劉武斌 丁兆鋒 李偉強(qiáng)

(中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430060)

1 概述

長沙磁浮快線是我國第一條開通運(yùn)營的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮線。該項(xiàng)目實(shí)施過程中首次使用了由承軌梁和路基組成的低置結(jié)構(gòu)形式，詳見圖1?，F(xiàn)行低置結(jié)構(gòu)承軌梁技術(shù)主要包括實(shí)心梁、箱梁、框柱梁、框架梁等。其中長沙磁浮快線項(xiàng)目使用了實(shí)心梁、框柱梁[1]，株洲試驗(yàn)線使用了箱梁、框架梁[2]，另外已公開的專利中具有代表性的承軌梁還包括U型梁[3]、工字梁[4]等，見圖2。

圖1 低置結(jié)構(gòu)路基典型橫斷面圖(單位:m)

圖2 承軌梁結(jié)構(gòu)示意

現(xiàn)有承軌梁技術(shù)或多或少均存在一些問題，如圬工材料量大、檢修不方便、施工工序繁瑣、需設(shè)置承軌臺(tái)構(gòu)造、現(xiàn)澆施工受環(huán)境影響大、曲線地段施工難度大、施工質(zhì)量不易控制等。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在問題及改進(jìn)需求，本文提出了新型承軌梁解決技術(shù)方案—門型裝配式承軌梁，并進(jìn)行了尺寸擬定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、施工工序等一系列的技術(shù)研究，獲得了許多有益的研究成果。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

現(xiàn)有承軌梁技術(shù)能夠滿足中低速磁浮承軌梁的各項(xiàng)功能要求，但也存在一些不利因素和尚待解決的問題[5－7]:

(1)箱梁的優(yōu)點(diǎn)是剛度大、變形小、節(jié)省圬工，但因承軌梁的結(jié)構(gòu)尺寸小，箱體構(gòu)件內(nèi)模無法拆除，增加了施工成本，不便于檢修。

(2)框柱梁和框架梁的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省圬工，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)，便于檢修，但由于構(gòu)件組成復(fù)雜，施工難度較大。

(3)實(shí)心梁的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，便于施工和檢修，但存在對(duì)地基承載力要求高、圬工用量大、對(duì)溫度的影響較為敏感等問題。

(4)現(xiàn)行承軌梁技術(shù)通常采用現(xiàn)澆施工，現(xiàn)澆施工受環(huán)境因素影響較大，混凝土構(gòu)件養(yǎng)護(hù)難度較大。

(5)現(xiàn)行技術(shù)軌排結(jié)構(gòu)精調(diào)需通過設(shè)置現(xiàn)澆的承軌臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，因承軌臺(tái)尺寸較小，不易立模和混凝土振搗，成本較高。

(6)小曲線半徑地段，承軌梁需設(shè)計(jì)為曲線梁，曲線梁模板制作和安裝增加了施工難度和成本。

3 門型裝配式承軌梁技術(shù)方案

根據(jù)現(xiàn)有承軌梁技術(shù)存在問題及改進(jìn)需求，本文提出一種新型承軌梁技術(shù)方案—門型裝配式承軌梁[8]，見圖3。門型裝配式承軌梁由基座和多個(gè)砌塊組成。基座為現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件，矩形截面，埋置在路基上；砌塊為預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，由兩個(gè)立柱和設(shè)置在立柱之上的頂板組成，砌塊間隔布置在基座之上，每個(gè)砌塊與軌排結(jié)構(gòu)的一根軌枕相匹配，并通過鋼筋連接與基座固定連接。

圖3 門型裝配式承軌梁立體示意

砌塊作為支撐軌道結(jié)構(gòu)的最小結(jié)構(gòu)單元，可大幅度降低材料用量和溫度效應(yīng)；砌塊作為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件，可標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化加工，實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配施工；施工過程中軌排通過螺栓和砌塊中預(yù)埋的套管直接安裝在承軌梁上，然后通過調(diào)整軌排和砌塊的位置實(shí)現(xiàn)精調(diào)，無需再設(shè)置承軌臺(tái)。曲線地段通過調(diào)整砌塊的傾角實(shí)現(xiàn)曲線超高，通過扇形布置實(shí)現(xiàn)曲梁施工，詳見圖4。

