高速鐵路40 m跨箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土試驗臺座設(shè)計與施工技術(shù)

伊立剛

(中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 102400)

為了滿足我國高速鐵路的建設(shè)需求，從2014年起，我國就已經(jīng)開始進行大跨度簡支梁的技術(shù)研究。2016年03月，鐵路總公司《高速鐵路大跨度簡支梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究》正式啟動，開始研究和推廣跨度40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。為了驗證40 m箱梁的結(jié)構(gòu)受力性能，需要模擬梁體在各種工況下的受力狀態(tài)，進行梁體加載試驗。由于需考慮的梁體工況繁多，加載力值大，加上40 m箱梁的自重大、跨度長，如何設(shè)計出一種既滿足試驗需求又便于施工的試驗臺座，成為了課題繼續(xù)進行的關(guān)鍵。

1 試驗臺座設(shè)計

1.1 設(shè)計要求及相關(guān)參數(shù)

(1)設(shè)計要求：①試驗臺座及配套工裝應(yīng)能滿足提供40 m箱梁各項加載試驗(包括梁體靜載試驗、運營性能試驗、抗裂性能試驗、破壞試驗、吊梁頂梁試驗及橋面板試驗等)所需試驗反力的要求。②臺座的強度、剛度、穩(wěn)定性需滿足要求。40 m梁加載級K=2.0級作用下，臺座上拱撓度f≤5.0 mm，臺座上緣拉應(yīng)力σ≤2.0 MPa。

(2)相關(guān)參數(shù)：①40 m箱梁全長40.6 m，跨度39.3 m，底板寬5.4 m，橋面寬12.6 m，支座間距4.4 m，線間距5.0 m，梁體自重925 t。②靜載試驗采用不同于現(xiàn)行32 m箱梁的7截面加載方案，加載截面間距為4 m，每個截面2個加載點，加載點橫向間距6 166 mm，K=1.20級(1.2倍設(shè)計荷載)對應(yīng)單點加載力值1 200 kN。③梁體破壞試驗K=2.0級(2.0倍設(shè)計荷載)下單點最大加載力值2 100 kN[1]。

1.2 場區(qū)工程地質(zhì)情況

除表層雜填土外，場區(qū)土體以卵石土為主，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)400～450 kPa，但土體結(jié)構(gòu)松散，邊坡穩(wěn)定性差，不利于基坑開挖或鉆孔打樁。

1.3 試驗臺座結(jié)構(gòu)選型

在鐵路箱梁預(yù)制中，試驗臺座的結(jié)構(gòu)型式，往往取決于靜載試驗架的選型。當(dāng)采用內(nèi)力自平衡式靜載試驗架時，試驗臺座僅起到基礎(chǔ)支撐作用，無須提供試驗反力，采用擴大基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)即可。當(dāng)采用門架式靜載試驗架時，試驗臺座需提供試驗反力，目前，主要有重反力式和抗拔樁式兩種。

(1)重反力式：試驗臺座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，依靠結(jié)構(gòu)自重來提供試驗所需反力。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，施工速度快；缺點是混凝土方量大，成本高。

(2)抗拔樁式[2]：抗拔樁為混凝土灌注樁或預(yù)制樁，依靠樁身與土體的摩擦力來提供試驗所需反力。優(yōu)點是施工速度快，混凝土方量較小，成本較低；缺點是在碎石土地基中樁身開挖困難，當(dāng)所需試驗反力較大時，樁長顯著增大，成本也顯著提高。

考慮到本項目的試驗需求和場區(qū)工程地質(zhì)情況，以上兩種型式的試驗臺座均不適用，因此，自行設(shè)計了一種魚腹式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土試驗臺座。

1.4 試驗臺座構(gòu)造及檢算

試驗臺座采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面形式采用魚腹式，兩端為實心矩形，中部為箱型，臺座整體外觀見圖1。

圖1 試驗臺座外觀

(1)各部尺寸：臺座全長43.0 m，高2.5～4.5 m，寬9.9～12.9 m，從臺座跨中向兩端設(shè)置7個橫隔板，橫隔板寬9.9 m、厚1.0 m、高4.5 m，布置加載反力預(yù)埋吊帶。各部尺寸詳見圖2?；炷量偡搅? 091 m3，混凝土標(biāo)號C40。普通鋼筋采用HRB400熱軋螺紋鋼筋，規(guī)格為?20 mm、?16 mm、?12 mm。

