高速铁路箱梁装配式桥面附属设施防撞性能试验研究

Experimental Research on Anti-Collision Performance of Ancillary Facilities of Fabricated Bridge Deck for High-Speed Railway Box Girder

摘要

为研究不同约束条件下高速铁路预制装配式桥面附属设施的防撞性能，提出高速铁路装配式桥面附属设施防护墙设计方法，制备3个预制装配式桥面系防护墙足尺试验模型，其中2个分别采用4点螺栓和2点螺栓连接的钢梁支撑约束，另一个采用桥面板支撑约束，通过静载试验进行对比分析。结果表明：在最大荷载为脱轨设计荷载的4次加载过程中，高速铁路箱梁装配式桥面附属设施防护墙均处于线弹性工作状态，裂缝主要出现在砂浆层界面和线路内侧防护墙墙面，呈水平向分布；继续加载防护墙结构出现斜向贯通主裂缝后达到极限状态；3个模型极限承载能力达到脱轨设计荷载的2.12~2.59倍，具有足够承载力冗余度，不同约束条件下装配式桥面附属设施与桥面结构间的连接安全可靠；足尺模型试验验证了提出方法的正确性。

Abstract

In order to study the anti-collision performance of prefabricated bridge deck ancillary facilities of high-speed railway under different constraints, the design method of protective wall for prefabricated bridge deck ancillary facilities of high-speed railway was proposed, and three full-scale test models of protective wall for prefabricated bridge deck system were prepared. Two of them were supported by steel beam with four-point bolt and two-point bolt connection respectively, and the other was supported by bridge deck plate. The comparative analysis was carried out by static load experiment. The results show that during the four loading process with the maximum load of the derailment design load, the protective walls of the auxiliary facilities of the prefabricated bridge deck of the high-speed railway box girder are in a linear elastic working state, and the cracks mainly appear in the mortar layer interface and the inner protective wall surface of the line, which are horizontally distributed; continuous loading causes the protective wall structure to reach the limit state after the main cracks are obliquely penetrated; the ultimate bearing capacity of the three models reaches 2.12-2.59 times of the design load of derailment, which has enough redundancy of bearing capacity. The connection between the auxiliary facilities of the prefabricated bridge deck and the bridge deck structure is safe and reliable under different constraints. The full-scale model test verifies the correctness of the proposed method.

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 箱梁 / 装配式桥面附属设施 / 防撞性能 / 足尺模型试验 / 抗剪分析

Key words

High-speed railway / Box girder / Fabricated bridge deck ancillary facilities / Anti-collision performance / Full-scale model test / Shear analysis

截至2023年底，我国铁路营业里程达到15.9万km，其中高铁营业里程4.5万km。根据《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，到2035年全国铁路营业里程将达到20万km，其中高铁7万km。新建铁路的桥梁比例较高，预计2025年铁路桥梁的总数量将达到100万孔^［1］，并以预应力混凝土箱梁为主，铁路桥梁建设的工程规模十分庞大^［2-3］。

我国既有高速铁路箱梁桥面附属设施是在梁体架设后，采用桥面预留钢筋和现场浇筑的方式将防护墙、电缆槽竖墙、边墙等附属结构与桥梁主体结构进行连接。该建造过程存在工序复杂、施工时间长、现场钢筋绑扎和混凝土浇筑作业量大、结构质量较难保证、运营过程中存在大量缺陷等问题，是控制高速铁路桥梁现场施工效率和附属设施质量的关键建造工序。

随着工业建筑技术的发展，预制装配化建造方法在工业发达的欧美国家得到推广应用^［4］。应用实践证明装配式建造方法具有构件质量标准可控、制备流程统一、可节约大量现场浇筑量等优点^［5-7］。因此，国内科研技术人员考虑将预制装配化技术应用于高速铁路箱梁桥面附属设施中，以提高现场作业效率和桥面附属设施建造质量，减少铁路运维期间病害整治数量^［8-9］。

高速铁路桥梁桥面附属设施预制装配化是将桥梁结构建造与现代化工厂智能施工技术相结合的重要途径，可有效减少现场劳动、节约建造材料、降低对建造环境的干扰等^［10］，满足高速铁路桥梁建设要求，符合新时代桥梁建造技术发展的方向^［11-12］。

