CN111270571A - 一种减振基础结构及隧道无砟轨道 - Google Patents

一种减振基础结构及隧道无砟轨道 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种减振基础结构，属于土木工程减振技术领域，其包括至少一层SMA—FRP轨道结构层，所述SMA—FRP轨道结构层由上至下包括依次相接的FRP面层、SMA结构层、FRP基层，其中，FRP面层和FRP基层均由纤维增强复合材料制成，SMA结构层由沥青玛蹄脂制成。本发明还提供了一种隧道无砟轨道结构，其由上至下依次包括预制轨道板、仰拱回填层以及隧道本体，在所述预制轨道板和仰拱回填层之间还设有上述减振基础结构。本发明所提供的减振基础结构及其隧道无砟轨道具有减振性能好，受力稳定，易于制造和控制施工质量。

Description

一种减振基础结构及隧道无砟轨道
技术领域
本发明属于土木工程减振技术领域，尤其涉及一种减振基础结构及隧道无砟轨道。
背景技术
当前，我国经济高速发展，基础设施建设被提升为前所未有的高度，对于道路、桥梁、轨道等均要求在高强度承载力的基础上兼具良好的减振性能。例如，目前我国正掀起轨道交通建设的高潮，然而，轨道交通在给人们出行带来便利的同时，也给沿线环境带来了振动、噪声等负面影响。一直以来，有砟轨道作为轨道交通的主要结构形式，其散体道砟构成的道床可适当降低列车高速运行带来的振动、噪声对周边环境造成的影响，但该道床结构易产生道砟磨损、塌陷和局部变形等病害，从而加剧了轨道结构残余变形累积，导致轨道结构不平顺加剧，严重影响列车运行的稳定性及安全性。因此，针对当前轨道交通速度提升要求及环境友好的政策下，更具结构连续性、平顺性的无砟轨道成为目前轨道交通的主要结构形式。
然而，无砟轨道采用的大刚度混凝土结构在列车长期冲击荷载作用下易出现振动过大、噪声超标等环境问题。为解决该问题，现有技术中研发了CRTS I型轨道结构、CRTS II型轨道结构和CRTSⅢ型轨道结构，这三种均为无砟轨道。前两者均是在现浇的钢筋混凝土底座上铺设预制轨道板，并通过CA砂浆层(水泥乳化沥青砂浆层)进行调整，轨下部分自上而下依次为轨道板、CA砂浆层(或其下增设弹性垫层)、混凝土底座或支承层，分别如图1—2所示。其中，CRTS I型板式无砟轨道采用单元式轨道板，板与板不连接，板缝不填充，通过设置有防止单元轨道板横、纵向的移动设置的凸形挡台(周围填充树脂等)进行限位，弹性缓冲层为低模量CA砂浆(弹性模量约为100-300MPa)，标准厚度为4-10cm。而CRTS II型板式无砟轨道采用整体式轨道板，即底座板纵向、轨道板纵向连接形成通长的整体板带结构，两侧设置侧向挡块，弹性缓冲层为高模量CA砂浆(弹性模量约为7000-10000MPa)，标准厚度为3cm。而对于CRTS I型、CRTS II型板式无砟轨道结构，均以CA砂浆层或其下铺设减震垫实现减振之目的，但客运专线板式无砟轨道CA砂浆的现行规范只考虑砂浆的抗压强度，而不考虑砂浆的抗拉强度，这就实际施工中对CA砂浆层施工质量要求极高，且随列车运行速度的提高，其耐久性也是个极大的问题。
CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国具有完全知识产权的新型轨道结构，如图3所示，为工程实践中具体运用的一种轨道结构，其采用单元分块式结构，自密实混凝土灌注后，仍通过门型钢筋使轨道板和自密实混凝土层连接成为一体。道床结构由预制轨道板、自密实混凝土填充层、限位结构(门型筋+凹槽)、中间隔离层(土工布)和钢筋混凝土基底等组成。
