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    无损伤快速安装预埋槽道疲劳性能研究

    时间：2023-02-19 11:55:32来源：百花范文网本文已影响人

    陆 晨

    上海轨道交通十八号线发展有限公司 上海 200135

    预埋槽道方案在建筑、铁路、交通、市政等工程领域中得到了广泛的应用，尤其在地下轨道交通中的使用更加普遍。在地下轨道交通中，预埋槽道方案常预埋于管片混凝土内，用于支撑、悬挂、固定各机电系统支持结构。预埋槽道方案具有以下优点：预埋过程不再需要借用任何钻孔螺栓等，对管片的结构影响较小；
    由于其预埋过程在管片厂完成，在施工过程中无需再焊接[1-2]，有效提高了施工效率。

    考虑到其方案的优点，且我国地下轨道交通中的预埋槽道技术起步较晚，近年来已有部分学者对预埋地下轨道交通中的预埋槽道施工方案进行了初步研究[3-6]。为推行该种快速安装方案，对快速安装预埋槽道的力学性能研究必不可少。目前，国内外已经在力学方面对预埋槽道进行了部分研究，如刘长利等[7]对预埋槽道进行研究分析，提出了盾构管片预埋槽道技术的优势。李智明[8]分析了预埋槽道的抗拉和抗剪受力机理，并定量计算分析预埋槽道抗剪极限荷载和承载力，为预埋槽道方案的力学机制提供了基础。Pertold等[9]，Khalil等[10]对预埋槽道进行了数值仿真模拟分析，介绍了锚固的各项性能。

    为了研究预埋槽道的极限破坏过程，国内外学者也进行了一些研究。如杨福芹等[11]分析了预埋槽道的破坏过程，破坏过程主要表现为预埋槽道拉断破坏损伤和混凝土结构发生锥形破坏损伤。薛佳[12]则对预埋槽道进行了极限破坏试验，预埋槽道在3倍工作荷载下，发生了明显的屈服变形和功能性失效破坏。

    综上所述，针对地下轨道交通中的预埋槽道，国内外学者从本身的力学性质到槽道的极限破坏过程都已进行较为充足的研究，但对于预埋槽道疲劳性能的研究还尚少。作为一种长期使用的预埋构件，经过长时间的服役，循环多次受到重复性荷载，其可能产生疲劳裂缝，从而导致结构失效。且其作为预制构件，更换的工艺将更为复杂和困难，故研究其疲劳性能极为重要。

    而国内关于预埋槽道的疲劳性能研究正处于发展时期，目前只有万桥等[13]研究了在不同的热处理下槽道的耐久疲劳性，其得出经高温回火工艺处理后，对预埋槽道的疲劳耐久性有显著提高。考虑到预埋槽道在长期运营工程中的锚固性能可能有所下降[14]，混凝土管片本身对槽道结构的加强和保护作用减弱，本文拟直接研究预埋槽道裸槽设计的力学性能是否满足工程要求，研究预埋槽道在长期运营状态下的最不利工况的疲劳结构性能，检测预埋槽道在地铁长期动荷载的作用下，使用年限能否满足100年的扰动和受力变化，为无损伤快速安装系统在城市轨道管线及设备安装中的应用提供参考。

    该试验研究的快速预埋滑槽在管片上的布置如图1所示，成形隧道完成设备安装后的现场效果如图2所示。

    图1 预埋滑槽布置示意

    图2 成形隧道完成设备安装后的现场效果

    1.1 试验试件

    采用实际工程中使用的带齿外置不锈钢无损伤快速安装预埋槽道进行试验。槽道试件采用奥氏体（A）型不锈钢，槽道锚腿以M14级的相应材料的螺栓标准设计套筒。槽道整体如图3所示。

    图3 槽道整体示意

    其中，槽道截面如图4所示，截面的尺寸及材料性质如表1所示。

    图4 槽道截面示意

    表1 槽道尺寸及材料性质

    1.2 加载系统

    本试验采用250 kN MTS疲劳环境耦合试验机，操作平台达到2 m×2 m。该试验机可以采用静力和疲劳2种加载方式。静力加载下最大机械力可达到250 kN，最小精度为0.01 kN。疲劳试验下可满足振动频率范围为0.1～200 Hz，最小精度达到0.1 Hz。

