朔黃鐵路低高度預應力混凝土板梁預制關鍵技術研究

白一凡

中國鐵建十四局集團有限公司北京中鐵房山橋梁有限公司 北京 102400

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港站，線路橫跨山西、河北兩省的5個地區(qū)(市)22個縣(市)與神朔、北同蒲、京廣、京九等鐵路干線接軌，正線總長614 公里，屬國家Ⅰ級、雙線、電氣化、重載鐵路，全線共設33 個車站，其中技術站有3 個(神池南、肅寧北、黃驊港)。設計年運輸能力為近期3.5億噸，遠期運量4.5 億噸。1997 年11 月25 日正式開工，1999 年11 月1 日全線建成，總投資150 億元，在全國路網(wǎng)中占有重要地位。本次設計的板梁梁體計算跨度12.0m，全長12.5m，梁高0.85m，橋面寬度3.9m，下緣寬度為2.4m，混凝土采用C60，本板梁承載能力高，采用整孔預制，降低了梁的自重，節(jié)約了混凝土，整孔設計減少了拼裝工序。

為完成板梁的制造，在板梁生產(chǎn)的以下關鍵工序進行研究：

1 板梁模板設計及高精度加工

1.1 板梁模板設計

本次模板設計主要包括側模、底模和端模三大部分，采用側模包住底模端模，底模托端模的結構，便于生產(chǎn)不同跨度的板梁[1]。同時，采用側模包住端模的結構設計，可以有效防止因為梁體過長而導致模具側模擠壓變形，提高設計精度[2]。在側模兩側分別設有7 個架子，內(nèi)外側各一個千斤頂，可以通過調(diào)節(jié)千斤頂調(diào)節(jié)高低，控制模具精度在1mm 以內(nèi)。板梁橫截面如圖1 所示。

1.2 梁體模板加工主要精度控制指標

（1）梁體長度預制精度要求±5mm。梁體長度控制在-5mm至0mm 范圍內(nèi)。模具長度精度控制在-1mm 至0mm 范圍內(nèi)[3]。

（2）配件定位安裝精度：預應力管道位置、預埋T 鋼位置、支座板套筒位置誤差在1mm 范圍內(nèi)。

1.3 模板高精度加工控制措施

（1）模板制作以前,嚴格按照《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》、設計圖紙、配件安裝精度要求制作模板制作驗收標準[4]。

（2）模板制作時，將從原材料的進場、下料、焊接等工序嚴格把關，以保證模板制作進度及質(zhì)量。

（3）外模采用工廠分段制作、現(xiàn)場拼裝成整體的方式。現(xiàn)場拼裝部分在工廠制作分段模板時必須預留焊接伸縮部分，以免模板焊接時造成焊接應力集中變形。

（4）運輸、吊裝模板時，嚴格控制吊點位置，以免模板變形。

1.4 模板高精度安裝控制措施

（1）模板安裝過程中充分考慮模板在混凝土灌筑過程中局部變形的問題[5]，安裝時必須以模具施工內(nèi)控標準為安裝尺寸，以確保梁體的外觀尺寸偏差。

（2）模板每次脫模后，檢查全部尺寸，以保證模板精度。

（3）嚴禁模板出現(xiàn)三角支撐，避免影響模板精度。

（4）模板安裝必須嚴格控制各部位固定情況及垂直度，以確保垂直度誤差在1mm 以內(nèi)，并且不得有脹?，F(xiàn)象。

2 鋼筋骨架位置復核、綁扎工藝研究、鋼筋骨架吊裝工裝設計

2.1 鋼筋骨架位置復核

目前，BIM 技術發(fā)展迅速，通過對BIM 技術的應用可以在工程全生命周期內(nèi)對其進行監(jiān)控和指導。在本次施工前，設計人員以LOD400 建模精度，采用BIM 技術對梁體鋼筋及預應力管道位置進行復核[6]。完成BIM 建模后，將模型按層級逐級裝配，對其進行碰撞檢查，核查空間位置關系?？紤]施工中能夠?qū)崿F(xiàn)的空間位置，對一些不能實現(xiàn)的工序進行調(diào)整，經(jīng)檢查共發(fā)現(xiàn)多處問題，包括部分橫向鋼筋穿過封錨口與錨墊板交叉問題、變截面鋼筋侵入保護層、梁端底板豎向鋼筋與預應力管道交叉問題、預應力管道防崩鋼筋與其他鋼筋交叉問題等，并對發(fā)現(xiàn)的問題及時調(diào)整，避免了施工中出現(xiàn)的空間位置沖突問題，進而提升鋼筋骨架的質(zhì)量。

2.2 鋼筋綁扎

朔黃鐵路大修改造中的板梁共需要鋼筋35t，鋼筋規(guī)格有HRB400（C12、C16、C18、C20、C22、C25）和HPB300（φ8和φ10）。梁體通長C12 分布筋采用閃光對焊，定位網(wǎng)片制作采用普通電弧焊。按照規(guī)范要求施工并檢驗。

