铁路预应力混凝土箱形梁上复合材料整体电缆槽和遮板研究

曾志斌，李再轲，吕文丽

（1.高速铁路系统试验国家工程实验室，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

电缆槽和遮板属于铁路预应力混凝土箱形梁（以下简称箱形梁）的桥面附属设施，分别采用现浇和预制钢筋混凝土结构，现浇施工周期较长，预制件安装时需要大型起重设备，制造质量难以保证。箱形梁桥面附属设施轻质化研究的重点是减轻电缆槽和遮板的质量，做到装配化、工厂化、标准化施工。采用复合材料制作电缆槽和遮板，拓展了设计思路，为桥面附属设施的少维护甚至免维护提供了新的选择。

1 箱形梁桥面附属设施简介

箱形梁桥面附属设施是指位于防护墙外侧、悬挑翼缘上表面、除接触网立柱及其基础之外的所有结构，由电缆槽及其盖板、遮板、栏杆（包括立柱和扶手）或声屏障组成，如图1所示。

图1 铁路预应力混凝土箱形梁桥面附属设施的组成

电缆槽包括竖墙A和竖墙B，为钢筋混凝土结构，槽内设防水层，一般采用现浇施工。电缆槽盖板为预制钢筋混凝土板或预制RPC（reactive powder concrete，活性粉末混凝土）板。遮板安装在箱形梁两侧边缘，采用预制钢筋混凝土构件。栏杆为钢结构或预制钢筋混凝土结构，安装于遮板之上。

声屏障是为减轻行车噪声对附近居民的影响而设置在铁路侧边的墙式构造物，分2种形式：

1）直接采用预制钢筋混凝土构件，可与遮板制成一体；

2）采用金属立柱+隔音板，金属立柱安装于遮板之上，隔音板插入金属立柱之间。

电缆槽主要作为通信信号等线缆的通道，其承受的荷载除自重外，主要是由盖板传递来的人群活载、临时放置的轨枕和钢轨、小型施工工具等活载。遮板作为栏杆或声屏障的载体，兼有防止雨水流入桥面和美观的作用。其承受的荷载除自重外，主要是由栏杆或声屏障传递来的弯矩，该弯矩由人倚靠栏杆、风活载作用于栏杆或声屏障而产生。

2 复合材料桥面附属设施设计方案

针对既有箱形梁桥面附属设施采用钢筋混凝土构件时施工周期较长、重量较大、制造质量不好控制等问题，研究了全部采用复合材料制作桥面附属设施的方案，作为采用钢筋混凝土构件设计方案的一种补充［1-3］。具体思路如下：

1）栏杆的立柱和扶手全部采用拉挤成型复合材料制成，直接安装于箱形梁悬挑翼缘最外侧边缘。

2）电缆槽和遮板作为整体，采用玻璃纤维增强泡沫夹心结构，真空灌注一次成型。由于遮板不再作为栏杆的载体，只是起防止雨水流入桥面和装饰作用，因此其截面可以优化。

3）电缆槽盖板采用拉挤成型复合材料制成，由于质量较轻，为了防止其在风活载或者列车通过时产生的负压力作用下被掀翻，故将其安装于电缆槽的卡槽内。

3 构造细节

复合材料整体电缆槽和遮板由竖墙A、竖墙B、竖墙C、底板和遮板组成（见图2）。电缆槽的3 道竖墙用来支撑盖板，故须有足够的强度和刚度。将整体电缆槽和遮板制成空腔形式，内面填充泡沫，所有荷载均由外壁承受。竖墙A和竖墙C靠近上端设置有框形卡槽，供安装整块复合材料步行板，竖墙B顶面与卡槽下缘平齐以支撑步行板。在竖墙A 和遮板侧栏杆位置设有供栏杆穿过的孔。对应箱形梁上泄水孔位置在竖墙B 和竖墙C 与底板交接处设置泄水孔。竖墙C中间部位卡槽上缘设置成活动板，方便抽换步行板。