    该试验机满足本试验的静力和疲劳最大荷载和精度要求。疲劳加载试验机如图5所示。

    图5 疲劳加载试验机

    1.3 试验工况

    该试验为裸槽疲劳加载试验。由TB/T 3329—2013《电气化铁路接触网隧道内预埋槽道》的规范可以得知，预埋槽道的静力拉拔测试方案采用在两锚腿正中间进行加载的方案。

    为对比疲劳试验后预埋槽道的静力拉拔性能下降程度，疲劳试验采用相同的跨中加载方式，加载点位于螺栓位置，槽道及螺栓布置如图6所示。

    图6 槽道及螺栓布置示意

    试验采用M20的8.8级螺栓，其中，螺杆极限抗拉强度为800 N/mm2，螺杆屈服强度为640 N/mm2。

    螺杆试件采用M20的8.8级螺栓，螺栓的作用相当于为槽道施加了一个受力点，其本身的结构不作为考察目标。经过计算，锚腿极限抗拉轴力为142×π/4×205＝31.56 kN。而该螺栓可以承担的最大屈服拉力为202×π/4×640＝402.12 kN，保证了在试验中加载点螺杆是后于槽道屈服的，确保了试验测试结果为槽道的力学性能。

    同样，根据TBT 3329—2013《电气化铁路接触网隧道内预埋槽道》的规范，疲劳试验的荷载上下幅应为设计的30%。而根据本工程的设计要求，计算最不利情况下（即整条槽道只有1个受力点），外置槽道螺栓受到的最大拉力为13 kN，根据规范要求，上下幅应为设计的30%，所以上限荷载取16.9 kN，下限荷载取9.1 kN。

    具体的试验工况如表2所示。

    表2 试验工况

    1.4 测试方案

    为了研究在疲劳振动过程中槽道的结构响应情况，拟通过对槽道表面张贴应变片的方式进行。

    考虑试验中槽道正中的结构响应最大，通过对槽道正中的应变研究可以包络代表整个槽道的应变情况，因此，在槽道中央设置三向应变花（横向编号1，竖向编号3，斜向编号2）。

    同时，为了确保疲劳试验中锚腿的安全性，本试验也在2个锚腿处布置竖向应变片（左锚腿编号4，右锚腿编号5）。具体布置如图7所示。

    图7 裸槽道疲劳试验应变片示意

    2.1 加载过程

    设计钢板放置于试验机上，将槽道的下部套筒夹入钢板下固定，以保证整个振动过程中主要的受力体为槽道本身。裸槽道垂直拉拔疲劳试验加载过程如下：

    1）槽道与套筒进行组装，形成组合结构，将锚腿固定于铁板上，依次拧紧8个螺栓，拧紧过程中进行严格的水平控制，保证整个槽道的水平，严格找到槽道中点，安装螺栓，下移试验机，将螺栓固定于上部夹头，使相关准备工作就绪。

    2）开启试验机，设置参数，应变片调节平衡，在2 min内将压力加至13 kN。设置压力上下限为3.9 kN，设置加载频率为3 Hz。试验机位移上限定为3 mm，保证试验机不致于突然被破坏。静态采集间隔为120 s/次。设置加载上限次数为50万次，开始进行试验。

    3）试验开始后，对全过程的槽道进行相应观察，确认槽道及槽道锚腿未产生大变形，并每隔10万次对槽道进行拍照并对槽道应变进行记录，确认槽道表面未发生较大应变响应。

    随后，在疲劳试验结束后，对槽道进行静力极限加载试验，试验过程如下：加载点选取疲劳试验选用的加载点，加载过程采用逐级加载的方式进行（设计荷载的20%为一级），加载至设计荷载13 kN，持荷3 min，组合结构未见明显变形，后以每分钟2 kN的速度进行加载，直至槽道变形破坏。

