鐵路狹窄π形梁設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造技術(shù)研究

柯圣南

(中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司 北京 102400)

1 工程背景

2018年9月1日，豐臺(tái)站改擴(kuò)建工程開工，建筑面積近40萬m2，是我國首座采用高鐵、普鐵客運(yùn)車場重疊布置的大型客站，也將是北京未來最大的綜合客運(yùn)樞紐站。高鐵站臺(tái)設(shè)置在普鐵正上方的高架橋上，同時(shí)地下修建地鐵車站，充分發(fā)揮交通樞紐高效的客運(yùn)功能。與傳統(tǒng)車站相比較，高架車站能顯著縮小站房建筑占地面積，大幅提高土地利用率，且施工周期更短，建設(shè)成本和運(yùn)營費(fèi)用更低[1]，在城市建設(shè)中越來越受青睞。

高架車場內(nèi)，由于進(jìn)出站線路方向、線路間距、跨越建筑物不同等原因，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)種類多、差異大，因此異形梁[2]的設(shè)計(jì)和制造成為廣受關(guān)注的焦點(diǎn)。豐臺(tái)站在高架正線之間及其外側(cè)設(shè)計(jì)了48孔π形截面的混凝土異形梁(以下簡稱“π形梁”)。π形梁橋面寬1.4～3.8 m，梁高1.5～2.0 m，其中14孔橋面寬1.4 m的狹窄π形梁設(shè)計(jì)為整體預(yù)制。但這種狹窄π形梁腹板間距只有0.4 m，空間受限，內(nèi)模拆裝困難，容易出現(xiàn)梁體開裂、硬傷掉角等質(zhì)量問題。本文從梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究，以解決狹窄 π形梁的制造難題。

2 梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理性驗(yàn)證

2.1 梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在保證梁體質(zhì)量、滿足梁體服役要求[3]的前提下，從制造工藝技術(shù)角度出發(fā)，對(duì)橋面寬1.4 m的狹窄π形梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并提出制造技術(shù):

(1)將橋面寬1.4 m的狹窄π形梁由整體預(yù)制改為分體預(yù)制，通過濕接縫[4]結(jié)構(gòu)連接成整體后整孔架設(shè)，梁體結(jié)構(gòu)見圖1～圖3。

圖1 π形梁整體及分體斷面圖(單位:mm)

圖2 π形梁側(cè)面圖(單位:mm)

圖3 π形梁俯視圖(單位:mm)

(2)濕接縫部分寬300 mm，濕接縫施工前要將分開預(yù)制的兩片梁吊裝至專用的連接臺(tái)座上，調(diào)整支座標(biāo)高和中心距，對(duì)齊兩片梁的支座軸線和梁體中心線。

(3)橋面橫向鋼筋在濕接縫處進(jìn)行焊接連接，單面焊縫長度不小于10倍鋼筋直徑，雙面焊縫長度不小于5倍鋼筋直徑，并增加縱向通長鋼筋，以提高梁體的整體性。

(4)濕接縫采用微膨脹混凝土澆筑，且混凝土等級(jí)比梁體高一級(jí)，混凝土配合比要試驗(yàn)確定。施工前對(duì)梁體原界面進(jìn)行鑿毛處理，混凝土澆筑前沖洗干凈并保持濕潤。濕接縫混凝土濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后方可吊裝。

(5)針對(duì)斜交跨線的π形梁，優(yōu)化梁體端邊梁與腹板連接處夾角，保持端邊梁外口寬度不變，將連接處的銳角改為鈍角，端邊梁由平行四邊形變?yōu)樘菪?，以便于鋼模具的拆卸和減少磕碰掉角。

(6)優(yōu)化梁體各面的內(nèi)交角為R25 mm圓弧倒角，降低陰角處應(yīng)力集中，以便于鋼模具的拆卸和提升產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

