無損傷快速安裝預埋槽道疲勞性能研究

陸 晨

上海軌道交通十八號線發展有限公司 上海 200135

預埋槽道方案在建筑、鐵路、交通、市政等工程領域中得到了廣泛的應用，尤其在地下軌道交通中的使用更加普遍。在地下軌道交通中，預埋槽道方案常預埋于管片混凝土內，用于支撐、懸掛、固定各機電系統支持結構。預埋槽道方案具有以下優點：預埋過程不再需要借用任何鉆孔螺栓等，對管片的結構影響較小；由于其預埋過程在管片廠完成，在施工過程中無需再焊接[1-2]，有效提高了施工效率。

考慮到其方案的優點，且我國地下軌道交通中的預埋槽道技術起步較晚，近年來已有部分學者對預埋地下軌道交通中的預埋槽道施工方案進行了初步研究[3-6]。為推行該種快速安裝方案，對快速安裝預埋槽道的力學性能研究必不可少。目前，國內外已經在力學方面對預埋槽道進行了部分研究，如劉長利等[7]對預埋槽道進行研究分析，提出了盾構管片預埋槽道技術的優勢。李智明[8]分析了預埋槽道的抗拉和抗剪受力機理，并定量計算分析預埋槽道抗剪極限荷載和承載力，為預埋槽道方案的力學機制提供了基礎。Pertold等[9]，Khalil等[10]對預埋槽道進行了數值仿真模擬分析，介紹了錨固的各項性能。

為了研究預埋槽道的極限破壞過程，國內外學者也進行了一些研究。如楊福芹等[11]分析了預埋槽道的破壞過程，破壞過程主要表現為預埋槽道拉斷破壞損傷和混凝土結構發生錐形破壞損傷。薛佳[12]則對預埋槽道進行了極限破壞試驗，預埋槽道在3倍工作荷載下，發生了明顯的屈服變形和功能性失效破壞。

綜上所述，針對地下軌道交通中的預埋槽道，國內外學者從本身的力學性質到槽道的極限破壞過程都已進行較為充足的研究，但對于預埋槽道疲勞性能的研究還尚少。作為一種長期使用的預埋構件，經過長時間的服役，循環多次受到重復性荷載，其可能產生疲勞裂縫，從而導致結構失效。且其作為預制構件，更換的工藝將更為復雜和困難，故研究其疲勞性能極為重要。

而國內關于預埋槽道的疲勞性能研究正處于發展時期，目前只有萬橋等[13]研究了在不同的熱處理下槽道的耐久疲勞性，其得出經高溫回火工藝處理后，對預埋槽道的疲勞耐久性有顯著提高。考慮到預埋槽道在長期運營工程中的錨固性能可能有所下降[14]，混凝土管片本身對槽道結構的加強和保護作用減弱，本文擬直接研究預埋槽道裸槽設計的力學性能是否滿足工程要求，研究預埋槽道在長期運營狀態下的最不利工況的疲勞結構性能，檢測預埋槽道在地鐵長期動荷載的作用下，使用年限能否滿足100年的擾動和受力變化，為無損傷快速安裝系統在城市軌道管線及設備安裝中的應用提供參考。

該試驗研究的快速預埋滑槽在管片上的布置如圖1所示，成形隧道完成設備安裝后的現場效果如圖2所示。

圖1 預埋滑槽布置示意

圖2 成形隧道完成設備安裝后的現場效果

1 試驗方案設計

1.1 試驗試件

采用實際工程中使用的帶齒外置不銹鋼無損傷快速安裝預埋槽道進行試驗。槽道試件采用奧氏體（A）型不銹鋼，槽道錨腿以M14級的相應材料的螺栓標準設計套筒。槽道整體如圖3所示。

圖3 槽道整體示意

其中，槽道截面如圖4所示，截面的尺寸及材料性質如表1所示。

圖4 槽道截面示意

表1 槽道尺寸及材料性質

1.2 加載系統

本試驗采用250 kN MTS疲勞環境耦合試驗機，操作平臺達到2 m×2 m。該試驗機可以采用靜力和疲勞2種加載方式。靜力加載下最大機械力可達到250 kN，最小精度為0.01 kN。疲勞試驗下可滿足振動頻率范圍為0.1～200 Hz，最小精度達到0.1 Hz。