    2.2 试验结果

    经过50万次疲劳试验后，对槽道最终结果进行拍照记录。槽道、锚腿、螺杆均无明显变形，槽道无结构性损伤，表面无裂缝；
    而锚腿垂直度良好，也没有发生结构损伤，表面同样没有产生裂缝，标志疲劳试验结束。

    在整个周期内，最大拉力为17.529 kN，最小拉力为－0.445 kN，周期内最大位移0.110 mm，最小位移0.014 mm，且波形波动较为稳定。

    在完成疲劳试验后，对槽道进行静力极限试验，加载至46.12 kN时，槽道发生结构破坏。槽道跨中产生较大的变形，槽道口也发生相应损坏。锚腿端部产生倾斜变形，端部发生结构破坏，破坏形态如图8所示。

    图8 极限拉拔试验最终示意

    3.1 疲劳试验应变结果分析

    将整个试验过程的5个应变片的数值进行采样，提取出起始时调平的应变值和每隔10万次振动过程的相应应变片数值。

    应变片振动峰值的变化如表3所示。

    表3 应变片振动峰值变化

    应变片振动谷值的变化如表4所示。

    表4 应变片振动谷值变化

    通过对疲劳试验全过程的峰值和谷值的应变变化情况，可以得出如下结论：

    1）随着疲劳次数的增多，槽道正中和锚腿的应变在缓慢增加，说明随着疲劳试验的进行，槽道和锚腿的结构响应有所增大。

    2）槽道正中和锚腿的应变片从开始试验到疲劳试验结束的应变变化较小，绝对增量小于20με，相对差值大都在30%以内，说明50万次疲劳试验后槽道及锚腿的结构响应较小，应变变化小，疲劳试验对结构的削弱有限。

    3.2 极限静力拉伸试验结果分析

    疲劳试验后对槽道进行极限拉拔试验，绘制荷载-位移曲线，并与未进行疲劳试验的试件的荷载-位移曲线进行对比，如图9所示。

    图9 极限拉拔试验荷载-位移曲线示意

    将疲劳试验件和未经历疲劳试验件的极限荷载数值进行对比，如表5所示。

    表5 疲劳试验前后极限荷载对比

    从图9和表5可以得出如下结论：

    1）极限拉拔试验下的试件呈现出明显的两个阶段。在试验荷载小于25 kN时，试件处于弹性阶段；
    在试验荷载大于25 kN时，试件进入弹塑性阶段，在相同荷载增量下，位移增加变多。

    2）疲劳试验件和未经疲劳试验件的荷载-位移曲线类似，说明经过疲劳试验后，试件极限拉拔试验中的各阶段结构性能类似。

    3）经过50万次疲劳试验后，疲劳试件的最大抗拉强度下降较少（2.51 kN），可以认为50万次疲劳试验后疲劳试件的受力还是安全的。

    通过试验研究，可得到以下结论：

    1）本文合理地设计了快速安装预埋槽道的裸槽疲劳试验，并对疲劳试验中的裸槽结构响应进行了分析，得出了相应的试验结论，为类似预埋槽道疲劳性能的研究提供了借鉴依据。

    2）通过对槽道的疲劳试验以及后续极限拉拔试验，对预埋槽道的质量进行了检测。检测结果表明，预埋槽道在指定荷载下已通过50万次疲劳试验，且根据实测数据，相应测试位置的应变均小于20με，可以认为试验过程中的结构响应波动较小，说明疲劳试验对结构的削弱有限，结构具有较好的抗疲劳性能。

    3）疲劳试验件和未经疲劳试验件的荷载-位移曲线类似，疲劳试验结束后的极限拉拔强度只下降5.16%，可以认为50万次疲劳试验后疲劳试件的受力还是安全的。同时，也说明在实际长期运营的隧道中，发生混凝土剥离等现象后，快速安装预埋槽道构件本身依然可以保证一定的受力性能。

    4）组合结构极限破坏试验为整体受损结果，说明快速安装预埋槽道构件本身包含的槽道、锚腿各项性质类似，组合受力设计较为合理。

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