2.2 有限元模型計(jì)算分析

針對(duì)狹窄π形梁兩種預(yù)制方式，通過有限元軟件建立兩種結(jié)構(gòu)模型，施加相同的設(shè)計(jì)荷載[5－6]，對(duì)比分析整體預(yù)制和分體預(yù)制的狹窄π形梁結(jié)構(gòu)性能，以判定分體預(yù)制工藝技術(shù)的合理性。

模型施加恒載后加載人行道活載。人行道荷載參考《鐵路工程建設(shè)通用參考圖:時(shí)速160 km客貨共線鐵路預(yù)制后張法簡支T梁(鋼橫梁人行道方案)》(圖號(hào):通橋(2017)2101-I)[7]，其中均布荷載值為4 kPa，集中荷載值為1 kN。恒載的重要性系數(shù)為1.2，活載的重要性系數(shù)為1.4。

將整體預(yù)制的狹窄π形梁作為工況1，預(yù)制后通過濕接縫連接的狹窄π形梁作為工況2，對(duì)比兩種工況在同樣設(shè)計(jì)荷載作用下的變形情況。計(jì)算分析如圖4所示。

圖4 位移

從圖4可知，梁體跨中的位移值最大。提取梁體上表面跨中節(jié)點(diǎn)的位移值，工況1為1.66 mm，工況2為1.70 mm。通過梁體跨中位移值的對(duì)比可知，相同設(shè)計(jì)荷載作用下，分體預(yù)制梁體的位移較整體預(yù)制梁體的略大，但差異率在5%以內(nèi)，初步判定分體預(yù)制工藝技術(shù)是合理的。

2.3 靜載試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 靜載試驗(yàn)方案制定

選擇1孔濕接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%、且齡期大于28 d的狹窄π形梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。制定如下試驗(yàn)方案:

(1)試驗(yàn)前，梁體安裝支座，并對(duì)支座底板標(biāo)高進(jìn)行測量和調(diào)整，保證梁體4個(gè)支座的標(biāo)高一致。

(2)采用3臺(tái)千斤頂進(jìn)行逐級(jí)加載[8]，總荷載值Pk如表1所示。加載前測量初始值，從Ka級(jí)開始逐級(jí)測量梁體撓度值。加載千斤頂安裝位置在梁體縱向中心線上，加載示意見圖5。

圖5 加載示意(單位:mm)

(3)靜載試驗(yàn)按照2個(gè)循環(huán)進(jìn)行[9]:第1循環(huán)逐級(jí)加載至1.00倍設(shè)計(jì)荷載，第2循環(huán)逐級(jí)加載至1.20倍設(shè)計(jì)荷載。

(4)Kf＜1.00 時(shí)，各加載級(jí)持荷 3 min；Kf≥1.00時(shí)，各加載級(jí)持荷5 min。

(5)第1循環(huán)Kf＝1.00時(shí)持荷20 min；第2循環(huán)Kf＝1.20時(shí)持荷20 min。

(6)每級(jí)持荷時(shí)間結(jié)束后測量梁體跨中撓度數(shù)值。

(7)第1循環(huán)與第2循環(huán)之間靜停20 min以上，待梁體變形停止后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和裂縫觀測。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.2.1 跨中撓度測量與分析

靜載試驗(yàn)過程中對(duì)梁體跨中撓度進(jìn)行測量和記錄，各級(jí)荷載作用下梁體跨中撓度值見表1。第1循環(huán)加載過程中，設(shè)計(jì)靜活載作用下?lián)隙戎禐?.04 mm；第2循環(huán)加載過程中，1.20倍設(shè)計(jì)靜活載作用下?lián)隙戎禐?.43 mm。梁體撓跨比均滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)[10]中客貨共線鐵路橋梁1/1 200的要求。

