京沪铁路中900 T箱梁施工关键技术

夏 冰

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江 212003)

1 工程概况

京沪高速铁路是目前世界上一次建设标准最高、线路最长、穿越城镇最多的高速铁路,是新中国成立以来投资规模最大、技术含量最高的一项工程；也是我国第一条真正意义上的高速铁路,线路自北京南站西端南侧引出,终到上海虹桥高速站.北京南站站中心至虹桥站站中心正线运营长度1 308.598 km.

中交第二航务工程局有限公司常州制梁场箱梁预制和安装的里程范围为DK 1148+522.00～DK 1177+750,工程正线长度29.228 km,共计852榀预应力双线简支箱梁.所有梁体均为适应CRTS II型板式无砟轨道后张预应力混凝土简支箱梁,其中,31.5 m跨箱梁781孔,23.5 m跨箱梁71孔双线简支箱梁截面类型都为单箱单室结构,梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚.

2 箱梁高性能混凝土施工技术

2.1 高性能混凝土

京沪高速铁路设计对箱梁制造和架设施工质量要求极高,必须满足高速列车开行高安全性、高舒适性和使用寿命的要求.箱梁混凝土采用C 50高性能混凝土[1].

选定的C50预制箱梁混凝土每立方米用量为水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿粉∶外加剂∶水=308∶720∶1080∶72∶100∶4.56∶140(单位：kg)；C50封锚混凝土施工配合比为:水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶外加剂∶膨胀剂=1∶0.45∶0.134∶2.32∶3.48∶0.45∶0.015∶0.097；坍落度：70 mm～90 mm.

2.2 高性能混凝土的浇筑

高性能灌注总的顺序为“先底腹板倒角、再下腹板、再底板、再上腹板、最后顶板”;总的原则为“由一端向另一端进行、左右对称、斜向分段、水平分层”[2].用2台布料机对称布料、连续浇筑,以水平分层的工艺左右对称进行,前后两层混凝土的间隔时间不得超过90 min拌合物入模前进行含气量的测定,含气量控制在2 %～4 %,混凝土入模前模板温度必须在5℃～3℃之间.混凝土浇筑时间控制在6 h左右,混凝土的振捣以插入式振捣为主,以高频侧振为辅.箱梁浇筑顺序见见图1.

同一截面上浇筑先后顺序:底腹板交接处(0～70 cm)→下腹板(70 cm～150 cm)→底板→上腹板(150 cm～240 cm)→顶板.箱梁横断面上分了5个区域,每个区域内要分层下料和振捣,每层下料和振捣厚度不超过30 cm.在每个区域内的分层为斜向分层(厚度是30 cm),斜角(30°～45°;4 m/段～8 m/段),斜向分层的长度视现场坍落度大小而定,坍落度较大取6 m～8 m,坍落度较小取4 m～6 m.第2,3,4区域内的混凝土从北京端向上海端浇筑,当浇筑到3/4梁长位置时侯,两根布料杆再同时从另一端头向中间浇完该区域的混凝土,防止砂浆向上海端头聚集.腹板左右侧必须同时进行,防止腹板混凝土下料不均匀挤偏内模.

图1 箱梁混凝土浇筑示意图

2.3 箱梁混凝土收面

箱梁桥面加高平台与桥面一同浇筑,加高平台平整度控制是混凝土施工控制的难点.先用整平提浆机进行提浆,控制梁顶面标高和倾斜度,整平机按照梁顶面截面形状制作,混凝土浇筑时,可将梁顶截面初次收面;在箱梁端模上加高平台标识处固定夹尺钳,上面用1 mm钢丝作为箱梁顶面收面的边坡点,随后用抹刀进行多次收面,在初凝前定浆后,用抹刀进行最后一次收面,在收面时严禁人工补水[3].