图2 复合材料整体电缆槽和遮板结构示意

复合材料整体电缆槽和遮板的竖墙C处上设置与防护墙连接用的螺栓孔，在栏杆底座设置压板，将电缆槽底板扣压在箱形梁的悬挑翼缘上，如图3所示。

根据箱形梁长度将整体电缆槽和遮板分成几个标准节段和调整节段，标准节段长度可设置为8 m。

图3 栏杆底座、整体电缆槽和遮板与箱形梁悬挑翼缘的连接

4 受力分析

4.1 计算模型

将整体电缆槽和遮板与盖板一起考虑，即活载作用于盖板之后传递给整体电缆槽和遮板。

首先采用三维建模软件建立整体电缆槽和遮板与盖板的几何模型（见图4），并对实际结构进行了一定程度的简化，去除了一些倒角、倒圆、小孔等对计算影响很小的构造。然后采用ABAQUS V11.0 软件对几何模型作网格划分，进行有限元计算分析［4］。

图4 整体电缆槽和遮板与盖板有限元计算模型

4.2 计算荷载和边界条件

施工临时荷载：按照我国TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［5］，人工养护的线路考虑堆砟荷载，盖板上表面施加均布荷载为10 kPa。

边界条件：约束电缆槽底板的上下自由度和竖墙C的水平自由度；将竖墙A、竖墙B、遮板与电缆槽设置为绑定，盖板的两端支撑与竖墙A 和竖墙C、中间与竖墙B设置为绑定。

4.3 材料参数

所有材料参数均来自于从成品上取样的实测值。箱梁底板由面板、线槽、竖墙A、竖墙B和遮板组成。

1）盖板的主要参数：E1=9 GPa，E2=E3=2.5 GPa，V23=1 000 MPa，V12=V13=1 200 MPa，u23=0.3，u12=u13=0.217。其中，E为弹性模量，G为剪切模量，u为泊松比。角标1 为纤维方向（横桥向），角标2 为宽度方向（顺桥向），角标3为铺层方向。

2）整体电缆槽和遮板外壁的主要参数：E1=E2=20 GPa，E3=3.5 GPa，u12=u13=0.217，u23=0.3，G12=G13=G23=1 200 MPa。

3）整体电缆槽和遮板夹心泡沫的主要参数：E=60 MPa，u=0.3。

4.4 计算结果

对计算结果进行后处理时，由于螺栓孔周边存在应力集中，故不提取该处的应力。

整体电缆槽和遮板外壁的Von Mises 应力云图和位移云图如图5 所示。可知：最大Von Mises 应力为23.54 MPa，最大位移为0.63 mm，均发生在竖墙A与底板连接部位。外壁材料的实测强度为350 MPa，安全系数为14.87。

图5 外壁应力和位移云图

整体电缆槽和遮板夹心泡沫的Von Mises 应力云图和位移云图如图6 所示。可知：最大Von Mises 应力为0.54 MPa，位移为0.63 mm，均发生在竖墙A 的卡槽部位。泡沫材料的实测强度为2 MPa，安全系数为3.71。

图6 夹心泡沫应力和位移云图

5 实际使用情况

2016年11月，新研制的复合材料整体电缆槽和遮板与复合材料步行板、复合材料栏杆一起在北京某处40 m预应力混凝土箱形梁上试用（见图7），至今已满2年。现场检查没有出现开裂等病害，效果良好［6］。

图7 整体电缆槽和遮板在40 m预应力混凝土箱形梁上试用

6 结语

现有箱形梁桥面附属设施主要采用预制和现浇钢筋混凝土结构，施工周期长，质量难以控制，且容易劣化，需要经常检查和维修。作为桥面附属设施重要组成部分的新型轻质复合材料整体电缆槽和遮板的研制成功，为箱形梁桥面附属设施的工厂化、装配化和标准化施工，以及少维护甚至免维护提供了新的选择。