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樞紐站。高鐵站臺設(shè)置在普鐵正上方的高架橋上，同時地下修建地鐵車站，充分發(fā)揮交通樞紐高效的客運功能。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)成本和運營費用更低[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)計和制造成為廣受關(guān)注的焦點。豐臺站在高架正線之間及其外側(cè)設(shè)計了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)計及合理性驗證

2.1 梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

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座上，調(diào)整支座標(biāo)高和中心距，對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，且混凝土等級比梁體高一級，混凝土配合比要試驗確定。施工前對梁體原界面進(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)時間不少于14 d，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%后方可吊裝。

(5)針對斜交跨線的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 有限元模型計算分析

針對狹窄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)計荷載[5－6]，對比分析整體預(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: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，對比兩種工況在同樣設(shè)計荷載作用下的變形情況。計算分析如圖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比可知，相同設(shè)計荷載作用下，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 靜載試驗驗證

2.3.1 靜載試驗方案制定

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。制定如下試驗方案:

(1)試驗前，梁體安裝支座，并對支座底板標(biāo)高進(jìn)行測量和調(diào)整，保證梁體4個支座的標(biāo)高一致。

(2)采用3臺千斤頂進(jìn)行逐級加載[8]，總荷載值Pk如表1所示。加載前測量初始值，從Ka級開始逐級測量梁體撓度值。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)靜載試驗按照2個循環(huán)進(jìn)行[9]:第1循環(huán)逐級加載至1.00倍設(shè)計荷載，第2循環(huán)逐級加載至1.20倍設(shè)計荷載。

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

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

(6)每級持荷時間結(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 試驗結(jié)果分析

2.3.2.1 跨中撓度測量與分析

靜載試驗過程中對梁體跨中撓度進(jìn)行測量和記錄，各級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

梁體靜載試驗過程中，每一級荷載作用下均采用圖像識別測量和人工檢查的方法對梁體裂縫進(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 方案驗證結(jié)論

通過有限元模型計算分析了分體預(yù)制和整體預(yù)制狹窄π形梁的變形和受力，再通過靜載試驗驗證，可以判定梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和分體預(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，同時又保證模具剛度和梁體尺寸精度的原則進(jìn)行設(shè)計制作[12]。針對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，減少脫模阻力。

(4)針對不等高π形梁，底模設(shè)計成可變高組合形式。

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)確對接，鋼筋綁扎胎具要中心對稱設(shè)計，鋼筋綁扎過程中及時進(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?；炷翝仓捎梅謱訚仓に?，混凝土均勻下料，附著式振動器配合插入式振搗棒振搗?；炷翝仓Y(jié)束后，及時加蓋養(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，混凝土等級為C50，混凝土配合比要試驗確定。梁體連接前，對梁體濕接縫處界面進(jìn)行鑿毛處理，調(diào)直外露鋼筋。對接時測量和調(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)計圖一致。鋼筋對接采用焊接，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)。混凝土澆筑前，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)時間不少于14 d，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(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，兩處吊點應(yīng)在一個平面，故底板高處及坡面不作為吊裝點，從坡面的起點往跨中方向延伸0.5 m作為吊裝點。

(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

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

4 結(jié)束語

本文對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)計和制造技術(shù)研究。通過有限元建模分析和靜載試驗驗證，對比分析了設(shè)計荷載下整體預(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，通過靜載試驗驗證:梁體在1.20倍設(shè)計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)計規(guī)范對梁體剛度和耐久性的要求。

(2)狹窄π形梁拆分設(shè)計時，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樱浞挚紤]鋼筋接頭處的連接強(qiáng)度不低于原設(shè)計。要提前做好對接鋼筋位置尺寸的設(shè)計，橋面鋼筋采用V形開口的梳筋板鋼模具精準(zhǔn)定位，避免梁體鋼筋對接時相互沖突或者距離大而無法對接。

(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)行試驗驗證；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)計成鈍角和倒圓過渡，更有利于鋼模具的拆卸，減少拆模對梁體混凝土造成的梁體開裂和硬傷掉角等質(zhì)量問題。