桥面附属设施装配化施工需要在提高结构施工效率和质量的同时保持结构应有的作用，桥面附属设施中较为重要的是防护墙的结构性能。既有高速铁路桥面防护墙结构受力性能分析中重点考虑列车脱轨作用力，“通桥（2016）8388”^［13］中给出高速铁路箱梁脱轨设计荷载为100 kN · m^-1。高速铁路装配式桥面附属设施应满足相关防撞性能要求。

为提高现场施工效率，高速铁路箱梁装配式桥面附属设施在工厂制备完成后，每2 m标准预制件采用4个高强螺栓与桥面结构进行连接。在实际施工中可能存在多种约束方式与桥面进行连接的状态，不同约束条件下装配式附属设施的防撞性能需开展相关分析和研究。高速铁路箱梁装配式桥面附属设施中防护墙结构是经过重新设计和计算形成的整体结构，其真实防撞性能需进行相关试验研究。

因此，为探索高速铁路箱梁装配式桥面附属设施的防撞性能，本文在前期^［14］工作基础上设计高速铁路预制装配式桥面附属设施，根据装配式桥面附属设施建造过程中可能存在的约束条件，开展理论分析和足尺模型试验，研究不同约束条件下高速铁路预制装配式桥面附属设施的防撞性能。为高速铁路箱梁装配式桥面系附属设施设计、建造和优化提供理论分析方法和试验数据。

1 预制装配式桥面附属设施

依据高速铁路箱梁桥面附属设施的功能需求及结构特点，提出采用整体预制装配式桥面附属设施方案，将防护墙、电缆槽底板、电缆槽竖墙、边墙结构进行整体化预制，预制构件底板与既有桥梁结构通过螺栓连接，与箱梁翼缘板形成整体。装配式结构中防护墙承受列车横向脱轨荷载，是结构设计的控制因素，采用100 kN · m^-1脱轨设计荷载开展结构分析。高速铁路箱梁装配式桥面附属设施在桥面的整体示意图如图1所示，装配式结构如图2所示。

2 预制装配式桥面附属设施防撞分析方法

预制装配式桥面附属设施采用螺栓连接与既有桥梁结构形成整体，装配式附属设施与桥面间浇筑自密实砂浆层，形成贴合结构层。防护墙承受的列车脱轨荷载通过螺栓和砂浆层将力传递至桥梁结构。本文提出采用弹性支撑方法分析高速铁路装配式桥面附属设施防护墙防撞性能。假定如下：

（1）螺栓、砂浆层和装配式构件按照结构实际刚度取用；

（2）砂浆填充层出现裂缝后，假定只提供竖向受压刚度，用单向受压弹簧表征，螺栓可承受弯曲和拉压荷载，用多向弹簧表征。

弹性支撑分析模型如图3所示。

各弹簧刚度为

k_{\mathrm{1}}=\frac{E_{\mathrm{b}}{A}_{\mathrm{b}}}{L_{\mathrm{b}}}（1）

k_{\mathrm{2}}=\frac{E_{\mathrm{l}}{A}_{\mathrm{l}}}{L_{\mathrm{l}}}（2）

k_{\mathrm{3}}=\frac{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{l}}{I}_{\mathrm{l}}}{L_{\mathrm{l}}^{\mathrm{3}}}（3）

式中：k₁为砂浆层轴向受压弹簧刚度；E_b为砂浆填充层弹性模量，取用M35砂浆实测弹性模量；A_b为砂浆填充层作用面积，根据防护墙纵向检算长度计算确定；L_b为砂浆填充层平均厚度，根据计算区域砂浆层4点厚度计算确定；k₂为螺栓轴向拉压弹簧刚度；E_l为连接螺栓轴向弹性模量，依据GB/T 3077《低合金结构钢》取值；A_l为螺栓有效面积，依据Q/CR 869.2《铁路桥梁预制装配桥面设施》取值；L_l为螺栓作用长度，由螺栓设计长度减去锚固长度计算得出；k₃为螺栓弯曲弹簧刚度；I_l为螺栓有效截面惯性矩，依据Q/CR 869.2《铁路桥梁预制装配桥面设施》中参数计算得出。

