客運(yùn)專線梁場(chǎng)制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

王國(guó)欣,肖緒文,敖長(zhǎng)江

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200122; 2.中國(guó)建筑股份有限公司,北京 100037)

1 概述

客運(yùn)專線制梁臺(tái)座是箱梁預(yù)制施工的主要施工平臺(tái)。模板安裝、鋼筋籠安裝及其連接、梁體混凝土灌注與養(yǎng)護(hù)、預(yù)張拉、初張拉等多道施工工序均在制梁臺(tái)座上完成,通常制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)需根據(jù)預(yù)制箱梁及地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)目前我國(guó)客運(yùn)專線混凝土箱梁設(shè)計(jì)梁型的特點(diǎn),一般預(yù)制雙線箱梁(單箱單室或單箱雙室)的長(zhǎng)度為32 m,底寬5.5～6.5 m,高度2.7～3.05 m,質(zhì)量720～860 t,如哈大、石武、滬杭客運(yùn)專線采用了通橋2322的梁型,32 m的箱梁質(zhì)量約860 t,而長(zhǎng)吉城際鐵路、漢孝城際鐵路采用了通橋2224的梁型,32 m箱梁質(zhì)量約720 t[1～2]。

制梁臺(tái)座結(jié)構(gòu)通常采用的是3道承臺(tái)梁(或連續(xù)墻)的結(jié)構(gòu)形式[3～4]。根據(jù)不同地質(zhì)條件,采用不同的地基處理措施,對(duì)于軟弱的高壓縮性土地基,通常采用深基礎(chǔ)或地基加固[5]；而當(dāng)?shù)鼗鶠檩^好的中低壓縮性土?xí)r,可考慮采用淺基礎(chǔ),如擴(kuò)展基礎(chǔ)或筏形基礎(chǔ)等,上部均采用剛度承臺(tái)梁(或連續(xù)墻)形式[3]。如京津城際鐵路5號(hào)制梁場(chǎng)采用是樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式[5],而哈大客運(yùn)專線昌圖梁場(chǎng)采用了淺基礎(chǔ)及復(fù)合地基的形式[6]。

在進(jìn)行制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前,首先需清楚箱梁預(yù)制過(guò)程中對(duì)制梁臺(tái)座的作用力,通常作用力可分為兩個(gè)主要階段,第一階段：澆筑混凝土完畢至未張拉,即平均受力狀態(tài)階段；第二階段：初張拉完畢到提梁之前,此時(shí)荷載逐漸向制梁臺(tái)座兩端集中,即應(yīng)力重分布狀態(tài)階段。當(dāng)前制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),一般假設(shè)第一階段地基均勻承受上部整個(gè)箱梁重力；第二階段在預(yù)應(yīng)力初張拉后,由于預(yù)應(yīng)力筋的張拉引起梁體上拱,使箱梁的重力全部或大部分由兩端一定范圍內(nèi)的臺(tái)座均勻承受。如哈大客運(yùn)專線昌圖制梁場(chǎng)制梁臺(tái)座的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就采用以上的設(shè)計(jì)理念[7]。

但箱梁在初張拉后的應(yīng)力重分布對(duì)基礎(chǔ)的受力是不可能完全由兩端一定范圍內(nèi)的基礎(chǔ)完全承受的,肯定有個(gè)受力的變化曲線,可以說(shuō)張拉后由臺(tái)座兩端完全受力的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)肯定偏于保守。文獻(xiàn)[7]的結(jié)論中闡述了哈大客運(yùn)專線昌圖梁場(chǎng)制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,關(guān)鍵還在于預(yù)應(yīng)力張拉后制梁臺(tái)座基礎(chǔ)受力模型的假設(shè)問(wèn)題。

哈大客運(yùn)專線昌圖梁場(chǎng)的設(shè)計(jì)表明,制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)優(yōu)化是非常有潛力的。目前各客運(yùn)專線梁場(chǎng)制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可以說(shuō)是各種各樣都有,關(guān)鍵就是力學(xué)模型建立不統(tǒng)一,所以大部分設(shè)計(jì)均偏于保守,造成相當(dāng)?shù)睦速M(fèi)。因此,為了明確制梁臺(tái)座受力狀態(tài),在哈大客運(yùn)專線昌圖梁場(chǎng)的一個(gè)制梁臺(tái)座上進(jìn)行了臺(tái)座基礎(chǔ)的受力測(cè)試,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析與計(jì)算,最后得出了制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建議,具體測(cè)試分析如下。

2 制梁臺(tái)座受力測(cè)試概況

圖1 制梁臺(tái)座基礎(chǔ)應(yīng)力測(cè)試平面布置(單位：mm)

由于制梁臺(tái)座在受箱梁的作用時(shí)受力是以跨中對(duì)稱的,因此在應(yīng)力計(jì)埋設(shè)時(shí)選擇半個(gè)臺(tái)座進(jìn)行埋設(shè),埋設(shè)的平面及剖面如圖1、圖2所示。埋設(shè)過(guò)程中先進(jìn)行混凝土澆筑,澆筑振搗完成后立即將應(yīng)力計(jì)(國(guó)產(chǎn)EJ-61振弦式應(yīng)力計(jì))垂向埋入條形制梁臺(tái)座中并進(jìn)行測(cè)試,如圖3所示。

