片并通過儀器測量不同荷載循環次數下釬釘應變變化情況，如圖14所示。

圖14 應變片布置情況Fig.14 Arrangement of strain arrangement gauges

3.3 試驗結果

3.3.1 試驗現象

試驗后的試件情況如圖15 所示。對于試驗工況1，試件在300萬次試驗過程中預埋鋼板前端振動幅度較小，試件并未出現明顯變形及開裂破壞等情況，僅有預埋鋼板周邊部分混凝土出現開裂脫落。對于試驗工況2及工況3，試驗分別進行了400 萬次與1 000 萬次，其整體試驗表現與工況1 相同，并未出現明顯變形及破壞，僅在加固鋼板與混凝土間涂抹的無機膠處出現細微裂縫。

圖15 試驗后試件情況Fig.15 Test piece condition after test

3.3.2 試驗結果及分析

本次試驗各工況均未發生試件破壞，排除采集設備自身工作誤差等因素的影響，針對試驗數據振動幅值的變化過程分析。

（1） 工況1的錨筋（釬釘）應變變化

分別截取工況1不同荷載循環次數（50萬次、100 萬次、150 萬次、200 萬次、250 萬次和 300 萬次）附近10 s內釬釘的應變變化過程，經處理得到圖16所示應變-時間過程曲線。

圖16 不同荷載循環次數附近釬釘應變-時間過程曲線Fig.16 The strain time curve of drill pin near different load cycles

可以看出，各時期釬釘的應變-時間曲線振動幅值較小且沒有明顯規律性變化，說明釬釘本身在疲勞試驗過程中性能并未出現明顯退化。

（2） 工況1～工況3的預埋件位移變化

同樣截取工況1、工況2 及工況3 不同荷載循環次數（100 萬次、200 萬次、300 萬次、400 萬次、700萬次、1 000萬次）附近預埋鋼板端部10 s內的位移變化過程，經處理得到加載端和錨固端的位移-時間過程曲線分別如圖17和圖18所示。

對比圖17 和圖18 可以看出，在同一循環階段，同一試驗工況下預埋鋼板前端（加載端）振幅要明顯高于預埋鋼板末端（錨固端）振幅。在前300 萬次荷載循環內（工況1 僅進行了300 萬次），經過加固的工況2 與工況3 的振幅均小于工況1。相對而言，在前400 萬次荷載循環內（工況2 僅進行了400萬次）化學錨栓錨固的試件（工況3）的位移振幅又比植筋塞焊錨固的試件（工況2）的位移振幅小。說明加固試件的剛度要優于原設計方案的剛度，化學錨栓錨固試件的剛度又優于植筋塞焊錨固試件。

圖17 不同荷載循環次數附近加載端位移-時間過程曲線Fig.17 Displacement time curve of loading end near different load cycles

圖18 不同荷載循環次數附近錨固端位移-時間過程曲線Fig.18 Displacement time curve of anchoring end near different load cycles

而縱觀整個疲勞加載試驗過程，三種工況下，對于同一工況，隨著荷載循環次數的增加，各位移曲線振幅并未出現明顯增減變化。說明在本試驗的荷載條件下，三種工況的疲勞壽命遠大于300萬次，對于工況3，疲勞壽命超過1 000萬次。

4 結 論

針對某軌道交通項目走行面伸縮縫預埋鋼板松動、端部混凝土開裂壓碎等現象，本文對破壞機制及加固方案進行了分析研究，設計并進行三個足尺伸縮縫節點試件的疲勞試驗。疲勞試驗荷載頻率均為4 Hz，工況1疲勞荷載幅值為10～30 kN，試驗疲勞循環次數300 萬次；工況2 和工況3 疲勞荷載幅值為10～40 kN，試驗疲勞荷載循環次數分別為400 萬次和1 000 萬次。在本次試驗的加載條件下，可得以下試驗研究結論：

（1）所有疲勞試驗試件在試驗過程中均未出現明顯的結構損傷，僅在預埋鋼板或加固鋼板與混凝土交界處由于振動產生了部分細微通長裂縫。

（2）在整個試驗過程中，工況1 試件的錨筋（釬釘）應變過程未見明顯改變，工況1、工況2、工況3試件預埋鋼板前端（加載端）和末端（錨固端）的豎向位移過程也未見明顯改變。說明在本次試驗的荷載條件下，三種工況的疲勞壽命遠大于300萬次，工況3的疲勞壽命超過1 000萬次。

（3）對比試驗過程中三種工況的預埋鋼板測點豎向位移振動幅值變化趨勢，工況2和工況3加固方案試件的剛度優于工況1 原設計方案試件的剛度；工況3 化學錨栓錨固鋼板的加固試件剛度優于工況2植筋塞焊錨固鋼板的加固試件剛度。

（4）本文提出的采用走行面側面化學錨栓錨固鋼板加固伸縮縫預埋件的方法，不僅施工便捷，易于保證施工質量，其施工工序還不影響軌道交通正常運行。本加固方法對于后續采用相同或類似技術的軌道交通走行面的伸縮縫設計和加固具有借鑒意義。

（5）本文提出的化學錨栓聯合無機膠黏劑錨固新增鋼板加固方法對于工程結構中普遍使用的后錨固技術（化學植筋和化學錨栓）的改進和加強具有借鑒意義。