王建立 陳高峰 王 建 黃俊飛

(1. 隔而固(青島)結構設計事務所有限公司, 266108，青島; 2. 隔而固(青島)振動控制有限公司，266108，青島//第一作者，研究員)

鋼彈簧浮置板軌道(FST)是由鋼筋混凝土道床板和鋼彈簧隔振器共同組成的質量、彈簧、阻尼系統(tǒng)，用以隔離和減少軌道向周圍傳遞振動，可滿足特殊和高等級減振地段的減振需求。它將傳統(tǒng)整體道床分割成浮置板板體與基底兩部分，浮置板板體(質量)通過鋼彈簧隔振器(彈簧、阻尼)支撐于基底上。典型的鋼彈簧浮置板系統(tǒng)構成見圖1。

圖1 典型鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板軌道在我國已有15年成功應用經驗，其以超高的隔振性能、穩(wěn)健的系統(tǒng)表現、出色的安全性能和簡便易行的維護性能獲得了良好的社會經濟效益。伴隨著我國軌道交通的大發(fā)展，鋼彈簧浮置板技術也有了長足的發(fā)展，其中最為重要的一項創(chuàng)新就是預制式鋼彈簧浮置板(以下簡為“預制浮置板”)。

本文系統(tǒng)梳理預制浮置板的研發(fā)背景、理論仿真分析、相關室內試驗和試驗線測試，并介紹了近年來的推廣應用情況。

1 研究背景

鋼彈簧浮置板誕生之初一直采用現場綁扎鋼筋并澆注混凝土的模式。該模式可充分利用隧道空間，簡便易行，行之有效，在歐洲國家項目較少、工期有保證、施工質量能得到有效控制的情況下一直應用良好，解決了很多振動控制問題。

鋼彈簧浮置板進入我國后也采用現澆模式，但為滿足工程需求和國情，對其進行了一系列創(chuàng)新和改進，其中比較重要的有上下結合施工工藝、旋轉基底技術和鋼筋籠法。

上下結合的施工工藝是在國外由下而上工法基礎上發(fā)展形成的適應我國國情的創(chuàng)新應用，解決了鋼彈簧浮置板在我國應用的施工成本和可靠性問題。旋轉基底法是一種嶄新的設計方法，具有一定的顛覆性，為后續(xù)的快速施工工法奠定了技術基礎?；谛D基底的鋼筋籠法是一種為加快施工速度而誕生的施工模式，設計時將浮置板規(guī)格化，施工時在場外準備浮置板的鋼筋龍骨，整體運送到現場再澆筑混凝土。該方法將板的鋼筋綁扎和基底的施工完全脫開，節(jié)省了現場鋼筋綁扎占用工作面的時間，大幅度提升了施工速度。由于需要現場澆筑和養(yǎng)護，鋼筋籠綁扎的質量雖然改善了，但混凝土工程(澆筑、振搗與養(yǎng)護)的質量仍然較難控制。

同時，一些新的挑戰(zhàn)也不斷出現，例如：有新線施工時軌道車走行引起振動擾民遭到投訴，施工期振動控制成為挑戰(zhàn)；一些先行城市早期建設的老線存在振動超標嚴重地段，需要改造成浮置板道床，目前的現澆長板不能適應改造需求。

我國城市軌道交通建設規(guī)模不斷加大，建設速度不斷提高，對鋼彈簧浮置板的質量和品質提出了新的要求，對設計、施工提出了更高要求。這些不斷提升的需求推動著浮置板技術向前發(fā)展，尋求更加高效易控的解決方案。預制浮置板應運而生。

2 系統(tǒng)設計

基于鋼筋籠法將鋼筋籠現場綁扎移到鋪軌基地成型的思路，可否將板體混凝土也在場外澆筑養(yǎng)護，完成后再運到隧道內鋪設？是在鋪軌基地進行長大板的預制還是在預制件廠制作短板？對這些問題進行調研和對比分析，最終選擇在工廠預制生產浮置板短板的方案。

預制式鋼彈簧浮置板的提出徹底解決了現場澆筑混凝土的質量控制難題，浮置板的外觀和質量均有質的提升，同時可進一步提升施工速度。

確定預制浮置板的形式需要考慮諸多不同于現澆板的因素。首先是長距離運輸和現場施工吊裝運輸能力，必須控制板體尺寸和重量。其次是軌道結構高度、隧道斷面及常見施工偏差范圍等軌道輸入條件，確定板寬和板厚。最后結合扣件間距模數等，確定預制浮置板尺寸。

最終選定的預制浮置板長3.6 m、寬2.7 m、厚325 mm，設中心凸臺。每塊板采用4個側置式隔振器和4個內置式隔振器支撐。如圖2所示。

將浮置板長板改為短板，板端接縫大量增加，板的動力特性顯著改變(從長板受彎變形為主變?yōu)槎贪鍎傂晕灰茷橹?，板與板之間變形和受力的協調成為難點。為此，在內置式鋼彈簧浮置板基礎上，創(chuàng)造性地在板端設置共享式隔振器以協調和分擔相鄰板的受力變形，形成內置+側置組合式隔振系統(tǒng)[1]。此設計在保證行車平順性的前提下，可最大限度地提升隔振效率。