收面时,随时用4 m的铝合金刮尺检测混凝土平整度,对混凝土高处部位及时抹低,混凝土不足部位及时填补,反复进行.按照底模设置的反拱度,在顶板走道上相应位置设置行走轨道,每条行走轨道纵向标高与反拱度相对应,施工时将整平提浆机放置相应位置,依据相应位置梁顶标高,测量整平提浆机底面标高进行梁顶标高控制.往往由于箱内混凝土翻浆严重和混凝土拌合物初凝时间较短,会出现箱内底板及顶板加高平台平整度不良,可增加顶板收面次数,在混凝土初凝前用4 m铝合金逐段检查来解决这个问题.

2.4 高性能混凝土的养护

为加快制梁速度,缩短工期,冬季施工混凝土的养护采用蒸汽养护,其余季节采用自然养护.混凝土箱梁的蒸汽养护时间为静停4 h,升温4 h,温度升至30 ℃～40 ℃,升温速度必须保持在10 ℃/h以内,恒温36 h,再用4 h降至环境温度,降温速度保持在10 ℃/h以内.[4]

自然养护时,梁体表面用土工布覆盖保湿养护.当环境温度5 ℃以上时,可对桥面采用灌水养护.灌水时间在第二次抹面完成后0.5 h～2 h,但以手压表面不留痕为准,水不得直接冲击桥面混凝土,灌水养护时间须在1 d以上;当环境气温低于5 ℃时,梁体表面喷涂养护剂,采取保温保湿措施,禁止对混凝土洒水.

3 箱梁预应力施工技术

3.1 后张法预应力设计概述

(1) 预应力钢筋束布置. 预制箱梁分为无砟、有砟两大类型.其中,有砟箱梁又分为直线无声屏障、直线有声屏障、曲线无声屏障、曲线有声屏障4种类型;无砟箱梁分为直线无声屏、直线有声屏障、曲线无声屏障、曲线有声屏障4种类型,共计8种预应力体系布置类型；

(2) 预应力钢束张拉和锚固. 预应力钢束按照预张拉、初张拉、终张拉3个阶段进行.预张拉带模张拉,但是内模板要松开,同时梁体混凝土强度达到设计值的60 %(33.5 MPa),初张拉在梁体混凝土强度达到设计值的80 %(43.5 MPa)后进行,初拉后即可将梁体吊出预制台座,终张拉在梁体混凝土强度、弹性模量达到设计值(强度53.5 MPa,弹模36.0 GPa)且混凝土龄期大于10 d.采用自锚式拉丝锚固体系,管道形成采用直径分别为90 mm,80 mm和70 mm的抽拔棒[5-6].

3.2 预应力施工

3.2.1 理论伸长值的计算

(1) 参数取值. 钢绞线强度:Ryb=186 MPa;管道摩擦系数:μ=0.575，根据前两孔梁摩阻试验实测取值;管道偏差系数:k=0.002 99，根据前两孔梁摩阻试验实测取值;锚外张拉力:根据设计研究院调整后的锚外张拉控制应力取值;钢绞线相关参数(钢绞线截面积A、钢绞线弹性模量Ep)按各批号钢绞线试验实测取值；

(2) 计算方法. 预应力钢绞线伸长值采用分段计算,箱梁腹板中的预应力钢束为既有竖弯又有平弯的空间曲线束,应以空间曲线的包角计算θ值,X亦应取相应空间曲线的弧长.由于本工程的预应力钢束在平弯方向的距离较短,平弯角较小,可按平面曲线来计算.经验证,其误差很小.同时,从张拉端至计算截面的孔道长度(m)也近似按X轴投影长度计算.分段第一段长度应加上工作锚具至工具锚具段钢绞线工具长度,每端按0.5 m计.具体分段如图2所示.

图2 预应力钢束分段示意图

① 分段终点力计算

Px=P0×e-(kx+μθ)

(1)

式中,Px为与锚具相隔X的后张力;P0为锚具的后张力,即设计张拉力,张拉作业中以钢绞线在初始力荷载作用下为伸长的起点,则P0=P控-P初;e-自然对数的基数;μ为管道摩擦系数;k为管道偏差系数;θ=在X距离内管道所用平面的角度偏差总和,以弧度表示.