圖2 制梁臺(tái)座基礎(chǔ)應(yīng)力測(cè)試橫剖面布置(單位：mm)

圖3 制梁臺(tái)座應(yīng)力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)照片

3 制梁臺(tái)座受力測(cè)試結(jié)果及分析

在測(cè)試過(guò)程中,對(duì)制梁臺(tái)座的3個(gè)受力狀態(tài)分別進(jìn)行了測(cè)試。

(1)初始受力狀態(tài)：混凝土澆筑前(箱梁出模后),即零應(yīng)力狀態(tài)；

(2)平均受力狀態(tài)：混凝土澆筑后(箱梁初張拉前)相對(duì)初始受力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)；

(3)應(yīng)力重分布狀態(tài)：初張拉后(箱梁出模前)相對(duì)初始受力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)。

測(cè)試共進(jìn)行了7個(gè)循環(huán),測(cè)試結(jié)果的平均值如表1所示。

對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如下。

3.1 橫斷面方向3個(gè)承臺(tái)梁受力分析

(1)平均受力狀態(tài)下

制梁臺(tái)座兩側(cè)承臺(tái)梁的平均受力為

制梁臺(tái)座中間承臺(tái)梁的平均受力為

其比值為

表1 制梁臺(tái)座中各測(cè)點(diǎn)在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力平均值 kPa

(2)應(yīng)力重分布狀態(tài)下

制梁臺(tái)座兩側(cè)承臺(tái)梁的平均受力為

制梁臺(tái)座中間承臺(tái)梁的平均受力為

其比值為

所以從上述受力計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

平均受力狀態(tài)下：3個(gè)承臺(tái)梁的受力在橫向比例約為3.5∶3∶3.5。

應(yīng)力重分布狀態(tài)下：3個(gè)承臺(tái)梁的受力在橫向比例約為4∶3∶4。

3.2 縱斷面方向3個(gè)承臺(tái)梁受力分析

把平均應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力重分布狀態(tài)下3個(gè)承臺(tái)梁內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力連成曲線,如圖4所示。

圖4 箱梁張拉前后承臺(tái)梁受力分布對(duì)比

從圖4可以看出,箱梁張拉前后承臺(tái)梁應(yīng)力進(jìn)行了重分布,在承臺(tái)梁端頭的應(yīng)力急劇增大,而承臺(tái)梁跨中部位應(yīng)力減小。可以認(rèn)為在應(yīng)力曲線的拐點(diǎn)前應(yīng)力較為集中,拐點(diǎn)后應(yīng)力變化趨緩。

對(duì)圖中的應(yīng)力重分布曲線進(jìn)行拐點(diǎn)分析,拐點(diǎn)即連續(xù)曲線上凹凸部分的分界點(diǎn),二階導(dǎo)數(shù)在其鄰域變正負(fù)號(hào)且二階導(dǎo)數(shù)在該點(diǎn)為零的點(diǎn),分析采用了通用數(shù)學(xué)軟件origin7.5,結(jié)果如下：

(1)西側(cè)(W)承臺(tái)梁的拐點(diǎn)位于梁端約2.6 m；

(2)中間(M)承臺(tái)梁的拐點(diǎn)位于梁端約4.4 m；

(3)東側(cè)(E)承臺(tái)梁的拐點(diǎn)位于梁端約2.7 m；

對(duì)3個(gè)條形承臺(tái)加權(quán)平均(張拉后的橫向受力分配權(quán)重)為

(2.6×4+4.4×3+2.7×4)/11≈3.1 m

通過(guò)以上分析表明,制梁臺(tái)座張拉后應(yīng)力重分布拐點(diǎn)出現(xiàn)在距梁端約3.1 m的位置。

由此可得出，制梁臺(tái)座應(yīng)力變化拐點(diǎn)出現(xiàn)在距臺(tái)座基礎(chǔ)端頭約3.1+0.4=3.5 m的位置。

4 制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 力學(xué)模型

根據(jù)以上測(cè)試與分析,以拐點(diǎn)為界,制梁臺(tái)座端頭3.5 m范圍內(nèi)的應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力的平均值為

(505+465+350+242+521+478)/6=427 kPa

則每米所受的力為

427×1.5=641 kN/m

中間段范圍內(nèi)的應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力的平均值為

(282+211+190+177+132+214+224+179+

126+131+280+214+188+172+

127)/15=190 kPa

則每米所受的力為

190×1.5=285 kN/m

對(duì)于以上受力狀態(tài),可以設(shè)整個(gè)制梁臺(tái)座的初張拉后應(yīng)力重分布簡(jiǎn)圖，如圖5所示。

圖5 箱梁初張拉后制梁臺(tái)座應(yīng)力重分布簡(jiǎn)圖(單位：mm)

