弹性体伸缩缝在城市轨道交通中的应用研究

王乐然，牛斌

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

弹性体伸缩缝在城市轨道交通中的应用研究

王乐然，牛斌

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

通过对城市轨道交通高架桥常用梁型和跨度的混凝土简支梁梁间接缝变形的分析，结合国家轨道中心轻轨试验线U形和T形梁梁间接缝的防水密封工程，在理论和施工工艺上证实了TTXF型弹性体伸缩缝应用于城市轨道交通高架桥梁接缝密封的可行性，并对其应用效果进行了3年的跟踪调查，至今弹性体伸缩缝材料状态良好，与混凝土梁粘接牢固，雨雪天气未出现梁间接缝渗漏水现象。本文的研究结果可为城市轨道交通混凝土高架桥梁端防排水工程提供参考和技术支撑。

城市轨道交通 桥梁 弹性体 伸缩缝

由于高架线路投资经济、施工快捷、运营成本低、线路适应性良好，在城市轨道交通建设中得到了广泛的应用，其中以预应力混凝土简支梁为主要结构。

工程实践表明，混凝土桥梁结构在外部环境长期的使用过程中极易出现碱骨料反应、混凝土碳化、钢筋电化学锈蚀、酸雨破坏、冻融循环等耐久性病害，这些病害的产生、发展均与水有关，因此采取有效的防排水措施是提高结构耐久性、保证轨道交通安全运营的重要手段［1］。我国地铁相关规范规定:桥面应设防水层;梁缝处应设伸缩缝，伸缩缝除保证梁部能自由伸缩外，还应有效防止桥面水渗漏［2］。我国高速铁路普遍采用橡胶止水带伸缩装置［3］，但该装置安装、维修和更换困难，严重影响了装置的使用寿命和防排水质量。德国Maurer公司研制的Betoflex树脂混凝土，将边梁的锚固增加粘接工序，提高了施工质量和减震降噪性能。日本的MS和SILICON系列密封胶已在日本高速铁路桥梁防排水工程中得到了成功的应用。硅酮密封胶早在上世纪八十年代就应用于欧美的机场、公路等工程的大变形混凝土接缝密封［4］。CPU弹性体材料在我国高速铁路桥梁接缝密封工程中已经得到了成功应用［5］。本文在相关研究的基础上，通过理论分析计算和工程实践对轨道交通高架桥使用“非固定式”弹性体伸缩缝的可行性和适用性进行了分析。

1 梁间接缝变形情况分析

我国的城市轨道交通，除了特殊区段外，高架桥梁的结构形式也逐渐趋于统一，但目前尚无标准图或通用图。随着城市轨道交通项目的持续开展，国内相关科研单位和设计单位从线路适应性、受力性能、结构变形、施工因素以及经济性等多方面对桥梁的结构形式、跨度进行了比较选择［6-8］。已开通运营的线路中，高架桥梁有箱形、并置T形、U形、空心板式以及下承脊式等多种梁型结构，简支体系跨度一般在40 m以下，连续体系通常采用3×25 m和3×30 m两种跨度组合。工程实践和研究结论均显示，30，25 m标准跨度的双箱单室组合和单箱单室预应力混凝土简支箱形结构的综合性能最优，应用最广。城市轨道交通高架桥梁在受力特点、结构形式等方面与高速铁路桥梁非常相似:①桥面均铺设轨道结构，列车荷载相对公路汽车荷载较大，且不直接作用于梁部;②梁轨间相互作用导致梁部受力较为复杂;③线路平顺性及行车的安全和舒适性较高，线路变形控制严格，桥梁上部及下部结构刚度较大，基础沉降小。

影响混凝土桥梁梁间接缝密封的因素有二期恒载、预应力混凝土的收缩徐变、列车动活载、整体温度力以及列车引起的纵向力。二期恒载和预应力混凝土的收缩徐变引起接缝的永久变形，属于主力恒载;列车动活载和整体温度力引起接缝的动态变形，属于主力活载;纵向力属于附加力，所引起的接缝变形不经常发生。

城市轨道交通的列车荷载集度要远小于铁路列车荷载集度，地铁设计标准规定，城市轨道交通高架桥梁的设计荷载采用实际运营列车荷载，常见车型的设计荷载分为A型、B型、C型3种(图1)。

国内有研究对A型、B型、C型车辆荷载与UIC设计荷载进行了对比。研究结果显示，从荷载的静动效应，同时考虑未来车辆的发展，0.6UIC荷载能够替代目前城市轨道交通常用车辆设计荷载，并留有余量［9］。本文车辆荷载引起的梁间接缝的变形按照0.6UIC荷载进行计算，梁缝宽度按照7 cm计算。

根据上述计算分析和规定，得出城市轨道交通高架线路常用跨度混凝土简支结构接缝最大变形情况，见表1。其中主力恒载引起的接缝永久变形最大伸长率为+24.76%，主力活载引起的动态变形最大伸长率分别为+4.09%(列车动荷载)，+23.14%(温度活载)，附加力荷载引起的最大伸长率为+15.47%。相比高速铁路混凝土简支梁梁间接缝变形，城市轨道交通高架桥梁梁间接缝的变形量与之基本相当。为验证适用于高速铁路混凝土桥梁梁间接缝密封的TTXF型弹性体伸缩缝在城市轨道交通领域的可行性和适用性，课题组于2011年10月份在位于北京东北五环的轻轨试验环线进行了TTXF型弹性体伸缩缝安装施工。