(2)預(yù)應(yīng)力布置：臺座內(nèi)布置6束預(yù)應(yīng)力束，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用15孔錨具，每束錨外張拉控制應(yīng)力為1 400 MPa，預(yù)應(yīng)力張拉荷載共計2 940 kN×6=17 640 kN。預(yù)應(yīng)力孔道直徑100 mm，采用金屬波紋管成孔。預(yù)應(yīng)力筋布置見圖2。

圖2 試驗臺座外形尺寸及預(yù)應(yīng)力鋼筋布置(單位：mm)

(3)預(yù)埋吊帶：在梁體加載試驗中，臺座內(nèi)的預(yù)埋吊帶用于與門架式靜載試驗架連接，將試驗反力傳遞給試驗臺座。為了滿足試驗需求，在臺座內(nèi)共預(yù)埋9組18根預(yù)埋吊帶。預(yù)埋鋼吊帶采用Q345鋼材。其中跨中左右的7組用于梁體靜載試驗、破壞試驗等，一端的2組用于模擬運架梁時梁端受力性能試驗。此外，在臺座兩端兩側(cè)布置有4處鋼管混凝土立柱，用于模擬提梁機提梁時梁端受力性能試驗。布置見圖3。

圖3 預(yù)埋吊帶及鋼管混凝土立柱布置圖(單位：mm)

(4)設(shè)計檢算情況：根據(jù)Midas Civil建模計算結(jié)果，試驗臺座在張拉、K=1.20級、K=2.0級的不同荷載工況下設(shè)計檢算結(jié)果見表1。

2 試驗臺座施工技術(shù)

試驗臺座施工工藝流程：基坑開挖與支護→混凝土墊層施工→預(yù)埋吊帶制作與安裝→鋼筋加工、綁扎→臺座主體混凝土施工→混凝土養(yǎng)護→預(yù)應(yīng)力張拉→管道壓漿→封錨→周邊土方回填壓實。

2.1 基坑開挖與支護

本工程基坑開挖深度2.4～4.4 m，基坑周圍無高大建筑，無地下管線，按照危險性較大的分部分項工程編制了基坑開挖專項施工方案。主要施工技術(shù)要點如下：

(1)在場區(qū)內(nèi)同時設(shè)置了3個平面測量控制基準(zhǔn)點和3個水準(zhǔn)測量基準(zhǔn)點，使用全站儀進行基坑平面位置的測量放樣，使用水準(zhǔn)儀進行高程的測量控制。

(2)基坑開挖至上而下水平分層分段進行，總體上分4層，每層1 m左右。

(3)基坑邊坡采用土釘墻掛網(wǎng)噴漿支護，每層開挖完成后，即在邊坡土體內(nèi)打入土釘進行加固，土釘采用?16 mm螺紋鋼筋，土釘長2 m，土釘間距2 m，土釘與邊坡表面垂直，土釘墻表面掛鐵絲網(wǎng)(規(guī)格：重60刀)，表面噴水泥砂漿支護，砂漿厚度不小于60 mm，鐵絲網(wǎng)的搭接長度不小于300 mm。

(4)先以挖掘機挖至坑底設(shè)計標(biāo)高以上20～30 cm，然后人工清理至設(shè)計標(biāo)高，以免擾動基底，確保地基承載力。隨后，使用挖掘機碾壓基底2～3遍，保證基底平整密實。開挖完成后，為避免基底長時間暴露，要立即澆筑混凝土墊層，墊層采用C30混凝土，厚度150 mm。

2.2 預(yù)埋吊帶制作與安裝

(1)預(yù)埋吊帶鋼材采用Q345B，焊條采用T506或T502焊條。為確保焊縫內(nèi)部均勻穩(wěn)定，采用分層施焊工藝，第1層焊縫選用較細的焊條，以確保角點處焊接質(zhì)量。每層焊縫全部完成后再進行下一層的焊接。焊接后鋼吊帶應(yīng)保持平整與順直，外形尺寸容許誤差為±2 mm，鉆孔定位容許誤差為±1 mm。

(2)鋼吊帶安裝采用吊車輔以人工配合進行，為確保安裝定位精度，由測量人員使用全站儀和水準(zhǔn)儀精確控制鋼吊帶的位置和標(biāo)高，符合要求后焊接固定；同時考慮到鋼吊帶高度達5 m，為避免由于鋼筋綁扎、混凝土澆筑等原因?qū)е落摰鯉x設(shè)計位置，在相鄰的鋼吊帶之間使用拉桿進行連接固定(見圖4)，增加整體穩(wěn)定性。