因此,張拉后,兩端筏板的受力與中間段條形基礎(chǔ)的受力比值約為

對(duì)于通橋2322型的860 t箱梁,受拉后的受力比例分配可參考此結(jié)果。

4.2 制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上受力簡(jiǎn)圖,制梁臺(tái)座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)如下。

制梁臺(tái)座基礎(chǔ)端頭3.5 m范圍內(nèi)采用筏板基礎(chǔ),厚400 mm；中間段基礎(chǔ)可采用寬度為1 000 mm的無(wú)筋條形混凝土基礎(chǔ),厚度400 mm,臺(tái)座基礎(chǔ)半幅平面布置圖如圖6所示。

圖6 制梁臺(tái)座基礎(chǔ)平面構(gòu)造簡(jiǎn)圖(單位：mm)

對(duì)于通橋2322型的類似箱梁(860 t),制梁臺(tái)座筏板基礎(chǔ)尺寸設(shè)計(jì)為：3 500 mm×6 000 mm×400 mm,此時(shí)筏板基底壓力約為：427/4+20=127 kPa,橫斷面如圖7(a)所示；中間段條形基礎(chǔ)底壓力約為：190/2+20=115 kPa,橫斷面如圖7(b)所示。

圖7 制梁臺(tái)座基礎(chǔ)橫斷面簡(jiǎn)圖(單位：mm)

通過(guò)以上計(jì)算與分析表明,對(duì)于通橋2322型的類似箱梁,若地基為承載力特征值能達(dá)到130 kPa以上的巖土層(壓縮模量高于4 MPa的中低壓縮性土),制梁臺(tái)座的地基可采用天然地基。若地基承載力特征值小于130 kPa,可采用復(fù)合地基(如CFG)使地基承載力達(dá)到130 kPa以上；對(duì)于軟弱土層,則應(yīng)可采用樁基礎(chǔ)的條形承臺(tái)梁結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)客運(yùn)專線制梁臺(tái)座整個(gè)受力過(guò)程的應(yīng)力測(cè)試,明確了制梁臺(tái)座在平均受力狀態(tài)與應(yīng)力重分布狀態(tài)兩個(gè)受力狀態(tài)下的應(yīng)力變化情況,為制梁臺(tái)座的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。測(cè)試與計(jì)算結(jié)果表明。

(1)平均受力狀態(tài)下：3個(gè)承臺(tái)梁的受力在橫向比例約為3.5∶3∶3.5；應(yīng)力重分布狀態(tài)下：3個(gè)承臺(tái)梁受力在橫向比例約為4∶3∶4。

(2)應(yīng)力重分布狀態(tài)下3個(gè)承臺(tái)梁兩端筏板與中間段條形基礎(chǔ)的受力比值約為3∶5,對(duì)于類似箱梁的設(shè)計(jì)可以考慮采用此比例進(jìn)行分配。

(3)初張拉后,制梁臺(tái)座應(yīng)力重分布后應(yīng)力曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在距臺(tái)座端頭約3.5 m的位置,并以此拐點(diǎn)為界,設(shè)計(jì)臺(tái)座基礎(chǔ)端頭3.5 m范圍內(nèi)為筏板基礎(chǔ),臺(tái)座基礎(chǔ)中間段為無(wú)筋條形基礎(chǔ),并在這兩種基礎(chǔ)接觸帶設(shè)置沉降縫,以防止地基差異沉降引起接觸帶應(yīng)力集中而破壞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),并可防止應(yīng)力重分布后對(duì)梁產(chǎn)生過(guò)大的彎矩。

(4)以上地基基礎(chǔ)分析表明,對(duì)于通橋2322型的類似箱梁(860 t),當(dāng)?shù)鼗休d力特征值達(dá)到130 kPa(地基壓縮模量高于4 MPa的中低壓縮性土)以上時(shí),制梁臺(tái)座的地基可采用天然地基。若地基承載力特征值小于130 kPa,可采用復(fù)合地基(如CFG)使地基承載力達(dá)到130 kPa以上；對(duì)于軟弱土層,則可采用樁基礎(chǔ)做條形承臺(tái)梁的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

[1] 通橋(2005)2322—Ⅱ. 時(shí)速350 km客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁(雙線)[S]．

[2] 通橋(2007)2224—Ⅰ.時(shí)速250 km客運(yùn)專線鐵路有砟軌道預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支整孔箱梁(雙線、單箱雙室)[S]．

[3] 劉長(zhǎng)勇.鐵路客運(yùn)專線箱梁預(yù)制場(chǎng)制梁臺(tái)座設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑技術(shù),2009(12)：10-14.

[4] 李勝華.900 t高速鐵路箱梁制存梁臺(tái)座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)例[J].山西建筑,2009,35(13):106-107．

[5] 王蔚蔚,代 華.特殊地質(zhì)條件下的制梁臺(tái)座優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].安徽建筑,2007(6):210-213．

[6] 馬永杰.京津城際鐵路客運(yùn)專線32 m 900 t箱梁預(yù)制臺(tái)座的設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006(2):68-70．

[7] 王國(guó)欣,肖緒文,敖長(zhǎng)江.客運(yùn)專線梁場(chǎng)制梁臺(tái)座地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(10):44-45．