梁體鋼筋骨架綁扎采用在綁扎臺座上整體綁扎成型、整體吊裝的施工工藝。綁扎胎具由外胎具和內(nèi)胎具組成。內(nèi)外胎具均由碗扣式鋼管腳手架和角鋼搭設而成，即保證了鋼筋綁扎定位精度滿足要求，又加快了施工速度，節(jié)約了成本。

2.3 預應力鋼束成孔膠管安裝

按照鋼絞線的根數(shù)確定預應力孔道成孔直徑，并與定位網(wǎng)綁扎牢固。縱向預應力鋼束孔道采用抽拔橡膠管成孔的[7]。橡膠管直徑為80-90mm，發(fā)現(xiàn)管徑減少3mm 以上或表面脫膠分層，及時更換。橡膠管使用頻率不超過200 次，外觀質(zhì)量應符合無表面裂口、無表面熱膠粒、無膠層海綿。膠層氣泡、表面雜質(zhì)痕跡長度不應大于3mm、深度不應大于1.5mm，且每米不多于一處。

橡膠管安設時嚴格按照坐標位置控制，保持良好線型，制孔膠管小心的穿入鋼筋骨架的鋼筋定位筋（網(wǎng)）,避免碰壞鋼筋骨架。在跨中處由2 根對接構成，用波紋管將其連接并用塑料布纏緊，用鐵絲綁扎牢固防止混凝土漿流入膠管內(nèi)。膠管位置偏差,距跨中4米范圍內(nèi)≤4mm,其余部分≤5mm。

3 模板拼裝與拆除

此次板梁模板為整孔液壓鋼模板，模板分為底模、側模及端模，由專業(yè)廠家生產(chǎn)，模板進場后在試驗臺座上進行拼裝[8]。模板拼裝時，按照設計要求設置反拱及壓縮量。模板的安裝和拆除分為如下步驟：

（1）底模安裝。梁體預制采用固定式鋼底模。底模是分段運輸進場的，拼接時注意各段的中心線放在同一直線上。開始預制梁時，由于存在沉降，需要及時對底模進行檢查、及時調(diào)整。等沉降穩(wěn)定后可以減少檢查的頻次。底模板在使用前進行整體檢驗，確認合格后噴涂混凝土脫模劑，按照設計要求進行支座板的安裝，支座板按照設計采用螺栓固定，防止支座板在施工過程中偏離設計位置。支座板的安裝位置符合具體的工藝要求，并經(jīng)過專職質(zhì)檢人員檢驗合格后方可進行下一道工序的施工。

（2）端模安裝。模型吊裝時要使模扇略向外傾斜，以免碰撞已就位的鋼筋骨架。先找正與底模相對位置，將端模中心線與底模中心線對正，保證端模定位銷落入底模的定位孔內(nèi)將端模用螺栓固定在底模上。保證端模位置符合設計要求。

（3）側模安裝。利用龍門吊裝外側模，緩慢調(diào)整位置，用千斤頂調(diào)整其垂直度。保證側模位置符合設計要求。

（4）模板拆除。當梁體混凝土強度達到設計強度的30MPa以上時可以拆除模型。拆除時不得損傷混凝土表面，不得損壞梁體預埋件，拆除完畢及時清理模具表面的灰塵及粘結的混凝土殘渣，涂上脫模劑以備下次使用。拆模時禁止重擊或硬撬，避免造成模板局部變形或損壞混凝土棱角。

4 混凝土配合比設計

按照《鐵路工程試驗與檢測》[9]進行混凝土理論配合比計算，依據(jù)公司原材料實際情況，與試驗梁C60 混凝土配合比的設計，確定的理論配合比如下表1：

施工時，根據(jù)當天混凝土的砂、石含水率確定施工配合比，拌合出的混凝土符合工藝要求，預留的混凝土試塊進行混凝土28 天的檢驗，符合產(chǎn)品要求。

5 鋼絞線自動張拉

本次朔黃鐵路橋梁采用鋼絞線自動張拉技術，預應力張拉是保證橋梁結構安全和耐久性的關鍵工序，直接關系到線路的運營安全[10]。自動張拉技術功能和特點如圖2 所示。

圖2 自動張拉技術功能與特點

采用預應力自動張拉系統(tǒng)，集成應用機械技術、傳感技術、計算機網(wǎng)絡技術，進行預應力張拉智能化施工和數(shù)據(jù)信息化管理，確保施工質(zhì)量和設備安全，提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本。