依据本文假定条件和分析方法计算高速铁路装配式桥面附属设施防护墙防撞性能，选取装配式桥面附属设施的变截面A，B和C进行计算分析，如图4所示。采用本文方法得到高速铁路箱梁脱轨设计荷载作用下截面A，B和C的内力，再通过截面分析得出截面A，B和C处混凝土压应力、钢筋拉应力和裂缝宽度，分析结果见表1。由表1可见：各截面混凝土和钢筋性能均满足规范限值要求，截面A和C受力状态更为关键。但是，本文提出的分析方法是否适用，仍需通过结构性能试验进一步验证。

3 预制装配式桥面防护墙足尺模型试验

为得到不同约束条件下实际受力状态，设计和制备了1∶1足尺装配式桥面附属设施模型，长度1.98 m，横向宽1.77 m。共制备3个足尺模型，其中模型1采用钢梁支撑，靠近线路侧2个螺栓连接；模型2采用钢梁支撑，4个螺栓全连接；模型3模拟实际箱梁桥面结构，设计和制备桥面结构，并采用预埋套筒和砂浆层将装配式桥面附属设施和桥梁结构进行连接。

装配式桥面附属设施中混凝土采用C50等级混凝土制备，并同条件制备混凝土材性试件，其材料性能测试结果见表2。螺栓材料为400Cr碳素钢，材料性能测试结果为抗拉强度861 MPa，塑性延伸强度738 MPa，弹性模量206.2 GPa，断后伸长率20%。砂浆采用M35自流平砂浆，材料性能测试结果为抗压强度45.0 MPa，抗折强度7.5 MPa，弹性模量27.8 GPa。

采用横向推覆形式开展防撞性能静载试验。模型1和模型2为钢梁支撑方式，连接形式和加载方式如图5（a）所示，模型与钢梁连接，采用作动器进行横向加载。模型3为桥面板支撑方式，连接形式和加载方式如图5（b）所示，模型与桥面板连接，采用作动器进行横向加载。加载装置如图6所示。

为得到脱轨设计荷载作用下装配式桥面附属设施防护墙防撞性能，3个模型的静载试验首先开展4次最大荷载值为脱轨设计荷载（200 kN）的加载测试，得到在设计脱轨荷载作用下结构的混凝土受压应力、钢筋受拉应力和结构位移。其中第1次加载分8级进行，每级荷载为20 kN；第2、第3、第4次加载分5级进行，每级荷载为40 kN。在第1次加载得到结构的开裂荷载。第4次加载后得到脱轨荷载作用下防护墙A、C处混凝土应力、钢筋应力和横向位移。第5次加载每级荷载40 kN，直至结构达到极限状态，测得结构的混凝土受压应力、钢筋受拉应力和极限承载力。

根据上述分析，在受力关键截面A和C的受压区安装混凝土压应变测试装置，受拉区钢筋表面安装受拉应变测试装置；装配式防护墙顶部在加载方向安装位移测试装置。

4 试验结果与分析

4.1　钢筋应力

图7给出了5次加载试验测得的关键截面A和C处钢筋应变。

由图7可见：模型1—模型3第1次加载的荷载-应变曲线由直线变为曲线，表明该过程中结构产生明显开裂，刚度显著降低；第2、第3和第4次加载的荷载-应变曲线呈良好的线性，表明结构在第2、第3和第4次加载过程中裂缝宽度增大量和裂缝新增数量不显著，装配式桥面附属设施防护墙在脱轨设计荷载作用下钢筋表现为弹性工作状态；第5次加载过程中钢筋应变的突变是因为结构在荷载作用下出现裂缝，裂缝处钢筋应变突然增大，相邻位置处由于应力重分布钢筋应变突然减小。