圖2 預制浮置板系統(tǒng)

對側置式隔振器，同樣考慮了檢修安裝空間，保持了鋼彈簧浮置板隔振器便于安裝及檢修的一貫優(yōu)點。

為解決曲線地段以直代曲所帶來的中心偏離和板縫不均問題，設計了曲線板，最大限度地降低預制板在曲線地段帶來的偏差，減小扣件調整量。

此外，為適應土建施工大偏差，設計了窄型板。相比標準板，其偏差適應能力有了顯著提升。圖3給出了上海地區(qū)軌道條件(軌頂至結構底面高度為885 mm)下的誤差適應能力。

圖3 預制浮置板可適應的隧道誤差范圍

3 性能分析

3.1 計算模型

3D有限元模型以梁、板單元為基礎，采用三維彈簧單元來模擬隔振器，采用梁單元模擬鋼軌及剪力鉸。在計算機程序允許的前提下，計算模型盡可能與實際板一致。

選用3塊連續(xù)浮置板進行動力分析，分別計算板自重和考慮15%列車荷重兩種情況下的系統(tǒng)固有頻率。靜力分析重點考察兩塊板相接處、板跨中、過渡板等3個區(qū)域。

3.2 動力特性分析

動力分析給出以下兩種荷載工況下的系統(tǒng)固有頻率：板自重恒載工況；板自重及列車動載耦合工況，車輛的動態(tài)載荷取軸重的15%。

經計算，系統(tǒng)的固有頻率分別為13.2 Hz (板自重)和11.7 Hz (板重+15% 列車荷載)。該系統(tǒng)應用于上海軌道交通10號線預制鋼彈簧浮置板試驗段。

采用優(yōu)化后的側置式隔振器，系統(tǒng)固有頻率進一步降低，分別為9.6 Hz和8.6 Hz。此系統(tǒng)廣泛應用于上海軌道交通11、12、13和9號線南延伸。

3.3 靜力分析

在靜力分析中，主要計算各種荷載工況下浮置板的垂向和水平向變形以及截面內力。靜力計算中采用動力放大系數來反映沖擊、振動及其他動力效應(含輪軌不平順引起的)。動力放大系數在配筋設計和剪力鉸驗算中都有考慮。其中荷載工況包括：

·LC 0——自重；

·LC 1～141——列車軸重；

·LC 142——側向力(100 kN 分布在4 m的長度上)；

·LC 143——制動和牽引；

·LC 144——溫度變化；

·LC 145——縱向坡度；

·LC 146——收縮;

·LCs——斷軌 (最不利荷載)：

·LC 147——最大剪應力；

·LC 148——斷軌前后的最大偏差。

例如，在LC 0(自重)恒載作用下計算出板的總變形，最大變形量為0.001 56 m。

在LC 1～141中，計算了鋼軌最大正切角、鋼軌最大正負彎矩、鋼軌最大剪力、隔振器最大變形、板體最大正負彎矩、隔振器最大變形等參數。LC 145工況按20‰ 坡度計算隔振器產生的水平位移。LC 146工況下的靜力由板的長度變化和水平彈簧變形引起。斷軌條件下驗算剪力鉸剪力和斷軌點前后最大偏差。

上海軌道交通10號線試驗段部分計算結果見表1。

表1 上海軌道交通10號線試驗段各工況部分計算結果

3.4 配筋計算

配筋計算由專門的程序自動完成。所有的截面內力要考慮動力放大系數。配筋計算滿足德國規(guī)范DIN 1045-1，材料屬性根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》取用。

配筋計算時對板各荷載工況進行組合：1.35×LC 0 + 1.3×1.5×LCi。其中，LC 0為恒載工況，LCi(i=1,2,3,…,n)為荷載工況，n為工況總數量。直線板配筋計算結果見表2。

表2 直線板配筋計算結果 cm2/m

3.5 減振效果分析

建立車輛-軌道耦合模型。車輛模型和軌道-道床模型通過4個車輪的輪軌力進行耦合。車輛模型簡化為相鄰兩節(jié)車廂的2個轉向架，考慮對稱性，一半軌道結構對應單邊4個車輪。軌道-道床模型包含浮置板軌道-道床結構模型和整體道床軌道結構模型，其中：整體道床結構模型自上而下依次為鋼軌、扣件、道床和彈性層；浮置板軌道-道床結構模型多了浮置板、隔振器兩部分。圖4中浮置板軌道-道床結構模型中的道床指浮置板基底，但考慮了隧道結構質量對基底振動的影響。