圖4 門型裝配式承軌梁曲線布置示意

4 門型裝配式承軌梁技術(shù)研究

4.1 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

門型裝配式承軌梁的基座尺寸可參照現(xiàn)有承軌梁技術(shù)取值。砌塊各構(gòu)件的最小尺寸需滿足鋼筋布置、混凝土振搗、具有足夠的強(qiáng)度、可抵抗一定的變形等要求。

根據(jù)構(gòu)造要求立柱的最小構(gòu)造尺寸可擬定為20 cm×20 cm，能夠承受的最大軸向壓力約為668 kN，最大水平力約為34 kN，可滿足強(qiáng)度和變形要求。立柱底部按固定端考慮，同時(shí)在不考慮頂板對(duì)立柱約束條件下，在最不利水平荷載作用下，柱頂最大橫向位移為0.8 mm，轉(zhuǎn)角弧度為0.82‰，柱頂最大縱向位移為0.6 mm，轉(zhuǎn)角弧度為0.7‰，變形均較小，可滿足變形控制要求。

根據(jù)構(gòu)造要求頂板的厚度不宜小于20 cm，另外板寬及板長應(yīng)滿足軌排結(jié)構(gòu)的安裝要求，每節(jié)承軌梁長度應(yīng)與軌排結(jié)構(gòu)長度相匹配。除上述因素外，砌塊尺寸還應(yīng)考慮預(yù)埋錨固鋼筋、溫度荷載的影響、預(yù)制構(gòu)件連接處鍵槽設(shè)置構(gòu)造要求[9－11]等。

菲律賓特殊的地理位置決定了這個(gè)國度有著豐富的水果，香蕉便是其中之一。菲律賓的香蕉有很多種，而且吃法也各有巧妙，有油炸香蕉條或烤香蕉等小吃，也可將香蕉蒸后撒上黑砂糖吃。

現(xiàn)澆基座的尺寸可參考現(xiàn)有承軌梁技術(shù)進(jìn)行取值，所以門型裝配式承軌梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸可參見表1和圖5。

表1 門型裝配式承軌梁結(jié)構(gòu)尺寸

圖5 門型裝配式承軌梁橫斷面尺寸示意(單位:mm)

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步明確門型裝配式承軌梁的適用性，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形。計(jì)算模型可按縱向和橫向簡化為框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示，橫向截取單個(gè)砌塊與其對(duì)應(yīng)的底部基座進(jìn)行計(jì)算，縱向取一節(jié)承軌梁進(jìn)行計(jì)算。軌道結(jié)構(gòu)自重及傳遞的列車動(dòng)荷載簡化為作用力施加在砌塊頂部。

圖6 門型裝配式承軌梁理論模型圖式

取適用于一般地區(qū)的計(jì)算參數(shù)多門型裝配式承軌梁進(jìn)行計(jì)算，見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)取值

采用結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)門型裝配式承軌梁進(jìn)行計(jì)算，其橫向、縱向計(jì)算分析結(jié)果，見表3、表4，結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖7。

圖7 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表3 橫向內(nèi)力結(jié)果

表4 縱向內(nèi)力結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，門型裝配式承軌梁結(jié)構(gòu)的變形及轉(zhuǎn)角均滿足規(guī)范要求，梁端轉(zhuǎn)角不大于1‰，撓度不大于跨度的1/3 800，說明門型裝配式承軌梁滿足其功能要求，適用性良好，可以滿足軌道平順性要求。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，門型裝配式承軌梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形均較小，按容許應(yīng)力法[16－17]進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)抗剪按構(gòu)造布筋，抗彎主筋配筋率采用0.7%。