高速铁路脱轨设计荷载作用下3个模型截面A处钢筋平均应变分别为9.73×10^-4，9.13×10^-4和9.74×10^-4，以200 GPa弹性模量换算后的平均应力分别为194.65，182.69和194.85 MPa；截面C处钢筋平均应变分别为8.71×10^-4，6.93×10^-4和4.91×10^-4，以200 GPa弹性模量换算后的平均应力分别为174.32，138.64和98.10 MPa。极限荷载作用下3个模型截面A处钢筋平均应变分别为2.87×10^-3，3.05×10^-3和2.35×10^-3，截面C处钢筋平均应变分别为4.37×10^-3，1.65×10^-3和1.20×10^-3。可见，极限荷载作用下3个模型截面A处钢筋的平均应变均超过屈服应变2.0×10^-3（对应400 MPa），截面C处钢筋的平均应变只有模型1超过屈服应变2.0×10^-3。

4.2　混凝土受压应力

图8为5次加载试验中测得的关键截面A和C处混凝土应变。

由图8可见：模型1—模型3第1次加载的荷载-应变曲线由直线变为曲线，表明该过程中结构产生明显开裂，刚度显著降低；第2、第3和第4次加载的荷载-应变曲线呈良好的线性，表明结构在第2、第3和第4次加载过程中其裂缝宽度增大量和裂缝新增数量不显著，装配式桥面附属设施防护墙在脱轨设计荷载作用下混凝土表现为弹性工作状态；第5次加载过程中混凝土应力的突变是因为结构在荷载作用下出现裂缝，裂缝处混凝土应变突然增大，相邻位置处由于混凝土应力重分布混凝土应变突然减小。

高速铁路脱轨设计荷载作用下3个模型截面A处混凝土平均压应变分别为6.25×10^-4，6.15×10^-4和6.23×10^-4，以表2中弹性模量换算压应力分别为26.20，27.50和27.30 MPa；截面C处混凝土平均压应变分别为1.47×10^-4，3.80×10^-4和2.18×10^-4，以表2中弹性模量换算压应力分别为6.16，16.99和9.56 MPa。极限荷载作用下3个模型截面A处混凝土平均压应变和应力分别为1.19×10^-3和49.84 MPa，1.31×10^-3和58.71 MPa，1.03×10^-3和45.17 MPa，截面C处混凝土平均压应变和应力分别为6.74×10^-4和28.25 MPa，1.54×10^-3和69.01 MPa和3.18×10^-4和13.96 MPa。可见，极限荷载作用下3个模型截面A处混凝土的平均应力均接近极限抗压强度50 MPa，截面C处混凝土的平均应力只有模型2超过极限抗压强度50 MPa。

4.3　横向位移

图9为5次加载试验测得的防护墙横向位移。由图9可见：模型1和模型2第1次加载的荷载-位移曲线由直线变为曲线，表明该过程中预制结构与钢梁间缝隙压紧，出现较大残余变形；第2、第3和第4次加载的荷载-应变曲线呈良好的线性。模型3在第1、第2、第3和第4次加载的荷载-位移曲线均呈良好的线性；第5次加载至极限荷载情况下防护墙横向位移出现突变，是由于结构在极限荷载作用下出现剪切破坏，结构出现主裂缝，产生大变形。

图10—图12分别给出了模型1、模型2和模型3在静载试验极限状态下的裂缝形态。

由图10可见：脱轨设计荷载作用下裂缝主要分布于线路侧防护墙表面，在40 kN荷载作用下防护墙出现裂缝，100 kN荷载作用下防护墙裂缝纵向贯通，第4次加载完成，裂缝宽度达到0.16 mm；第5次加载中模型的裂缝宽度随荷载的增加而增大，极限状态下防护墙出现斜向贯通主裂缝，截面A和C处钢筋达到屈服，混凝土压应力接近极限，螺栓连接可靠，防护墙横向位移急剧增加的同时荷载出现骤减，达到极限状态，最大试验荷载为517.79 kN，达到脱轨设计荷载的2.59倍。