表1 跨中撓度測量記錄

2.3.2.2 裂縫分析

梁體靜載試驗(yàn)過程中，每一級(jí)荷載作用下均采用圖像識(shí)別測量和人工檢查的方法對(duì)梁體裂縫進(jìn)行觀測和記錄。在兩次循環(huán)加載過程中，梁體表現(xiàn)出良好的抗裂性能，均未發(fā)現(xiàn)裂縫，說明狹窄π形梁具有良好強(qiáng)度、剛度和耐久性。

2.4 方案驗(yàn)證結(jié)論

通過有限元模型計(jì)算分析了分體預(yù)制和整體預(yù)制狹窄π形梁的變形和受力，再通過靜載試驗(yàn)驗(yàn)證，可以判定梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分體預(yù)制工藝技術(shù)方案是合理的。

3 制造技術(shù)

混凝土預(yù)制梁制造技術(shù)是梁體構(gòu)件質(zhì)量和橋梁工程施工質(zhì)量的重要保證。根據(jù)第2章制定的梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)制工藝技術(shù)方案，參照王喜軍等[11]的研究成果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況制定狹窄π形梁的制造工藝技術(shù)。

3.1 模具設(shè)計(jì)與制作

(1)混凝土梁采用鋼模具預(yù)制，按照便于安裝和拆卸，同時(shí)又保證模具剛度和梁體尺寸精度的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)制作[12]。針對(duì)π形梁長度、橋面寬度、高度和腹板厚度等截面尺寸差異大問題，編制模具專項(xiàng)加工改造方案，提高模具通用性和減少模具數(shù)量，以降低制造成本。

(2)梁體端邊梁、橫向連接隔墻外露筋位置處模板改為活塊拼接，以方便模具拆卸。模板外側(cè)使用鋼套管固定外露鋼筋，提高定位精度。

(3)由于橋面外露鋼筋直徑較大、螺紋較深、間距較小，模具梳筋板開口設(shè)計(jì)成V形，混凝土澆筑前用橡膠擋漿塊封堵，在保證鋼筋位置尺寸和減少混凝土漏漿的同時(shí)，減少脫模阻力。

(4)針對(duì)不等高π形梁，底模設(shè)計(jì)成可變高組合形式。

3.2 鋼筋及預(yù)埋件安裝

為保證狹窄π形梁橋面橫向鋼筋能夠準(zhǔn)確對(duì)接，鋼筋綁扎胎具要中心對(duì)稱設(shè)計(jì)，鋼筋綁扎過程中及時(shí)進(jìn)行檢查復(fù)核。鋼筋骨架入模前，綁扎鋼筋保護(hù)層墊塊和安裝預(yù)埋件。鋼筋骨架入模后，檢查外露鋼筋位置尺寸是否符合施工圖設(shè)計(jì)要求。

3.3 混凝土施工及養(yǎng)護(hù)

混凝土施工前檢查模具拼裝精度，逐項(xiàng)檢查模具長度、寬度、高度及腹板厚度等尺寸，偏差不大于±2 mm。混凝土澆筑采用分層澆筑工藝，混凝土均勻下料，附著式振動(dòng)器配合插入式振搗棒振搗?；炷翝仓Y(jié)束后，及時(shí)加蓋養(yǎng)護(hù)棚罩，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式進(jìn)行梁體混凝土養(yǎng)護(hù)。

3.4 濕接縫施工和養(yǎng)護(hù)

濕接縫采用微膨脹混凝土澆筑，混凝土等級(jí)為C50，混凝土配合比要試驗(yàn)確定。梁體連接前，對(duì)梁體濕接縫處界面進(jìn)行鑿毛處理，調(diào)直外露鋼筋。對(duì)接時(shí)測量和調(diào)整支座板標(biāo)高、支座軸線間距和梁體中心線，確保連接后梁體尺寸與設(shè)計(jì)圖一致。鋼筋對(duì)接采用焊接，單面焊縫長度不小于10倍鋼筋直徑，雙面焊縫長度不小于5倍鋼筋直徑。濕接縫底面和側(cè)面采用木模支護(hù)?；炷翝仓?，將鑿毛后的混凝土界面沖洗干凈并保持濕潤。濕接縫混凝土濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后方可吊裝。