图1 城市轨道交通车辆设计荷载

表1 城市轨道交通高架线路常用跨度简支梁桥接缝伸缩(率)统计

2 验证性应用

国家轻轨试验线新建于中国铁道科学研究院国家轨道试验中心，正线与既有大环试验线并行，线上有高架桥、隧道、小半径曲线等各种形式的试验段。高架桥为单线桥，位于城轨试验线的西侧，设计里程为K7+ 573.351—K8+359.534，线路纵坡25‰～28‰，总长约786 m，均为简支结构，共计54片29跨，其中30 m的T梁32片、25 m的T梁18片、25 m的U形梁4片。原设计梁间接缝使用C80，C100型耐腐合金止水带伸缩缝，共计140.40 m。

为验证TTXF弹性体伸缩缝在城市轨道交通高架桥上的适用性，选定在U形梁和T形梁上使用弹性体伸缩缝替代原设计，梁间接缝分为U-U梁接缝、U-T梁接缝两种，见图2。弹性体伸缩缝安装施工环境温度为15℃。根据原设计，试验线上两种梁型梁端均设有现浇挡水台，因此将弹性体伸缩缝浇注于两挡水台之间，同时可根据需要在现浇挡水台时预留槽口，以方便弹性体伸缩缝的安装。

图2 TTXF弹性体伸缩缝设计示意

主要施工步骤有混凝土基面处理、衬垫定位及安装、底涂料涂刷、弹性体浇注、面涂料喷涂、挡水凸台二次浇注以及过程中的覆盖养护，详述如下。

1)由于现场预留槽口尺寸较小导致表面混凝土出现蜂窝麻面，选择使用手持式混凝土打磨设备进行混凝土基面处理，将薄弱、疏松或破碎的表面混凝土清除，并清理表面的浮土、浮锈、脱模剂、油污等污物。

2)试验线上为分块式轨道结构，选择实心PP棒材(直径不小于20 cm)，作为弹性体伸缩缝的底衬材料，安装时要求成形面平顺、无接头。安装完成后，检查衬垫的定位尺寸，预留空腔尺寸不得小于设计要求。

3)底涂料为本弹性体材料专用的界面处理剂，涂刷面应均匀、不露底面、不堆积，并至少大于粘接面外轮廓，涂刷完成后覆盖养护。

4)TTXF型弹性密封材料，由A，B组分在现场浇注机内恒温混合而成。混合完成后，可选择人工或机械方式进行浇注，浇注过程中避免带入空气，随时注意除泡，配制好的液态密封材料应在30 min用完，随用随配，保证浇注过程的连续性(图3)。浇注完成后覆盖养护，确保密封材料外观的清洁、干燥。

图3 TTXF弹性体伸缩缝浇注施工

5)浇注完成12 h以内，且胶面不黏手时，进行面涂料喷涂，喷涂完成后继续覆盖养护至材料实干，养护中避免水份、灰尘、杂质落入，并防止机械损伤。

6)为保证桥面积水不在伸缩缝两端漫流至桥下，可在弹性体实干后进行挡水凸台的二次浇注，凸台高于伸缩缝表面2 cm。

3 结语

国家轨道中心轻轨试验线高架桥弹性体伸缩缝施工完成至今已近3年，课题组在冬夏季，雨雪天气等特殊气候条件下对弹性体伸缩缝的使用状况进行了跟踪调查，发现伸缩缝在多种因素的共同作用下，在保证梁端长期防水密封质量的前提下完全可以满足桥梁伸缩变形的要求，安装施工和后期养护方便快捷，解决了目前常用的固定式伸缩装置质量受施工因素影响大，且安装、维修不便，基本无法更换的实际困难，为城市轨道交通高架桥梁梁间接缝的防水密封提供了新技术和新材料。

［1］殷宁骏．高速桥梁的耐久性［J］．铁道建筑，1997(7):9-12．

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部．GB/T 50157—2003地铁设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2003．

［3］张军．客运专线桥面附属设施设计研究［J］．铁道标准设计，2007(2):54-56．

［4］袁素兰，卢麟，邹百军，等．低模量高伸长率硅酮密封胶在混凝土接缝防水中的应用［J］．城市道桥与防洪，2007 (5):65-68．

［5］牛斌．京沪高速铁路桥梁弹性体伸缩缝应用试验研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2011．

［6］姚亚茹．轨道交通高架区间桥梁形式比选与经济比较［J］．铁路工程造价管理，2006，26(2):41-44．

［7］曹玉忠，柳学发．城市轨道交通高架桥特点与设计对策［J］．铁道标准设计，2007(8):60-63．

［8］方昌福，胡京涛，陈罄超．城市轨道交通高架线的设计研究［J］．铁道工程学报，2006(5):91-96．

［9］徐志发．城市轨道交通桥梁设计活载图式研究［J］．交通科技，2010(2):94-96．

Study on application of elastomer expansion joints in structures of urban transit system

WANG Leran，NIU Bin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he article mainly analysed the deformation between adjacent concrete simply-supported bridge spans in urban rail traffic，and focused on engineering application of T T XF elastomer expansion joint in light-rail testing line in which there were U-type Beam and T-type Beam．T he effect had been tracked for 3 years．T he results showed that the elastomer material of bridge expansion joints had been in good condition，and it attached to the concrete girders tightly without leakages in rainy or snowy days．T he T T XF elastomer expansion joint applied in bridge joints seals in urban rail traffic proved feasible and it can provide technical support for the similar engineering．

Urban rail traffic;Bridge;Elastomer;Expansion joint

U443.31

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．02

1003-1995(2015)04-0006-03

(责任审编周彦彦)

2014-09-10;

2015-01-15

王乐然(1979—)，男，河北献县人，助理研究员，硕士。