6 管道智能壓漿技術

后張法預應力混凝土橋梁注漿工程為隱蔽工程，事后檢測費時費力；若注漿過程參數(shù)采用人工記錄，數(shù)據(jù)缺乏準確性和客觀性[11]。本工程采用的智能壓漿系統(tǒng)。注漿智能監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測注漿量和注漿壓力，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至鐵路工程管理平臺，實現(xiàn)了精確量測、遠程監(jiān)測，有助于管理人員和現(xiàn)場技術人員及時掌握注漿工程現(xiàn)場情況。

7 靜載試驗

為評估低高度預應力鋼筋混凝土板梁的力學性能，擬各選取1 孔對該梁進行靜載彎曲試驗，測試靜載作用下梁體的撓度及應變[12]，檢驗梁體的豎向剛度、強度和抗裂性能。在靜載試驗過程中，在試驗梁4 個支座下方的臺座上設置支墩，支撐試驗板梁，利用錨固反力梁進行試驗加載。

7.1 試驗內(nèi)容

針對10m 低高度預應力鋼筋混凝土板梁和12m 低高度預應力鋼筋混凝土板梁進行靜載彎曲試驗，按設計荷載檢算主梁最不利截面(控制截面)內(nèi)力、撓度等主要計算指標，并換算成試驗荷載進行加載，并測試控制截面撓度、應力應變，支座位置處豎向位移等參數(shù)，并及時觀測梁底是否出現(xiàn)裂縫及裂縫發(fā)展狀況。試驗加載采用三截面加載方式進行，現(xiàn)場測試共分為2 個循環(huán)進行，第1 循環(huán)分為10 個工況，第2 循環(huán)分為15 個工況，根據(jù)荷載加載等級不同進行分類。板梁的加載和測點的分布如圖3、圖4 和圖5 所示。

圖3 預應力板梁靜載試驗加載圖示

圖4 預應力板梁靜載試驗應變測點縱向布置圖

圖5 預應力板梁靜載試驗撓度測點縱向布置圖

7.2 模擬計算

如今，數(shù)值模擬計算軟件飛速發(fā)展，我們可以運用各種各樣的軟件來事先模擬一下試驗結果，這可以用來指導后面的試驗和驗算。本文通過MIDAS 軟件建立板梁構件模型，如圖6 所示，并對靜載試驗進行了計算。最終位移云圖計算結果如圖7 所示，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在加載過程中，板梁中部豎向位移最大，達到了8.4mm，與現(xiàn)場實測相差不大。通過應力云圖發(fā)現(xiàn)，支墩處的應力較大，我們通過增大支撐面的方法來緩解支墩處應力集中的現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬來指導現(xiàn)場試驗，預先發(fā)現(xiàn)試驗中存在的問題，這對以后靜載試驗的研究也提供了幫助。

圖6 預應力板梁數(shù)值計算模型

圖7 預應力板梁模擬計算位移云圖

表1 混凝土理論配合比

7.3 加載系統(tǒng)

為了保證足尺試驗梁靜載試驗加載準確，并提升高速鐵路箱梁靜載試驗信息化水平，本次試驗采用鐵路橋梁智能靜載試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)中的主控系統(tǒng)可以通過各種軟硬件通訊接口完成數(shù)據(jù)和指令的交互，從而實時監(jiān)視、控制試驗流程、開展數(shù)據(jù)計算處理、結果判定、預警報警、應急處理。加載及控制系統(tǒng)為機電一體化設備，可以依據(jù)輸入的加載力數(shù)據(jù)信息形成加載控制指令，并執(zhí)行主控系統(tǒng)的加/卸載指令，自動實現(xiàn)同步、平衡加載，保證加載及持荷階段的安全穩(wěn)定，為各子系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)、試驗結果的準確可靠提供保障。

圖8 簡支梁智能靜載試驗系統(tǒng)

7.4 試驗合格標準

（1）實測靜活載撓度值：f實測≤1.05（f設計/ψ），則梁體剛度合格。ψ 為等效荷載加載撓度修正系數(shù)。

（2）在K=1.20 加載等級下持荷20min，梁體底面和底部倒角或圓弧過渡段均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫，評定不允許出現(xiàn)拉應力的預應力梁抗裂合格。

（3）對不允許出現(xiàn)拉應力的預應力梁，梁體豎向剛度和抗裂性均合格，評定靜載彎曲試驗合格。

8 結語

本文依托朔黃鐵路大修改造工程，運用新型設計，采用單線整孔板梁替換原T 梁，屬國內(nèi)新型技術。通過對新型板梁的模型設計研究和精細化加工，使得新型板梁承載力及結構穩(wěn)定性遠高于原T 梁，成本也低于普通T 梁。同時，對于新型板梁，針對其靜載試驗進行了一系列研究，保證了板梁的生產(chǎn)質(zhì)量，為日后新型梁的試驗開辟了道路。這次新型板梁的成功應用不僅大大提高了換梁效率，也為日后鐵路的改造大修指引了方向。