3.5 梁體吊裝

(1)等高π形梁按照寬度不同分為3種吊裝方式:

①π形梁分體預(yù)制后，橋面寬度小于吊具的寬度，在吊裝時(shí)容易傾覆，故分體后橋面寬小于1.2 m的π形梁，在腹板上部橋面兩端對(duì)稱位置預(yù)埋4根φ32 mm吊環(huán)鋼筋，用吊環(huán)鋼筋吊裝。

②分體后橋面寬1.2～1.6 m的π形梁采用鋼絲繩兜底吊裝。

③分體后橋面寬大于1.6 m的π形梁，在頂板距腹板內(nèi)側(cè)0.4 m處設(shè)置φ120 mm吊裝孔，從吊裝孔穿鋼絲繩兜底吊裝。

(2)不等高π形梁。為保證不等高π形梁安全，兩處吊點(diǎn)應(yīng)在一個(gè)平面，故底板高處及坡面不作為吊裝點(diǎn)，從坡面的起點(diǎn)往跨中方向延伸0.5 m作為吊裝點(diǎn)。

(3)狹窄π形梁通過濕接縫連接成整體后的吊裝，應(yīng)在濕接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后才可進(jìn)行，采用鋼絲繩兜底吊裝。

3.6 梁體存放

梁體存放時(shí)梁端懸出存梁臺(tái)座部分應(yīng)在1.5 m之內(nèi)，高低梁吊點(diǎn)中心即為支點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)鐵路高架車站橋面寬度1.4 m的狹窄π形梁，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究。通過有限元建模分析和靜載試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比分析了設(shè)計(jì)荷載下整體預(yù)制和分體預(yù)制模型梁的撓度和抗裂性能，驗(yàn)證了分體預(yù)制濕接縫連接狹窄π形梁制造技術(shù)的合理性?？偨Y(jié)梁體優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，得到結(jié)論如下:

(1)橋面寬1.4 m的狹窄π形梁分體預(yù)制、濕接縫結(jié)構(gòu)連接成整體后，通過靜載試驗(yàn)驗(yàn)證:梁體在1.20倍設(shè)計(jì)荷載作用下的變形值為2.43 mm，小于規(guī)范容許值，梁體結(jié)構(gòu)混凝土最大拉應(yīng)力為1.47 MPa，梁體混凝土未發(fā)生開裂，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)梁體剛度和耐久性的要求。

(2)狹窄π形梁拆分設(shè)計(jì)時(shí)，梁體橋面和橫向連接隔板處橫向鋼筋由原來整根鋼筋變?yōu)閮筛鶎?duì)接，要充分考慮鋼筋接頭處的連接強(qiáng)度不低于原設(shè)計(jì)。要提前做好對(duì)接鋼筋位置尺寸的設(shè)計(jì)，橋面鋼筋采用V形開口的梳筋板鋼模具精準(zhǔn)定位，避免梁體鋼筋對(duì)接時(shí)相互沖突或者距離大而無法對(duì)接。

(3)濕接縫施工質(zhì)量是保證狹窄π形梁連接質(zhì)量的關(guān)鍵所在。濕接縫微膨脹混凝土配合比要提前進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；原梁體混凝土界面要鑿毛處理，提高新舊混凝土之間的黏結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度；濕接縫混凝土要進(jìn)行不小于14 d的濕養(yǎng)護(hù)，確保新舊混凝土之間不產(chǎn)生收縮裂紋。

(4)梁體各平面間的交角設(shè)計(jì)成鈍角和倒圓過渡，更有利于鋼模具的拆卸，減少拆模對(duì)梁體混凝土造成的梁體開裂和硬傷掉角等質(zhì)量問題。