由图11可见：脱轨设计荷载作用下裂缝主要分布于线路侧防护墙表面，60 kN荷载作用下防护墙出现裂缝，100 kN荷载作用下防护墙裂缝纵向贯通，第4次加载完成，裂缝宽度达到0.20 mm；第5次加载中模型的裂缝宽度随荷载的增加而增大，极限状态下防护墙出现斜向贯通主裂缝，截面A和C处钢筋达到屈服，混凝土压应力接近极限，螺栓连接可靠，防护墙横向位移急剧增加的同时荷载出现骤减，达到极限状态，最大试验荷载为433.18 kN，达到脱轨设计荷载的2.17倍。

由图12可见：脱轨设计荷载作用下裂缝主要分布于线路侧防护墙表面和砂浆层界面处，40 kN荷载作用下防护墙出现裂缝，60 kN荷载作用下防护墙裂缝纵向贯通，第4次加载完成，裂缝宽度达到2.99 mm，该裂缝宽度为防护墙与砂浆层之间的缝隙；第5次加载中模型的裂缝宽度随荷载的增加而增大，极限状态下防护墙出现斜向贯通主裂缝，截面A和C处钢筋达到屈服，混凝土压应力接近极限，螺栓连接可靠，防护墙横向位移急剧增加的同时荷载出现骤减，达到极限状态，最大试验荷载为423.65 kN，达到脱轨设计荷载的2.12倍。

5 弹性支撑法与试验对比

5.1　设计状态

采用本文第2节的假定条件和弹性支撑分析方法，得出高速铁路脱轨设计荷载作用下装配式桥面附属设施防护墙截面A和C处钢筋拉应力和混凝土压应力，将其与试验结果比较，见表3。

由表3可见：设计值均大于试验结果，满足设计分析结果应偏于保守的基本原则。说明本文提出的高速铁路装配式桥面附属设施防护墙防撞性能假定条件和分析方法适用于该结构防撞性能检算分析。

5.2　结构抗剪极限状态

静载试验表明，达到极限状态时装配式桥面附属设施防护墙出现斜向裂缝，为剪切破坏状态。因此需针对装配式防护墙结构开展抗剪性能检算，依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》^［15］中剪切承载力检算方法，即式（4）计算防护墙剪切承载力，与试验结果比较见表4。由表4可见：剪切承载力试验结果大于分析结果，满足结构抗剪设计偏于保守的原则。在高速铁路装配式桥面附属设施防撞性能设计时需检算结构抗剪承载能力。

V={\alpha }_{\mathrm{c}\mathrm{v}}{f}_{\mathrm{t}}b{h}_{\mathrm{0}}（4）

式中：α_cv为混凝土受剪承载力系数，取为1.75/（1+λ），λ为剪跨比，本文取为3.0；f_t为混凝土轴心抗拉强度，依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》取用；b为截面宽度，本文取1.98 m；h₀为截面有效高度，本文取为0.11 m。

6 结论

（1）高速铁路预制装配式桥面附属设施防护墙在100 kN · m^-1脱轨设计荷载作用下进行了5次加载，防护墙结构基本处于弹性状态。

（2）线路侧2点约束、4点约束和桥面板实际约束条件下预制桥面系防护墙模型极限承载力分别为517.79，433.18和423.65 kN，是高速铁路脱轨设计荷载的2.12~2.59倍，表明高速铁路预制装配式桥面附属设施防护墙承载力满足设计要求，且具有一定安全储备。

（3）高速铁路脱轨设计荷载作用下，模型防护墙竖向变截面A和电缆槽底板下倒角与底面交接处截面C的钢筋应力、混凝土应力均满足设计要求；连接螺栓安全可靠，满足设计要求。

（4）高速铁路预制装配式桥面防护墙裂缝主要出现在砂浆层界面和线路内侧防护墙墙面，防护墙裂缝呈水平向分布，模型破坏状态为防护墙结构出现斜向贯通主裂缝后达到极限状态。

（5）本文通过足尺模型试验验证了高速铁路预制装配式桥面附属设施防护墙防撞分析方法的有效性，为高速铁路装配式桥面附属设施防撞分析提供分析方法和试验数据。足尺模型试验结果和抗剪分析结果吻合良好。装配式桥面附属设施防撞分析时需检算抗剪承载力。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(P2023G009)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2022YJ178)