城市軌道交通預制H型板柱組合軌道結構的研究與設計

段玉振 ，吳建忠 ，劉 觀 ，陳應東

（1. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結構工程技術研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室，北京 100037；4. 中鐵城市發展投資集團有限公司，成都 610031）

目前城市軌道交通的車場線庫內立柱式檢查坑的立柱大多采用現澆混凝土立柱方案，少數采用鋼結構立柱或者預制混凝土小立柱結構，存在施工作業環節多、施工精度不易控制、施工進度緩慢、施工質量不易控制等問題[1]，難以滿足城市軌道交通施工工期、施工精度、美觀性等要求。車輛段檢查坑立柱數量巨大、施工周期長[2]，立柱需要準確定位才能保證檢修線軌道的相關幾何尺寸精度。檢查坑立柱的快速準確施工對于滿足車輛段的實際建設及運營使用影響很大，開展對目前立柱式檢查坑結構存在問題的調研分析，從結構設計、預制生產、安裝施工及造價等方面系統地優化比選與研究十分必要。

鑒于此，研發了一種城市軌道交通用預制H型板柱組合軌道結構，專門用于立柱式檢查坑軌道，由傳統混凝土現澆結構實現預制裝配化。

1 各種立柱式檢查坑結構特點分析

1.1 現澆混凝土立柱方案

現澆混凝土立柱方案軌道結構一般是現場綁扎鋼筋后灌注混凝土，其結構高度一般有兩種：一種軌道結構高度為500 mm，土建單位負責軌面500 mm以下的立柱施工，并在立柱頂面預留鋼筋，軌道施工單位負責軌面下500 mm范圍內的立柱施工。此種方案的結構立柱需要兩家施工單位共同配合完成，盡管軌道施工范圍內精度易保證，但立柱需要兩次澆筑，整體性及美觀性較差。另一種軌道結構高度為190 mm，土建單位負責整根立柱的施工，軌道專業負責軌道設備。此種方案立柱一次澆筑，整體性及美觀性較好，但土建和鋪軌單位共同配合施工，增加了一定的施工配合難度[3-4]。現澆混凝土立柱現場施工見圖1。

圖1 現澆混凝土立柱方案示意Figure 1 Cast-in-place concrete column

現澆混凝土立柱方案一般采用架軌法施工，將施工誤差消除在立柱中。首先綁扎結構基礎及立柱鋼筋，再用鋼軌支承架將鋼軌架好，吊裝好扣件及尼龍套管，依據鋪軌基標調整好鋼軌方向、高低及軌距，然后灌注立柱混凝土。

現澆混凝土立柱方案是目前城市軌道交通庫內線采用最多的一種結構，方案成熟、應用廣泛、造價低，但存在如下問題：①庫內立柱數量較大，立柱現場綁扎鋼筋工作量大，耗時長；②支模現澆空間狹小，混凝土難以振搗密實，尤其鋼軌底部，導致實際承載力偏低；③需土建(澆筑立柱)和鋪軌單位(架軌)共同配合施工，增加了施工配合難度；④現澆立柱表面粗糙，精度差、不美觀；⑤軌道尼龍套管預埋精度及承軌面平整度較差；⑥土建施工誤差控制不好時，易產生水平誤差大、立柱嚴重偏斜、鋼軌安裝困難、豎向誤差大、現澆混凝土破碎等情況。

1.2 鋼立柱方案

鋼立柱方案主要特點是將立柱的材質改為鋼結構柱，柱子的頂面焊接承軌的平臺。從下至上依次包含混凝土條形基礎、定位鋼板、連接部件和預制鋼立柱、軌道設備。鋼立柱方案見圖2。

圖2 鋼立柱方案示意Figure 2 Steel column scheme

鋼立柱方案的主要施工方法：清潔土建基礎表面、扶正結構預留門型筋→架軌→安裝扣件和鋼立柱→調軌并固定鋼軌→澆筑鋼立柱下方的條形混凝土基礎。也有條形基礎的施工方案，定位鋼板由土建預埋，軌道專業負責定位鋼板以上范圍安裝。

