高速鐵路預制箱梁內(nèi)模上浮病害治理研究

白一凡

(中鐵十四局集團房橋有限公司，北京 102400)

預應力混凝土箱梁結構占新建高速鐵路橋梁的90%以上，因此箱梁的設計、施工、質量保證體系等每一工作環(huán)節(jié)的精心落實對高速鐵路的安全運營都具有重要的意義。在箱梁預制過程中，箱梁尺寸精度最難控制的問題之一是內(nèi)模的固定。箱梁腹板混凝土薄而高,而內(nèi)模又是一個整體,混凝土在澆筑、振搗過程中對內(nèi)模的作用力(浮力)非常大而使其上浮[1-2]。箱梁內(nèi)模上浮容易造成箱梁底板混凝土過厚、頂板厚度不足、梁面超高，同時很容易使箱梁兩側腹板厚度不一致。其中，梁體頂板厚度不足，容易造成橋面的承載力不足，形成重大安全隱患；而頂面超高需要對其進行打磨處理，需投入大量的人力、物力，造成箱梁頂板質量缺陷和成本浪費。

高速鐵路預應力箱梁生產(chǎn)中，控制箱梁內(nèi)模使其保持正確位置這一問題始終困擾著梁場、一直難以解決，國內(nèi)對這方面的研究較少，模板生產(chǎn)廠家也沒有可靠實用的措施。本文介紹了一種實踐中研發(fā)的新型內(nèi)模固定工裝，防止箱梁內(nèi)模出現(xiàn)上浮，為高質量、高標準的箱梁生產(chǎn)提供了有力保障。

1 梁體上浮病害統(tǒng)計

1.1 測量方案

為保證測量結果能真實有效地反映內(nèi)模上浮情況，將箱梁底板底到頂板底的距離作為測量對象。根據(jù)梁體構造特點，除兩端外，梁體內(nèi)部數(shù)據(jù)均需要通過泄水孔進行測量?？缍?1.5 m 預制無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁(通橋(2016)2322A-II-1)底板泄水管共16個，沿梁體縱向中線左右對稱布置，距梁體跨中分別為1 m、5 m、9 m和11.7 m。結合梁體最易出現(xiàn)內(nèi)模上浮的位置，本次每孔梁測點選取8個點，分別為跨中4個泄水孔處以及距跨中9 m的4個泄水孔處，測點位置如圖1所示。

圖1 測量點位置

1.2 測量數(shù)據(jù)收集

理論標準段底板底到頂板底距離為2 750 mm。本次箱梁內(nèi)模上浮測量分3個批次，各批均為40片梁，共計120片梁，批次1底板至頂板高度平均值統(tǒng)計見圖2。

圖2 批次1測量數(shù)據(jù)

由于內(nèi)模上浮，120片箱梁的底板底到頂板底距離都超出了標準值2 750 mm，內(nèi)模最小上浮值4.75 mm、最大上浮值28.25 mm、平均上浮值16.00 mm，內(nèi)模上浮現(xiàn)象比較普遍。

2 箱梁內(nèi)模上浮原因分析

混凝土澆筑過程中內(nèi)模板所受浮力為箱梁模板上浮的主要原因。在模板等結構設計中，混凝土浮力常常被忽略，然而在施工中，由于混凝土浮力引起的模具、預埋件及鋼筋等上浮現(xiàn)象屢見不鮮。而由于混凝土的特殊性質，混凝土不是全流態(tài)、自身的粘結力能抵消部分浮力、早期澆筑的混凝土會發(fā)生初凝等因素,故公式F浮=G排=ρgV排并不適用于混凝土浮力的計算[3]。模板浮力計算采用側壓力原理，P=γh。式中：P為對模板的最大側壓強(kN/m2);γ為混凝土的重力密度(kN/m3)；h為混凝土側壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度(m)。內(nèi)模板斷面如圖3所示，受力簡圖如圖4所示。

圖3 內(nèi)模斷面

圖4 內(nèi)模上浮受力示意圖(單位：mm)

下斷面S1兩側倒角中部的側壓強P1=γH1=24.5 kN/m3×1.97 m=48.265 kN/m2。

中斷面S2兩側倒角中部的側壓強P2=γH2=24.5 kN/m3×0.91 m=22.295 kN/m2。

下導面長度L1=0.583 1 m,下側與水平線夾角α的余弦值cosα=0.857 5;中斷面導面長度L2=1.876 m,中斷面導面與豎直線夾角β的正弦值sinβ=0.242 5。

模板浮力F浮=PS=(P1L1cosα+P2L2sinβ)×33.2 m(模具長)×2(兩側)=2 275.97 kN[4]。模板重量G重=550 kN。合力F合=F浮-G重=1 726 kN。內(nèi)模承受合力1 726 kN(方向向上)，需采取必要措施防止內(nèi)模上移。