該試驗機滿足本試驗的靜力和疲勞最大荷載和精度要求。疲勞加載試驗機如圖5所示。

圖5 疲勞加載試驗機

1.3 試驗工況

該試驗為裸槽疲勞加載試驗。由TB/T 3329—2013《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》的規范可以得知，預埋槽道的靜力拉拔測試方案采用在兩錨腿正中間進行加載的方案。

為對比疲勞試驗后預埋槽道的靜力拉拔性能下降程度，疲勞試驗采用相同的跨中加載方式，加載點位于螺栓位置，槽道及螺栓布置如圖6所示。

圖6 槽道及螺栓布置示意

試驗采用M20的8.8級螺栓，其中，螺桿極限抗拉強度為800 N/mm2，螺桿屈服強度為640 N/mm2。

螺桿試件采用M20的8.8級螺栓，螺栓的作用相當于為槽道施加了一個受力點，其本身的結構不作為考察目標。經過計算，錨腿極限抗拉軸力為142×π/4×205＝31.56 kN。而該螺栓可以承擔的最大屈服拉力為202×π/4×640＝402.12 kN，保證了在試驗中加載點螺桿是后于槽道屈服的，確保了試驗測試結果為槽道的力學性能。

同樣，根據TBT 3329—2013《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》的規范，疲勞試驗的荷載上下幅應為設計的30%。而根據本工程的設計要求，計算最不利情況下（即整條槽道只有1個受力點），外置槽道螺栓受到的最大拉力為13 kN，根據規范要求，上下幅應為設計的30%，所以上限荷載取16.9 kN，下限荷載取9.1 kN。

具體的試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況

1.4 測試方案

為了研究在疲勞振動過程中槽道的結構響應情況，擬通過對槽道表面張貼應變片的方式進行。

考慮試驗中槽道正中的結構響應最大，通過對槽道正中的應變研究可以包絡代表整個槽道的應變情況，因此，在槽道中央設置三向應變花（橫向編號1，豎向編號3，斜向編號2）。

同時，為了確保疲勞試驗中錨腿的安全性，本試驗也在2個錨腿處布置豎向應變片（左錨腿編號4，右錨腿編號5）。具體布置如圖7所示。

圖7 裸槽道疲勞試驗應變片示意

2 加載過程及試驗結果

2.1 加載過程

設計鋼板放置于試驗機上，將槽道的下部套筒夾入鋼板下固定，以保證整個振動過程中主要的受力體為槽道本身。裸槽道垂直拉拔疲勞試驗加載過程如下：

1）槽道與套筒進行組裝，形成組合結構，將錨腿固定于鐵板上，依次擰緊8個螺栓，擰緊過程中進行嚴格的水平控制，保證整個槽道的水平，嚴格找到槽道中點，安裝螺栓，下移試驗機，將螺栓固定于上部夾頭，使相關準備工作就緒。

2）開啟試驗機，設置參數，應變片調節平衡，在2 min內將壓力加至13 kN。設置壓力上下限為3.9 kN，設置加載頻率為3 Hz。試驗機位移上限定為3 mm，保證試驗機不致于突然被破壞。靜態采集間隔為120 s/次。設置加載上限次數為50萬次，開始進行試驗。

3）試驗開始后，對全過程的槽道進行相應觀察，確認槽道及槽道錨腿未產生大變形，并每隔10萬次對槽道進行拍照并對槽道應變進行記錄，確認槽道表面未發生較大應變響應。

隨后，在疲勞試驗結束后，對槽道進行靜力極限加載試驗，試驗過程如下：加載點選取疲勞試驗選用的加載點，加載過程采用逐級加載的方式進行（設計荷載的20%為一級），加載至設計荷載13 kN，持荷3 min，組合結構未見明顯變形，后以每分鐘2 kN的速度進行加載，直至槽道變形破壞。