圖4 預(yù)埋鋼吊帶安裝

2.3 鋼筋綁扎

(1)施工縫處(南北兩端實心段與中段連接處)縱向受力鋼筋的連接采用單面搭接焊，焊縫長度不小于10d；其余部位縱向受力鋼筋的連接均采用搭接綁扎，最小搭接長度為40d。

(2)預(yù)應(yīng)力管道成孔采用預(yù)埋金屬波紋管成孔，為保證管道中心位置準(zhǔn)確，專門設(shè)計有管道定位網(wǎng)片，網(wǎng)片采用?10 mm圓鋼制作，設(shè)置間距不超過500 mm。

(3)為檢測試驗臺座在張拉和加載試驗時的實際受力情況，驗證設(shè)計效果，在臺座跨中頂板上層(跨中偏南2 m處)和分段澆筑施工縫處(距北端11 m)分別預(yù)埋了8根和2根振弦式應(yīng)變計，布置位置如圖5所示。

圖5 振弦式應(yīng)變計布置(單位：mm)

2.4 臺座主體混凝土施工

由于試驗臺座幾何尺寸較大，總混凝土方量達到1 091 m3，為了便于施工，同時更好的控制大體積混凝土的施工質(zhì)量，在綜合考慮臺座受力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將試驗臺座分為5個部分，按照底板→中段腹板→北端實心段→南端實心段→中段頂板的順序進行施工。施工過程見圖6。

圖6 臺座主體混凝土施工

2.5 預(yù)應(yīng)力張拉

臺座張拉采用兩端同步對稱張拉工藝，張拉順序為N1→N3→N2，錨外張拉控制應(yīng)力為1 400 MPa。張拉用千斤頂及油壓表經(jīng)配套檢定合格，張拉以張拉力控制為主，伸長值作為校核。

張拉過程中，對試驗臺座的應(yīng)力及變形情況進行了監(jiān)控。每張拉2根鋼絞線讀1次應(yīng)變讀數(shù)，1#測點累計應(yīng)變-39，2#測點累計-23，3#測點累計-17，9#測點累計-35，10#測點累計-54。其余測點數(shù)據(jù)無效。按照彈性模量35 GPa換算，各應(yīng)變測點處實測推算應(yīng)力分別為1#測點-1.37 MPa，2#測點-0.81 MPa，3#測點-0.60 MPa，9#測點-1.23 MPa，10#測點-1.89 MPa。有效測點推算應(yīng)力平均值為-0.93 MPa。使用精密水準(zhǔn)儀測量的跨中下?lián)狭繛?.0 m，與設(shè)計結(jié)果基本相符(見表1)。

2.6 管道壓漿和封錨

表1 不同工況下試驗臺座應(yīng)力與變形統(tǒng)計表

注：①拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。②反力臺座每個單元節(jié)段長度0.5 m、寬度9 m。假定地基對臺座結(jié)構(gòu)每節(jié)點的支撐剛度為105kN/m。

臺座張拉完成24 h后，檢查鋼絞線無滑絲現(xiàn)象，使用機械切割的方式切斷多余的鋼絞線。隨后，在張拉結(jié)束后48 h之內(nèi)進行管道壓漿，壓漿材料選用管道壓漿料，設(shè)備采用全自動壓漿臺車，使用真空輔助壓漿工藝，確保壓漿飽滿密實。封錨采用干硬性補償收縮混凝土，封錨完成后覆蓋薄膜保濕養(yǎng)護。

3 試驗臺座實際應(yīng)用

8月中旬完成試驗臺座施工，11月至次年2月，在試驗臺座上陸續(xù)進行了40 m箱梁的各項加載試驗(見圖7)，包括梁體靜載試驗、運營性能試驗、抗裂性能試驗、破壞試驗、吊梁頂梁試驗及橋面板試驗等。

圖7 梁體加載試驗

對K=1.20級和K=2.0級加載荷載下試驗臺座的應(yīng)力和變形情況進行了跟蹤測量，數(shù)據(jù)見表1。

從表1可看出，試驗臺座的應(yīng)力及變形控制均達到了設(shè)計要求。實踐表明，試驗臺座的強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足試驗需求，保障了研究課題的順利進行。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的重反力式試驗臺座和抗拔樁式試驗臺座相比，魚腹式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土試驗臺座可以減少混凝土用量，造價更低，并且受工程地質(zhì)條件的影響較小，適用范圍更廣。對于使用門架式靜載試驗架的預(yù)制梁場或試驗工況較多、加載力值大的項目，具有一定的推廣應(yīng)用價值。