為了保證砌塊與基座的連接強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，需采取必要的構(gòu)造措施:(1)砌塊底部埋置在基座內(nèi)不小于5 cm；砌塊底部設(shè)置鍵槽和粗糙面，鍵槽深度不小于3 cm；(2)砌塊預(yù)留連接鋼筋彎錨錨入基座，其錨固長度滿足規(guī)范要求。

4.3 與軌排結(jié)構(gòu)接口設(shè)計(jì)

砌塊與軌排結(jié)構(gòu)[18]通過M30螺栓[19]與預(yù)埋套管連接，連接構(gòu)造見圖8。砌塊預(yù)制加工時(shí)應(yīng)在頂板兩側(cè)預(yù)埋連接軌排的套管，套管內(nèi)徑31 mm，外徑50 mm，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66材料[20]制作，預(yù)埋位置見圖9，根據(jù)錨固長度要求，套管長度11 cm，套管預(yù)埋精度控制在±0.5 mm。

圖8 砌塊與軌排結(jié)構(gòu)連接示意

圖9 砌塊頂板預(yù)埋套管位置示意(單位:mm)

4.4 施工工藝

門型裝配式承軌梁可按下列施工工序?qū)嵤?

(1)在工廠內(nèi)現(xiàn)澆砌塊，養(yǎng)護(hù)合格后提供給施工現(xiàn)場(chǎng)。

(2)將路基上的混凝土墊層作為施工平臺(tái)，綁扎好基座的鋼筋籠，并安裝好模板。

(3)將砌塊放置在鋼筋籠內(nèi)，確保錨入鋼筋滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)采用測(cè)量儀器對(duì)砌塊進(jìn)行定位，采用排架對(duì)砌塊進(jìn)行固定。

(5)安裝軌排結(jié)構(gòu)，采用螺栓將軌排和砌塊組裝成整體，并對(duì)軌排結(jié)構(gòu)進(jìn)行精調(diào)。

(6)澆筑基座混凝土，將砌塊與基座澆筑成整體。

4.5 與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比分析

門型裝配式承軌梁方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以工程實(shí)例中使用最多的實(shí)心梁為例進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表5。

表5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5 結(jié)論

門型裝配式承軌梁是在現(xiàn)有承軌梁技術(shù)存在問題及改進(jìn)需求的基礎(chǔ)上提出的，通過對(duì)門型裝配式承軌梁方案研究，得出以下主要結(jié)論:

(1)門型裝配式承軌梁由基座和多個(gè)小砌塊裝配而成，具有材料用量省、結(jié)構(gòu)自重輕、溫度效應(yīng)低、工程投資省、施工便捷、施工工期短、質(zhì)量易控制等特點(diǎn)。

(2)門型裝配式承軌梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸建議值:基座長11.6 m，寬2 m，高0.4 m；砌塊立柱長0.35 m，寬0.3 m，高 0.9 m；砌塊頂板長 1.3 m，寬0.49 m，高0.2 m；砌塊沿線路方向間距1.2 m。

(3)門型裝配式承軌梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形均較小，結(jié)構(gòu)抗剪按構(gòu)造布筋，抗彎主筋配筋率采用0.7%。

(4)砌塊可通過預(yù)埋套管與螺栓及軌排結(jié)構(gòu)直接連接，軌排精調(diào)通過調(diào)整砌塊位置實(shí)現(xiàn)，然后通過現(xiàn)澆基座固定，無需再設(shè)置承軌臺(tái)構(gòu)造。

門型裝配式承軌梁技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的推廣應(yīng)用價(jià)值，其仿真分析及室內(nèi)模型試驗(yàn)研究正在進(jìn)行當(dāng)中，相關(guān)研究成果預(yù)計(jì)將在清遠(yuǎn)磁浮旅游專線工程中推廣使用，相關(guān)施工工藝和設(shè)備的研究工作也將陸續(xù)開展。