当前最新研究成果表明，地铁振动的35％左右是由轨道结构(包括基础)所产生的。因此，对于减振要求较高的地段，通常考虑轨道结构的整体减振效果。目前，已经使用的减振型地铁轨道结构有D型可更换式弹性直结轨道、弹性支承式轨道结构、钢轨嵌入式轨道、弹性长轨枕埋入式无砟轨道、浮置板式轨道、减振型板式轨道、博格板式减振型无砟轨道、Rheda2000型无砟轨道、Edilon钢轨埋置式板式轨道结构，此外，还有在Rheda轨道基础上发展起来的旭普林型无砟轨道，该轨道结构采用两层混凝土板之间铺设人造橡胶或沥青涂层的方式实现减振目的。目前的各种无砟轨道结构具有以下问题：(1)板式无砟轨道结构减振基本仍靠具有一定刚度和惯性的橡胶(或弹性垫层)或钢弹簧实现，目前尚无采用粘弹性阻尼材料作为无砟轨道结构层，不能既满足列车平稳运行的支承功能又满足轨道整体的减振目的。(2)高速铁路板式无砟轨道结构中，CA砂浆施工质量难以控制，且其耐久性不高。(3)既有地铁预制板设置凸起，在运输、存储方面方便性较差。(4)列车运营过程中若预制板发生损坏，须将两侧现浇混凝土部分凿除后才能取出预制板，运营过程中的维修养护空窗期少。(5)地铁轨道结构中限位凹槽内容易积水。(6)现有地铁预制轨道板轨道结构中自密实混凝土的自密实混凝土施工质量难以控制，从而轨道结构的施工质量也变得不可控。(7)高铁轨道结构减振垫或地铁预制板轨道结构中隔离层(土工布)等减振效果并不佳。
综上所述，对无砟轨道结构采取相应减振措施或开发合理、经济的新型减振型无砟轨道以克服上述缺点，延长轨道结构使用寿命并改善乘车舒适性，具有良好的经济效益和极高的社会价值。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种减振基础结构，该减振基础结构及其所运用到的隧道无砟轨道受力稳定可靠，减振效果明显，兼具经济适用、便于质量控制的优良综合性能。
本发明的技术方案如下：本发明提供一种减振基础结构，其包括至少一层SMA—FRP轨道结构层，所述SMA—FRP轨道结构层由上至下包括依次相接的FRP面层、SMA结构层、FRP基层，其中，FRP面层和FRP基层均由纤维增强复合材料制成，SMA结构层由沥青玛蹄脂制成。在具体实施时，前述FRP面层与SMA结构层之间、SMA结构层与FRP基层之间推荐采用环氧树脂类材料进行粘贴。
同时，本发明还提供了一种隧道无砟轨道，其由上至下依次包括预制轨道板、仰拱回填层以及隧道本体，与现有隧道轨道所不同的是，在所述预制轨道板和仰拱回填层之间还设有上述减振基础结构。
本发明主要有以下有益效果：本发明的减振结构基础通常可以作为现有各种常见构筑物的基础，能广泛地运用到道路、桥梁、轨道上，具有减振性好，承载性能稳定可靠，且经济适用性强，施工质量也便于控制的良好综合性能。例如，当用于列车轨道结构，尤其是用于隧道无砟轨道时，完美地体现了上述各项优异性能：
1、首先，最关键的效果之一是本减振基础结构的受力更加合理，经ABAQUS数值有限元计算，充分显示了增加FRP后使得预制轨道板、SMA、轨道基层等刚度突变的实际情形得到了相当程度的“缓解”，且在同一计算断面，SMA结构层底部竖向振动加速度、位移基本相同，处于稳定状态，这些都充分证明了FSF减振型轨道结构使得整个轨道结构受力更趋于稳定合理，结构更加可靠。
2、其次，减振效果明显。(1)经ABAQUS数值有限元计算，车速为100km/h工况下，其竖向加速度、竖向位移衰减率分别达60％、43％，远高于既有地铁预制板式无砟轨道结构竖向加速度21％、竖向位移8％的衰减率。(2)经实验室缩尺模型试验测量数据，在荷载同一竖向传递路径下，SMA结构层的底层竖向加速度均较SMA结构层的顶层竖向加速度有较大的衰减。
3、再次，FRP及SMA材料综合性能的优势明显，具有技术、经济优势，质量可控。(1)FRP是一种质轻、高强、耐久、耐腐蚀、耐高温并具有良好弹性的材料，看似普通的非金属材料却有数倍于普通低合金钢的抗拉强度及比钢材略高的高弹性模量，但又如棉絮一样柔软，耐湿热且抗老化，材料老化寿命可达50年以上，且其造价经济，易于取得。(2)SMA材料为常用路面铺装材料，其施工工艺成熟，相对于现有的自密实混凝土等材料而言其质量易于控制，技术优势非常明显。
4、此外，可针对轨道交通沿线振动控制参数，调整SMA材料配比，实现不同地段的减振效果，适应性极强。
附图说明