鋼立柱方案主要優點有：①采用混凝土條形基礎、錨固鋼筋(或螺栓)、預制鋼立柱，使得軌道結構現場作業環節減少，勞動強度降低，施工效率高、美觀性佳等優點；②通過使用與該結構配套的自上而下的施工工法，使得該類軌道結構具有很強的可實施性，且施工精度易于保證。

鋼立柱方案主要存在的問題有：①保證軌道精度前提下，柱腳螺栓預埋精度較難保證；②鋼結構后期維護成本大；③造價高。

1.3 預制混凝土小立柱方案

預制混凝土小立柱方案主要特點是將現澆的鋼筋混凝土立柱工廠預制，再通過特殊工藝將柱底與基礎連接。預制混凝小立柱柱腳連接方式主要有4種：①鋼套筒(內螺紋)，逆向安裝施工；②柱腳預留鋼筋，預制立柱預留鋼筋孔后澆做法；③柱腳杯口式連接；④柱腳預埋螺栓連接。目前主要采用第一種連接形式。預制小立柱現場施工見圖3。

圖3 預制小立柱方案示意Figure 3 Precast small column scheme

預制小立柱方案的主要施工方法：土建綁扎立柱下部基礎鋼筋籠→架軌→安裝扣件和預制混凝土立柱→將鋼筋一頭擰進立柱底部的鋼套管中，另外一頭與土建下部基礎鋼筋籠綁扎在一起→土建澆筑下部基礎混凝土。

預制混凝土小立柱的主要優點有：基本上解決了原來現澆方案不美觀、精度不高的問題。其主要存在問題有：只對小立柱做了預制，施工時依然需要采用自上而下的施工工序，依然依賴土建的施工精度，施工工序更加復雜。

1.4 預制H型板柱組合軌道結構方案

鑒于以上各種立柱檢查坑地段軌道方案存在的問題，研究設計出一種軌道交通立柱檢查坑地段用預制H型板柱組合軌道結構方案，以克服上述缺陷。預制H型板柱組合結構，將立柱式檢查坑結構中的立柱及下部基礎結合在一起，統一在工廠預制，代替目前的現場澆筑立柱及柱下基礎板，從而實現立柱式檢查坑預制裝配化。該結構具有施工工序簡單、勞動強度低，施工精度易控制、施工效率高、美觀性好等特點，能很好地解決現澆立柱存在的施工效果差、施工速度慢、勞動力投入多強度大等問題。

預制 H型板柱組合結構主要施工方法：土建施工素混凝土墊層→吊裝預制H型板柱組合結構至墊層上→架板→對板進行精調及固定→澆筑預制板柱下的填充調整層→安裝扣件及鋼軌。預制H型板柱組合軌道結構示意圖見圖4。

圖4 預制H型板柱組合軌道結構示意Figure 4 Prefabricated H-shaped slab-pillar combined track

預制H型板柱組合軌道的優點主要有如下幾點：①工廠化預制制作精度高，滿足軌道安裝精度要求；②對土建基礎底板的精度要求較低，軌道安裝不依賴土建的施工精度，有利于安裝工程與土建部分的結合，提高了整體施工質量；③該預制板柱全部在工廠里制作，可以提前預制，現場檢查坑的鋼筋安裝量大幅減少，有效提高整體施工進度，且能減少現場工序交叉施工帶來的安全風險；④預制板柱全部采用C50混凝土，工廠化集中制作，施工質量控制較好，特別是立柱的施工質量比現場澆筑的質量更高，成品外觀質量好，施工現場整潔有序，整體提高了施工質量和現場文明施工標準。

預制H型板柱組合裝配式軌道存在的問題：質量較重，需要配備特殊起重安裝設備；異型結構，運輸存放相對復雜。

1.5 各種立柱式檢查坑結構特點總結

本節從常規現澆混凝土立柱方案、鋼立柱方案、預制混凝土小立柱方案及預制H型板柱組合軌道結構方案在設計、施工便利性、施工精度控制、施工質量控制及工程造價等方面進行了系統的比選分析。為了便于統一標準，造價計算時軌道高度統一按預制H型板柱組合軌道結構高度計算，即軌面下1 850 mm。具體分析見表1。