圖4 車輛-浮置板軌道耦合模型

采用幅值1 μm的簡諧函數作為輪軌間的相對位移激勵，模擬輪軌踏面粗糙度產生的激勵作用，并假設4個車輪處的位移激勵具有相同的相位。應用耦合模型對相對位移激勵下軌道結構的動態(tài)響應進行分析。隔振性能評價采用相對加速度。相對加速度為相同位移激勵下，浮置板基底加速度響應和對應的整體道床加速度響應幅值之比，記為RA=AFST/AET。車輛模型中心線處道床相對加速度如圖5所示。

圖5 車輛模型中心線處道床相對加速度

4 試驗研究

4.1 室內試驗

靜載試驗是在不同支撐條件下，對預制短板進行分級加載測試：測試預制短板不同受力位置和內部主筋的應變，分析不同荷載作用下預制短板的受力特性；測試預制短板不同位置的位移和撓度，分析預制短板的變形特性。

加載方式有雙軸(1個轉向架)加載、單軸跨中加載和單軸1/3板長加載3種。標準軸載為160 kN。支撐方式考慮了內部4個隔振器正常工作、全部脫空和一半脫空一半工作3種可能。

以上加載方式和支撐方式組合了5種工況。試驗表明：標準軸重荷載作用下，混凝土及鋼筋最大拉壓應力均滿足設計要求；板端側置式隔振器支撐區(qū)是預制板應力集中區(qū)。根據試驗結論，優(yōu)化了板端側置式隔振器區(qū)域配筋，并對優(yōu)化后的板再次進行了驗證試驗。

疲勞試驗支撐方式為所有隔振器正常工作，加載方式為單軸跨中加載。施加的疲勞荷載為30～180 kN。在加載前，以及加載50萬次、70萬次、100萬次、170萬次、200萬次、300萬次后，對板的動態(tài)位移和混凝土應變進行測試，同時進行板裂紋和板狀態(tài)的觀測記錄。

預制式浮置板經過300萬次疲勞試驗后，混凝土未發(fā)現裂紋，疲勞強度滿足要求。

4.2 試驗線研究

本項目研究依托上海申通軌道交通研究咨詢有限公司的科研課題《鋼彈簧浮置板設計施工一體化研究》[2-3]展開，在上海軌道交通10號線虹橋1號航站樓—上海動物園站上行區(qū)間鋪設了41塊預制浮置板(總長147.6 m)試驗段。該試驗段于2010年11月底通車運營。

2010年10月，受上海申通軌道交通研究咨詢有限公司委托，同濟大學對上海軌道交通10號線預制浮置板的安全性及平穩(wěn)性進行了現場測試。根據GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》，平穩(wěn)性實測結論為預制鋼彈簧浮置板系統(tǒng)行車平穩(wěn)性達到Ⅰ級(保養(yǎng))標準和優(yōu)秀標準。

采用脫軌系數、輪重減載率及最大橫向力等3個指標評價軌道安全性。脫軌系數測試結果如圖6所示。

圖6 預制浮置板試驗段軌道安全性測試

減振效果測試于2010年10月動車調試期間和運營3個月后的2011年3月各進行了1次。測試表明，相對于整體道床，隧道壁垂向加速度振動的插入損失為16.2 dB，可滿足特殊減振等級需求。

5 應用

預制式浮置板采用內置+側置組合式隔振系統(tǒng)，有效解決了短板之間受力與變形協調問題。采用工廠化生產，機械化鋪設，極大地提升了浮置板的質量和施工速度。優(yōu)秀的減振效果保證了預制浮置板系統(tǒng)可滿足高等級及特殊減振需求。

上海軌道交通10號線試驗段成功驗收后，預制式浮置板在上海軌道交通11～13號線和9號線南延伸段獲得應用，總鋪設里程超過35 km，超過了同期建設的現澆浮置板，成為上海新一輪建設中的主流鋼彈簧浮置板。

軌道施工中，預制式浮置板一旦就位即可發(fā)揮減振作用，施工車輛運行于預制浮置板地段，未再發(fā)生因振動超標擾民而導致的投訴。

上海軌道交通13號線世博段采用預制式浮置板，將普通道床及部分減振扣件道床升級改造為鋼彈簧浮置板道床。此段于2015年12月重新開通運營，解決了該區(qū)段振動超標擾民問題。

2014年和2015年，預制式浮置板道床應用于南京地鐵和深圳地鐵，其中南京地鐵3號線為過江大盾構隧道，深圳地鐵9號線則包含暗挖馬蹄形、明挖矩形和盾構圓形3種土建斷面。目前，上海、天津等城市的地鐵線路正在進行預制浮置板道床設計和建設。

迄今，最早的預制浮置板線路運營已超過6年，上海軌道交通11～13號線等大規(guī)模應用的線路運營也已超過3年，預制浮置板的工作狀態(tài)和減振效果均表現良好。

預制式浮置板作為鋼彈簧浮置板技術的最新發(fā)展，有著現澆板無法企及的優(yōu)勢，已獲得成功應用，能滿足特殊等級和高等級減振需求，可作為鋼彈簧浮置板的首選應用方案。預制浮置板將引領軌道交通建設中道床預制拼裝潮流。