图1为现有的CRTS I型轨道结构和CRTS II型轨道结构的一种常用结构示意图；
图2为现有的CRTS I型轨道结构和CRTS II型轨道结构的另一种常用结构示意图；
图3为现有的一种CRTSⅢ型板式无砟轨道结构示意图；
图4为本发明结构示意图；
图5为轨道减振结构性能模型试验断面图；
图6为轨道垂向振动试验台示意图；
图7为最大竖向加速度衰减率；
图8为最小竖向加速度衰减率；
图9为最大竖向加速度衰减率；
图10为最小竖向加速度衰减率。
元件标号说明：凸型挡台a、混凝土底座b、轨道板(c、g、k)、扣件系统(d、h)、CA砂浆调整层(e、f)、支承层i、底座板j、自密实混凝土m、聚丙烯隔离层n、仰拱回填层o、隧道结构p、预制轨道板1、SMA—FRP轨道结构层2、FRP面层201、SMA结构层202、FRP基层203、轨道基层结构3、隧道本体4、钢轨中心5、94mm预制轨道6、1.4mmFRP面层7、28.5mmSMA结构层8、1.4mmFRP基层9、激振器10、外部支架20、活动扣板30、工字钢40、固定底座50。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本实施例公布了一种减振基础结构，其包括至少一层SMA—FRP轨道结构层2，该SMA—FRP轨道结构层2由上至下包括依次相接的FRP面层201、SMA结构层202、FRP基层203，其中，FRP面层201和FRP基层203均由纤维增强复合材料制成，SMA结构层202由沥青玛蹄脂制成。在具体实施时，前述FRP面层201与SMA结构层202之间、SMA结构层202与FRP基层203之间优选环氧树脂类材料进行粘贴，提升整体受力稳定性和减振性。由于本减振基础结构减振性能良好，施工质量也易于控制，制作材料易于取得而成本经济，可以广泛地运用在现有各种需要具备优异减振性能的基础中，作为具体实施例之一，将该减振基础结构用于隧道无砟轨道中，参见图4，其具体为：由上至下依次包括预制轨道板1、仰拱回填层O(轨道基层结构3)以及隧道本体4，在预制轨道板1和仰拱回填层O之间还设有上述减振基础结构，亦即该隧道无砟轨道按以下结构层进行施工，由上至下顺次包括预制轨道板1、FRP面层201、SMA结构层202、FRP基层203、轨道基层结构3、隧道本体4，其中，FRP面层201和FRP基层203均由纤维增强复合材料制成，SMA结构层203由沥青玛蹄脂制成。为提升各层之间的整体连接性能，更好地体现本发明的力学性能，优选地，预制轨道板与FRP面层之间、FRP面层与SMA结构层之间、SMA结构层与FRP基层之间均采用环氧树脂类材料进行粘贴。
为证明本发明提供的上述实施例中隧道无砟轨道结构的工程性能，同时也为了说明本发明的减振基础结构的工程性能，本实施例特对上述SMA-FRP轨道结构减振性能进行了试验研究，以更加真实有效地证明本发明的原理及其效果，进一步地进行工程实际验证分析，以荷载同一传递路径下竖向加速度衰减率为分析指标，从定性角度开展SMA-FRP轨道结构减振性能缩尺模型试验研究，并与数值分析结果进行对比分析，以进一步分析验证本发明的SMA-FRP轨道结构减振效果及其它综合性能。其具体方案的模型试验断面图参见图5。试验预制轨道板采用1:3.5的缩尺模型，将预制轨道板尺寸按照1:3.5进行缩尺，而刚度、阻尼仍采用实际材料的刚度、阻尼进行。试验预制轨道板采用与原型缩小3.5倍的C50预制钢筋混凝土板。实际地铁轨道结构中，钢轨通过扣件与轨道板连接，但实验中无法对扣件刚度及阻尼准确缩小。如前所述，本文着重研究SMA-FRP轨道结构层的减振性能，并不关注列车荷载经扣件衰减的情况，因此为简化试验模型，直接采用钢轨与轨道板固结的方式，并在预制轨道板设置锚固钢筋，以焊接的方式锚固模拟钢轨的工字钢。综合试验模型尺寸及实际试验条件，采用质量为16.9kg/m的14#热轧工字钢作为试验钢轨，该工字钢腰厚为5.5mm，截面惯性矩为712cm4，能满足提供的试验条件下的垂向刚度要求，且其理论重量为16.9kg/m。浇筑两片SMA-13沥青混合料试件，并碾压成型运送至试验室，此处需特别说明的是，根据本实验相似比设置，数值计算10cm和15cm厚度分别对应的试验厚度为2.9cm、4.3cm。