3 內(nèi)?？股细⊙b置設計

目前箱梁生產(chǎn)內(nèi)模(構造如圖5所示)采用下桁架滑導、油缸頂升技術，內(nèi)模入模后采用油缸預頂就位、絲杠固定的措施控制內(nèi)模相對位置，沒有專用的防內(nèi)模上浮裝置。此種狀態(tài)下內(nèi)模在混凝土灌注時受混凝土浮力影響產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，且越到跨中情況越嚴重。內(nèi)模上浮對梁體不論從實體質量還是到外觀質量都有很大影響。

圖5 箱梁內(nèi)模板澆筑狀態(tài)縱斷面

為控制內(nèi)模上浮，保證箱梁整體質量和受力狀態(tài)，設計了內(nèi)模防上浮連接裝置[5]，包括防上浮拉桿、內(nèi)模支腿自動鎖緊結構以及底模加強連接部分。

3.1 防上浮拉桿

內(nèi)模與底模之間依次為頂升裝置、內(nèi)模支腿扁擔梁和內(nèi)模支腿。內(nèi)模與內(nèi)模支腿扁擔梁之間為油缸固定，頂升油缸頂升到位后上下導梁之間位置固定不會進一步伸長。頂升裝置的下導梁與內(nèi)模支腿扁擔梁之間采用防上浮拉桿連接裝置，一端固定可旋轉，另外一端采用螺母鎖緊。連接裝置結構見圖6。

圖6 連接裝置結構

3.2 內(nèi)模支腿固定裝置

內(nèi)模扁擔梁與底模板之間采用內(nèi)模支腿固定裝置連接(如圖6所示)。在底模板支腿連接位置開孔并在四周進行加固處理，內(nèi)模支腿下端設計為倒T型結構，使用時支腿插入底模板后旋轉90°完成自動鎖緊，取代了操作人員進入底模板下進行上螺栓的操作，扁擔梁與支腿間采用螺栓緊固。

3.3 制梁臺座基礎加強固定

將內(nèi)模浮力通過底模板傳導到制梁基礎，需要加強底模板與基礎連接。由于內(nèi)模上浮跨中位置位移最大，在跨中位置處進行底模板加強固定，在制梁臺座基礎跨中處設置6個固定預埋件(見圖7)，橫橋向兩排，各3個，橫橋向間距1.4 m，順橋向間距1.0 m。

圖7 制梁臺座基礎示意圖

預埋件與對應底模之間采用鋼結構連接件進行連接，進一步加強固定。

4 效果檢驗

分別測量40片梁采用措施前后內(nèi)模跨中位置相對于固定基準點的標高數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析確定措施效果。

4.1 對比測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本次共計測量40片梁的上浮情況，底板底到頂板底之間高度數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 采用措施后測量數(shù)據(jù)

(1)上浮量對比：采取防上浮裝置后內(nèi)模平均上浮8.4 mm，相比采用防上浮裝置前上浮量(16 mm)減小接近一半，其中最大為20.75 mm，最小為1.5 mm。

(2)上浮區(qū)間對比：按照每5 mm一個區(qū)間進行對比，具體如表1所示。

表1 防上浮裝置使用前后數(shù)據(jù)對比

未采取措施前加權平均上浮數(shù)值：(3×10+13×15+11×20+13×25)mm/40=19.25 mm。采取措施后加權平均上浮數(shù)值：(1×0+9×5+15×10+10×15+3×20+1×25)mm/40=10.75 mm。由對比數(shù)據(jù)可以看出：使用裝置后上浮量明顯降低，本裝置可以較好的減少內(nèi)模上浮。

4.2 可行性驗證

采用BIM建模導入midas FEA軟件對內(nèi)模板進行有限元分析，模板受到合力作用時，建立內(nèi)模底部結構模型，將內(nèi)模頂部固定，分析結果如圖9所示。

圖9 有限元分析結果

內(nèi)模中部變形0.01 mm，角部最大變形量為5.5 mm；事實上內(nèi)模有各個方向的液壓撐桿約束，變形會很小。

通過BIM軟件模擬，增加防上浮裝置可以有效控制內(nèi)模上浮量，而模具變形情況也很小。

5 結論

本文針對鐵路箱梁生產(chǎn)過程中內(nèi)模上浮控制進行試驗研究，對箱梁模具工裝在原有基礎上進行了改造，得到結論如下：

(1)通過設計自動鎖止工具，增加防上浮拉桿，加強底模板與制梁臺座基礎連接，將混凝土上浮力直接傳遞到制梁臺座中，拆模時通過自動落鎖工具完成拆除動作，避免了工人鉆到模具底部進行操作。

(2)采用防上浮裝置后，平均上浮量減小近一半。此防上浮技術，可有效防止箱梁澆筑時內(nèi)模上浮，并且具有操作簡單、造價低等特點，為國內(nèi)同類型產(chǎn)品的內(nèi)模上浮問題提供了成熟有效的解決方案。對于其他精度要求比較高的混凝土預制構件的生產(chǎn)也有一定參考作用。