表1 各種立柱方案對比分析Table 1 Comparative analysis of various column schemes

2 預制板柱組合軌道結構方案

2.1 預制H型板柱組合軌道受力分析

2.1.1 計算參數的選取及評價指標

1) 材料屬性參數。鋼軌直接承受車輪荷載并將荷載傳遞到下部結構，本次主要對預制構件的抗壓強度、抗拉強度、抗拔力、吊裝荷載及運輸荷載進行驗算。采用梁單元對鋼軌進行建模。鋼軌采用50 kg/m型號工字軌，扣件采用 DJK5-1型扣件，豎向靜剛度為35×106N/m，橫向剛度取 50×106N/m，縱向剛度為11×106N/m。扣件的作用是將鋼軌上的力傳遞到預制板柱組合結構上，因此用彈簧模擬。

預制板柱組合結構采用鋼筋混凝土，混凝土強度等級為C50。按照《混凝土結構設計規范》，C50混凝土泊松比取0.2，密度為2 500 kg/m3，線膨脹系數為1×10-6，彈性模量為3.45×1010Pa[5]。路基承受軌道板的荷載產生變形，根據Winker地基理論，地基每單位面積上承受的壓力與地基沉陷成正比，地基上某一點的沉陷取決于作用于該點上的壓力，而與鄰近的地基無關。該假設偏于安全且易于計算，故將地基簡化為線性彈簧處理。而由于本預制板柱組合結構澆筑于一層混凝土支撐層上，混凝土剛度較大，故其豎向剛度按照《客運專線無砟軌道設計理論與方法》地基系數取1 200 MPa/m[6]。

2) 列車荷載。機車車輛采用 A型地鐵車輛，庫內車速按全自動駕駛工況最大為25 km/h考慮，軸重取16 t。因為A型車車輛定距為15.7 m，遠大于單塊軌道板長度2.35 m，相鄰轉向架的荷載傳遞效應很小，因此本計算只考慮單個轉向架荷載，即兩軸荷載。

直線軌道上的垂直荷載考慮速度的影響，其計算公式為：Pd=(1+α)×Pj。式中Pd為作用于鋼軌上的車輪豎向動荷載(kN)，Pj為靜輪載(kN)，α為速度系數。

當計算鋼軌下沉及軌下基礎各部件的荷載以及受力時，應當在上述公式計算后乘以0.75的折減系數[7]，故列車動荷載為：

Pd=(1+α)×Pj=(1+0.6×25×0.75/100)×80=89 kN。根據《鐵路無縫線路設計規范》，橫向荷載標準值為：Qk=0.25×Pj=0.25×80=20 kN[8]，計算橫向加載時單軌承受荷載，另一軌不承受荷載。

3) 評價指標。庫內立柱主要承受壓力、剪力及抗拔力的影響。預制H型板柱組合軌道結構混凝土強度等級為C50。根據《混凝土結構設計規范》中規定的混凝土強度標準值，預制板柱組合結構最大允許壓應力小于等于32.4 MPa，最大允許拉應力小于等于2.64 MPa。

抗拔力計算主要影響尼龍套管與四周混凝土的剪應力。根據《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》，可得C50混凝土的純剪容許應力[τc]為1.55 MPa[9]。

2.1.2 計算模型

根據上文材料屬性及參數，利用有限元軟件ANSYS建立模型，鋼軌采用Beam188單元模擬，按實際截面屬性建模，可全面考慮縱、橫、垂向線位移及轉角。扣件采用彈簧單元模擬，縱向、橫向和垂向均采用Combin14線性彈簧單元模擬，可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度，扣件間距為1.25 m。軌道板采用專門模擬鋼筋混凝土的solid65單元。有限元模型見圖5。

圖5 ANSYS有限元模型Figure 5 ANSYS finite element model

2.1.3 抗剪、抗壓強度及抗拔能力驗算

1) 抗剪強度驗算。在垂向荷載和橫向荷載的共同作用下，板柱組合結構立柱與底板內側相交處拉應力最大，最大值為2.12 MPa，滿足規范要求的拉應力限值2.64 MPa。應力云圖見圖6。

圖6 列車荷載作用下第一主應力Figure 6 The first principal stress under train load

2) 抗壓強度驗算。在垂向荷載和橫向荷載的共同作用下，板柱組合結構柱與底板外側相交處壓應力最大，最大值為3.85 MPa，遠小于規范規定的壓應力限值32.4 MPa。應力云圖見圖7。

