王國欣,肖緒文,敖長江

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

1 概述

客運專線制梁臺座是箱梁預(yù)制施工的主要施工平臺。模板安裝、鋼筋籠安裝及其連接、梁體混凝土灌注與養(yǎng)護、預(yù)張拉、初張拉等多道施工工序均在制梁臺座上完成,通常制梁臺座地基基礎(chǔ)的設(shè)計需根據(jù)預(yù)制箱梁及地質(zhì)情況進行設(shè)計。根據(jù)目前我國客運專線混凝土箱梁設(shè)計梁型的特點,一般預(yù)制雙線箱梁(單箱單室或單箱雙室)的長度為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、滬杭客運專線采用了通橋2322的梁型,32 m的箱梁質(zhì)量約860 t,而長吉城際鐵路、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]。

制梁臺座結(jié)構(gòu)通常采用的是3道承臺梁(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),如擴展基礎(chǔ)或筏形基礎(chǔ)等,上部均采用剛度承臺梁(或連續(xù)墻)形式[3]。如京津城際鐵路5號制梁場采用是樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式[5],而哈大客運專線昌圖梁場采用了淺基礎(chǔ)及復(fù)合地基的形式[6]。

在進行制梁臺座地基基礎(chǔ)設(shè)計前,首先需清楚箱梁預(yù)制過程中對制梁臺座的作用力,通常作用力可分為兩個主要階段,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,此時荷載逐漸向制梁臺座兩端集中,即應(yīng)力重分布狀態(tài)階段。當(dāng)前制梁臺座地基基礎(chǔ)設(shè)計時,一般假設(shè)第一階段地基均勻承受上部整個箱梁重力；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)的臺座均勻承受。如哈大客運專線昌圖制梁場制梁臺座的地基基礎(chǔ)設(shè)計就采用以上的設(shè)計理念[7]。

但箱梁在初張拉后的應(yīng)力重分布對基礎(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,肯定有個受力的變化曲線,可以說張拉后由臺座兩端完全受力的地基基礎(chǔ)設(shè)計肯定偏于保守。文獻[7]的結(jié)論中闡述了哈大客運專線昌圖梁場制梁臺座設(shè)計中存在的問題,關(guān)鍵還在于預(yù)應(yīng)力張拉后制梁臺座基礎(chǔ)受力模型的假設(shè)問題。

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

2 制梁臺座受力測試概況

圖1 制梁臺座基礎(chǔ)應(yīng)力測試平面布置(單位：mm)

由于制梁臺座在受箱梁的作用時受力是以跨中對稱的,因此在應(yīng)力計埋設(shè)時選擇半個臺座進行埋設(shè),埋設(shè)的平面及剖面如圖1、圖2所示。埋設(shè)過程中先進行混凝土澆筑,澆筑振搗完成后立即將應(yīng)力計(國產(chǎn)EJ-61振弦式應(yīng)力計)垂向埋入條形制梁臺座中并進行測試,如圖3所示。

圖2 制梁臺座基礎(chǔ)應(yīng)力測試橫剖面布置(單位：mm)

圖3 制梁臺座應(yīng)力計現(xiàn)場埋設(shè)照片

3 制梁臺座受力測試結(jié)果及分析

在測試過程中,對制梁臺座的3個受力狀態(tài)分別進行了測試。

(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)相對初始受力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)。

測試共進行了7個循環(huán),測試結(jié)果的平均值如表1所示。

對表1的數(shù)據(jù)進行分析如下。

3.1 橫斷面方向3個承臺梁受力分析

(1)平均受力狀態(tài)下

制梁臺座兩側(cè)承臺梁的平均受力為

制梁臺座中間承臺梁的平均受力為

其比值為

表1 制梁臺座中各測點在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力平均值 kPa

(2)應(yīng)力重分布狀態(tài)下

制梁臺座兩側(cè)承臺梁的平均受力為

制梁臺座中間承臺梁的平均受力為

其比值為

所以從上述受力計算結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

平均受力狀態(tài)下：3個承臺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個承臺梁的受力在橫向比例約為4∶3∶4。