因本实验着重研究SMA-FRP轨道结构的减振性能，并不研究结构材料自身的力学性能，此处仅列明本实验所采用的SMA-13的配合比情况，参见下表SMA-13沥青混合料目标配合比所示。表中阻燃剂掺量为沥青质量的6％，木质素纤维掺量为混合料总质量的0.4％，抗剥落剂掺量为沥青质量的0.4％。
Figure BDA0002432802150000051
所有FRP层材料均采用重庆博巨玻璃钢有限公司的产品，其出厂力学指标为：拉伸强度3.5GPa，弹性模量为74GPa，延伸率为4.8％，热涨系数5.0。按照实验缩尺模型，选用厚度为1.4mm的FRP产品进行试验。
为确保FRP与各接触部件的充分密贴，并保证获取的实验数据处于“稳定”状态，试验按以下步骤执行：(1)彻底清理固定底座的混凝土屑及灰尘；(2)在底座槽内相应位置、下FRP底面均匀地刷三遍环氧树脂，以使下FRP与固定底座充分粘结；(3)静置24小时；(4)在固定好的下FRP顶面、碾压成型的SMA底面均匀地刷三遍环氧树脂，确保下FRP与SMA充分粘结；(5)静置24小时；(6)在碾压成型的SMA顶面、上FRP底面均匀地刷三遍环氧树脂，确保上FRP与SMA充分粘结；(7)静置48小时；(8)放置预制轨道板并开始预加载15分钟；(9)预加载后静置2小时；(10)重新加载并记录数据；(11)取出预制轨道板，凿除SMA，凿除过程中，确保不破坏SMA底层FRP；(12)重复(4)～(10)步骤，获得另外一片SMA实验数据。对于加载系统的选取，激振器(250kN～1000kN)作为实验加载系统，试验采用双轨加载，通过激振器加载于两根14#工字钢上，以外部支架控制整个系统的稳定性，如图6所示。激振器为试验提供固定的简谐荷载，其加载位置位于预制轨道板纵断面1/4、1/2、3/4处正上方，通过支架将荷载传递于工字钢上。以下为主要的试验工况数据表：
SMA厚度(cm) 模拟轴重(t) 激振频率(Hz) 激振力(kN)
d＝2.9/4.3 15 15(激振器最大频率) 45(模拟v＝40km/h)
为使得试验数据与数值计算数据更具有可比性，试验采用时间总历程为1.8s，DH187压电式加速度传感器采集频率为50Hz，截取“预加载”数据“稳定”后某一段时间1.8s内的试验数据，其计算起点为0s，共采集数据1080个，根据采集的数据绘制竖向加速度绘制成采样点最大/小竖向加速度试验数据统计表：
Figure BDA0002432802150000061
数值分析采用移动的变化激励模拟列车动载，在选取的计算长度19.2m(4块轨道板)内，采样点竖向加速度随轮对接近而呈逐渐增大趋势，在转向架第一轮对接近采样点位置时，竖向加速度出现第一个峰值，随车轮移动，采样点在接近转向架两轮对中间位置时，受两轮对加速度叠加效应的影响，竖向加速度出现衰减，随后第一轮对远离采样点而第二轮对接近，此时竖向加速度出现第二个峰值，后随第二轮对远离呈减小趋势，针对上述竖向加速度曲线，提取采样点最大、小加速度数据进行统计，采样点最大/小竖向加速度数值计算数据统计表：
Figure BDA0002432802150000071
根据以上采样点最大/小竖向加速度试验数据统计表和采样点最大/小竖向加速度数值计算数据统计表，以最大(小)竖向加速度数据为依据，分别计算P1、P2、P3采样点SMA底层(P1-2、P2-2、P3-2)竖向加速度相对于SMA顶层(P1-1、P2-1、P3-1)的衰减率，其结果如荷载同一传递路径下竖向加速度衰减率(括弧内为最小竖向加速度衰减率)所示：
Figure BDA0002432802150000072
根据以上三个试验记录的表格数据可以得出如下结论：