圖7 列車荷載作用下第三主應力Figure 7 The third principal stress under train load

3) 抗拔力驗算。根據規范TB/T 2190-2013《混凝土枕》抗拔力實驗要求，抗拔力最大值取60 kN[10]。套管加載60 kN荷載作用下，套筒周圍混凝土應力最大1.32 MPa，小于規范規定的限值1.55 MPa。此處的混凝土的純剪容許應力是以混凝土的抗剪強度極限值除以相應的安全系數而得出的指標，且該規范中安全系數取值為 2，安全系數取值較大，富余量較多。應力云圖見圖8。

圖8 套筒周圍混凝土受力Figure 8 Concrete force around the sleeve

2.1.4 吊裝及運輸強度驗算

預制結構在吊裝和運輸過程中受動力荷載影響，容易發生破壞。因此，應對預制的軌道板吊裝以及運輸時的強度進行校核。

吊裝時，將預制軌道板的8個吊點固定，并根據《混凝土結構設計規范》中 9.6.2條規定[5]，對軌道板施加1.5倍的重力。運輸時將方木置于軌道板下方，同樣施加1.5倍的重力。

1) 吊裝強度驗算。吊裝時板柱組合結構拉、壓應力最大的位置均在H型底板橫梁和縱梁的交接處，最大值分別為1.55 MPa與1.59 MPa，均滿足規范規定的限值。應力云圖見圖9。

圖9 吊裝時板柱組合結構應力云圖Figure 9 Stress cloud diagram of slab-column combined structure during hoisting

2) 運輸強度驗算。運輸時板柱組合結構最大拉應力位置在立柱與底板交接處，最大值為0.28 MPa，未超過規范規定的拉應力限值2.64 MPa；最大壓應力位置在工字型底座橫梁和縱梁的交接處，最大值為0.29 MPa，均超過規范規定的拉應力限值32.4 MPa。應力云圖見圖10。

3) 存放、運輸和裝卸要求。①預制立柱成品應按型號和生產批次分別存放，不合格預制立柱應單獨存放；②預制立柱存放基礎應堅固平整；③預制立柱存放以平放為原則；④預制立柱存放和運輸時，應在預埋套管、起吊套管等處安裝相應防護裝置；⑤預制立柱裝卸時應利用起吊裝置水平緩慢起吊，使四角的起吊套管均勻受力；⑥預制立柱宜采用鐵路或公路運輸，運輸時應保證預制立柱不受過大沖擊；⑦預制立柱在存放、裝卸及運輸時不應損傷。

2.2 預制H型板柱組合軌道結構試驗段鋪設

為了驗證預制H型板柱組合軌道結構的各方面性能，建立了立柱檢查坑地段預制H型板柱組合軌道結構試驗段，試鋪證明預制H型板柱組合軌道結構美觀性較好，施工速度快、勞動強度小。現場鋪設見圖11。

圖11 施工中的預制H型板柱組合結構Figure 11 Prefabricated H-shaped slab-column combined structure under construction

雖然試驗段整體效果還不錯，但存在一些需要優化之處，如試驗段板的尺寸較厚，立柱尺寸偏大，質量較重，吊裝相對困難。目前已根據上述經驗在滿足結構安全可靠的前提下優化了截面尺寸，優化后預制H型板柱組合軌道結構的尺寸小巧、外觀更加美觀，優化后的結構已開始在深圳16號線鋪設。

3 結語

預制H型板柱組合軌道結構方案是在結合常規立柱檢查坑地段各種軌道結構方案優缺點的基礎上研發而成，旨在解決城市軌道交通車場線庫內立柱檢查坑地段的結構存在施工作業環節多、施工精度不易控制、施工進度緩慢、難以滿足城市軌道交通施工工期、施工精度及美觀性等問題。相較于常規立柱檢查坑方案，預制H型板柱組合軌道結構方案有簡化作業環節、降低勞動強度，提高施工精度、提升施工效率、增強其美觀性等特點，為后續解決庫內立柱檢查坑地段的立柱相關問題提供了借鑒和參考。