3.2 縱斷面方向3個承臺梁受力分析

把平均應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力重分布狀態(tài)下3個承臺梁內(nèi)的各測點的應(yīng)力連成曲線,如圖4所示。

圖4 箱梁張拉前后承臺梁受力分布對比

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

對圖中的應(yīng)力重分布曲線進行拐點分析,拐點即連續(xù)曲線上凹凸部分的分界點,二階導(dǎo)數(shù)在其鄰域變正負(fù)號且二階導(dǎo)數(shù)在該點為零的點,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)承臺梁的拐點位于梁端約2.6 m；

(2)中間(M)承臺梁的拐點位于梁端約4.4 m；

(3)東側(cè)(E)承臺梁的拐點位于梁端約2.7 m；

對3個條形承臺加權(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

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

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

4 制梁臺座地基基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 力學(xué)模型

根據(jù)以上測試與分析,以拐點為界,制梁臺座端頭3.5 m范圍內(nèi)的應(yīng)力測試點應(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)力測試點應(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

對于以上受力狀態(tài),可以設(shè)整個制梁臺座的初張拉后應(yīng)力重分布簡圖，如圖5所示。

圖5 箱梁初張拉后制梁臺座應(yīng)力重分布簡圖(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 制梁臺座地基基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)以上受力簡圖,制梁臺座基礎(chǔ)設(shè)計如下。

制梁臺座基礎(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的無筋條形混凝土基礎(chǔ),厚度400 mm,臺座基礎(chǔ)半幅平面布置圖如圖6所示。

圖6 制梁臺座基礎(chǔ)平面構(gòu)造簡圖(單位：mm)

對于通橋2322型的類似箱梁(860 t),制梁臺座筏板基礎(chǔ)尺寸設(shè)計為：3 500 mm×6 000 mm×400 mm,此時筏板基底壓力約為：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 制梁臺座基礎(chǔ)橫斷面簡圖(單位：mm)

通過以上計算與分析表明,對于通橋2322型的類似箱梁,若地基為承載力特征值能達到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)使地基承載力達到130 kPa以上；對于軟弱土層,則應(yīng)可采用樁基礎(chǔ)的條形承臺梁結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)論

通過對客運專線制梁臺座整個受力過程的應(yīng)力測試,明確了制梁臺座在平均受力狀態(tài)與應(yīng)力重分布狀態(tài)兩個受力狀態(tài)下的應(yīng)力變化情況,為制梁臺座的設(shè)計提供了依據(jù)。測試與計算結(jié)果表明。

(1)平均受力狀態(tài)下：3個承臺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個承臺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個承臺梁兩端筏板與中間段條形基礎(chǔ)的受力比值約為3∶5,對于類似箱梁的設(shè)計可以考慮采用此比例進行分配。

(3)初張拉后,制梁臺座應(yīng)力重分布后應(yīng)力曲線拐點出現(xiàn)在距臺座端頭約3.5 m的位置,并以此拐點為界,設(shè)計臺座基礎(chǔ)端頭3.5 m范圍內(nèi)為筏板基礎(chǔ),臺座基礎(chǔ)中間段為無筋條形基礎(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)力重分布后對梁產(chǎn)生過大的彎矩。

(4)以上地基基礎(chǔ)分析表明,對于通橋2322型的類似箱梁(860 t),當(dāng)?shù)鼗休d力特征值達到130 kPa(地基壓縮模量高于4 MPa的中低壓縮性土)以上時,制梁臺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)使地基承載力達到130 kPa以上；對于軟弱土層,則可采用樁基礎(chǔ)做條形承臺梁的結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計。

[1] 通橋(2005)2322—Ⅱ. 時速350 km客運專線鐵路無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁(雙線)[S]．

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

[3] 劉長勇.鐵路客運專線箱梁預(yù)制場制梁臺座設(shè)計研究[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座基礎(chǔ)設(shè)計實例[J].山西建筑,2009,35(13):106-107．

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

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

[7] 王國欣,肖緒文,敖長江.客運專線梁場制梁臺座地基基礎(chǔ)設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(10):44-45．