2.2 試驗結果

經過50萬次疲勞試驗后，對槽道最終結果進行拍照記錄。槽道、錨腿、螺桿均無明顯變形，槽道無結構性損傷，表面無裂縫；而錨腿垂直度良好，也沒有發生結構損傷，表面同樣沒有產生裂縫，標志疲勞試驗結束。

在整個周期內，最大拉力為17.529 kN，最小拉力為－0.445 kN，周期內最大位移0.110 mm，最小位移0.014 mm，且波形波動較為穩定。

在完成疲勞試驗后，對槽道進行靜力極限試驗，加載至46.12 kN時，槽道發生結構破壞。槽道跨中產生較大的變形，槽道口也發生相應損壞。錨腿端部產生傾斜變形，端部發生結構破壞，破壞形態如圖8所示。

圖8 極限拉拔試驗最終示意

3 試驗結果分析

3.1 疲勞試驗應變結果分析

將整個試驗過程的5個應變片的數值進行采樣，提取出起始時調平的應變值和每隔10萬次振動過程的相應應變片數值。

應變片振動峰值的變化如表3所示。

表3 應變片振動峰值變化

應變片振動谷值的變化如表4所示。

表4 應變片振動谷值變化

通過對疲勞試驗全過程的峰值和谷值的應變變化情況，可以得出如下結論：

1）隨著疲勞次數的增多，槽道正中和錨腿的應變在緩慢增加，說明隨著疲勞試驗的進行，槽道和錨腿的結構響應有所增大。

2）槽道正中和錨腿的應變片從開始試驗到疲勞試驗結束的應變變化較小，絕對增量小于20με，相對差值大都在30%以內，說明50萬次疲勞試驗后槽道及錨腿的結構響應較小，應變變化小，疲勞試驗對結構的削弱有限。

3.2 極限靜力拉伸試驗結果分析

疲勞試驗后對槽道進行極限拉拔試驗，繪制荷載-位移曲線，并與未進行疲勞試驗的試件的荷載-位移曲線進行對比，如圖9所示。

圖9 極限拉拔試驗荷載-位移曲線示意

將疲勞試驗件和未經歷疲勞試驗件的極限荷載數值進行對比，如表5所示。

表5 疲勞試驗前后極限荷載對比

從圖9和表5可以得出如下結論：

1）極限拉拔試驗下的試件呈現出明顯的兩個階段。在試驗荷載小于25 kN時，試件處于彈性階段；在試驗荷載大于25 kN時，試件進入彈塑性階段，在相同荷載增量下，位移增加變多。

2）疲勞試驗件和未經疲勞試驗件的荷載-位移曲線類似，說明經過疲勞試驗后，試件極限拉拔試驗中的各階段結構性能類似。

3）經過50萬次疲勞試驗后，疲勞試件的最大抗拉強度下降較少（2.51 kN），可以認為50萬次疲勞試驗后疲勞試件的受力還是安全的。

4 結語

通過試驗研究，可得到以下結論：

1）本文合理地設計了快速安裝預埋槽道的裸槽疲勞試驗，并對疲勞試驗中的裸槽結構響應進行了分析，得出了相應的試驗結論，為類似預埋槽道疲勞性能的研究提供了借鑒依據。

2）通過對槽道的疲勞試驗以及后續極限拉拔試驗，對預埋槽道的質量進行了檢測。檢測結果表明，預埋槽道在指定荷載下已通過50萬次疲勞試驗，且根據實測數據，相應測試位置的應變均小于20με，可以認為試驗過程中的結構響應波動較小，說明疲勞試驗對結構的削弱有限，結構具有較好的抗疲勞性能。

3）疲勞試驗件和未經疲勞試驗件的荷載-位移曲線類似，疲勞試驗結束后的極限拉拔強度只下降5.16%，可以認為50萬次疲勞試驗后疲勞試件的受力還是安全的。同時，也說明在實際長期運營的隧道中，發生混凝土剝離等現象后，快速安裝預埋槽道構件本身依然可以保證一定的受力性能。

4）組合結構極限破壞試驗為整體受損結果，說明快速安裝預埋槽道構件本身包含的槽道、錨腿各項性質類似，組合受力設計較為合理。