(1)SMA-FRP轨道结构减振效果明显。在荷载同一竖向传递路径下，SMA底层竖向加速度均较SMA顶层竖向加速度有较大的衰减。其中，SMA厚度为2.9cm时，试验结果显示竖向加速度衰减率最大可达53.74％，数值计算结果显示其竖向加速度衰减最大可达56.32％；SMA厚度为4.3cm时，该数值分别为55.00％、61.68％。由此可见，SMA-FRP轨道结构的减振效果是极其明显的，且随SMA厚度增加，实验数据得到的衰减率与数值计算得到的衰减率变化趋势具有一定的相似性。
(2)以最大(小)竖向加速度衰减率为指标的实验数据显示，其衰减趋势基本一致；数值计算结果显示，随SMA厚度的增加，SMA底层竖向加速度衰减基本达到稳定状态。分别对比图7—8可以看出，不同SMA厚度情况下，以最大(小)竖向加速度衰减率为指标的实验数据显示其衰减趋势基本一致；此外，由图9-10可以看出，随SMA厚度的增加，数值计算竖向加速度衰减率在SMA底层基本趋于稳定(渐呈一直线)，这也反映了SMA具有优异的减振性能。
(3)进一步验证了SMA厚度设计建议值的合理性。根据采样点最大/小竖向加速度试验数据统计表可以发现，SMA厚度为2.9cm时顶层最大(小)竖向加速度均大于4.3cm厚SMA顶层的竖向加速度，与表5.4中数值计算结果趋势基本一致，这说明SMA厚度为2.9cm时，仍可考虑增大SMA厚度以实现其减振效果更佳的目的，从而进一步验证了将SMA厚度下限确定为10cm具有一定的合理性。
(4)以最大(小)竖向加速度衰减率为指标反映的试验模型与数值计算模型具有一定可靠性。
由前述荷载同一传递路径下竖向加速度衰减率统计表也可以看出，试验厚度d＝2.9cm时，竖向加速度衰减率分别为53.74％、45.51％、46.98％(50.00％、45.07％、39.42％)，虽然较数值计算结果的变化偏大，但基本上处于40％～54％之间，数值计算结果显示最大(小)竖向加速度衰减率多处于52％～56％之间。而试验厚度d＝4.3cm时，竖向加速度衰减率分别为55.00％、46.21％、47.48％(53.28％、46.32％、40.60％)，基本上处于40％～55％之间，数值计算结果显示最大(小)竖向加速度衰减率多处于55％～62％之间，这些也都充分地说明了本发明所提供的隧道无砟轨道具有较高的可靠性。
对本发明所提供的减振基础结构，本实施例通过具体运用到隧道无砟轨道上的运用分析，基于有限元分析的理论数值分析以及实验室实际具体模型的承载减振试验分析来从理论和实践两个途径进行验证，充分地说明了本发明所提供的减振基础结构及其所具体运用到的隧道无砟轨道的科学合理性，从多个方面，客观地论述了其受力稳定可靠，减振性能优异的具体原因，并相应地阐述了其为何经济适用，便于制造和质量控制。本发明虽然所采用的材料均是现有建筑工程常见材料，结构层次也相对简单，但是，通过理论和实践的双重验证，明显可以看到本发明所产生的卓越有益效果，无论是从企业自身经济利益角度讲，还是从社会发展方向看，均十分值得推广运用。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种减振基础结构，其特征在于：包括至少一层SMA—FRP轨道结构层，所述SMA—FRP轨道结构层由上至下包括依次相接的FRP面层、SMA结构层、FRP基层，其中，FRP面层和FRP基层均由纤维增强复合材料制成，SMA结构层由沥青玛蹄脂制成。
2.根据权利要求1所述减振基础结构，其特征在于：所述FRP面层与SMA结构层之间、SMA结构层与FRP基层之间均采用环氧树脂类材料进行粘贴。
3.一种隧道无砟轨道，由上至下依次包括预制轨道板、仰拱回填层以及隧道本体，其特征在于：在所述预制轨道板和仰拱回填层之间还设有如权利要求1或2所述减振基础结构。
4.根据权利要求3所述隧道无砟轨道，其特征在于：当列车时速不大于100km/h时，所述SMA结构层的厚度为10～15cm。
5.根据权利要求3所述隧道无砟轨道，其特征在于：所述预制轨道板与FRP面层之间采用环氧树脂类材料进行粘贴。
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