② 分段平均张拉力计算

Pab=(Pa-Pb)/(kX+μθ)；Pbc=(Pb-Pc)/(kX+μθ)；Pcd=(Pc-Pd)/(kX+μθ)

(2)

③ 分段伸长量计算

(3)

总伸长量ΔL=2×(ΔLab+ΔLbc+ΔLcd)

(4)

3.2.2 后张箱梁张拉控制应力计算

(1) 参数取值. 张拉时,锚口及管道内受力复杂,至今仍无较为准确的计算公式,一般需通过现场测定来得出预应力损失值.通过现场对选定的两孔32m箱梁孔道进行摩阻实验实测,求出孔道偏差系数k=0.002 99和孔道摩阻系数μ=0.575,从而通过公式σn=σk[1-e(μθ+kX)]求出孔道摩阻导致的预应力损失σn.预应力束在施工中为两端同时张拉,换算到跨中时,实测32m箱梁跨中管道摩阻比设计大1.4%;锚口和喇叭口摩阻损失为6.1%,锚具回缩量ΔL为5.62 mm.根据规范,知道设计张拉控制应力σcon≤0.75fpk=1 342.95 MPa.

(2) 管道摩阻实测值σL1和设计值σL1′

σL1=σcon[1-e-(μθ+kX)]=135.3 MPa；σL1′=σcon[1-e-(μθ+kX)]=104.7 MPa

(5)

式中,σL1为由于摩擦引起的应力损失(MPa);σcon为锚下控制应力,考虑锚圈口摩阻为控制应力的6.1%.此时:σcon=1 342.95×(1-6.1 %)=1 261.03 MPa;θ为从张拉端至计算截面的长度上,预应力筋弯起角度之和.此时:θ=2 264/20 000=0.113 2 rad;k为实测为0.002 99,设计采用的为0.001 5;μ为实测为0.575,设计采用0.55;X为从张拉端至计算截面的管道长度跨中时,X=16.2 m.

(3) 锚圈口与喇叭口的摩阻实测值σ锚和设计值σ锚′

锚口和喇叭口摩阻损失实测为6.1 %,设计为6 %.

σ锚=1 342.95×6.1 %=81.92 MPa;σ锚′=1 342.95×6 %=80.58 MPa

(4) 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩应力损失实测值σL2与设计值σL2′

锚具回缩量实测值ΔL=5.62 mm,设计值ΔL′=6 mm.

σL2=ΔL×Ep/L=33.8 MPa；σL2′=ΔL′×Ep/L=36.1 MPa

(6)

(5) 张拉应力. 调整后的锚下控制应力:

σcon′=σcon(1-6.1%)+(σL1-σL1′)+(σL2-σL2′)=1 293.9 MPa≤1 342.95 MPa(可以)

(7)

调整后的锚外控制应力为:

σcon外=σcon+(σL1-σL1′)+(σL2-σL2′)+(σ锚-σ锚′)=1 377.19 MPa

(8)

3.2.3 张拉操作步骤

预施应力按预张拉、初张拉和终张拉3个阶段进行.预制梁带模预张拉时,混凝土强度应达到设计强度的60%,内模板应松开,不应对梁体压缩造成阻碍.张拉数量及张拉力值按理论计算出的设计值取值.[7]

(1) 预张拉. 当梁体混凝土强度达到设计值的60 %(33.5 MPa)后,拆除端模、松内模后,按照设计要求对梁体进行预张拉.为防止梁体早期裂纹,应尽早进行预张拉.

张拉顺序如下(σk—指张拉控制应力,σk1—指预张设计应力):

0→0.2σk(测伸长值,测工具锚夹片外露)→σk1(静停5 min)→补油σk1(测伸长值,测工具锚夹片外露)→回油锚固.

(2) 初张拉. 当梁体混凝土强度达到设计值的80 %(43.5 MPa),脱出内模后,按照设计要求对梁体进行初张拉.初张拉结束后,方可将梁体移出台座.张拉顺序如下:

0→0.2σk(测伸长值,测工具锚夹片外露)→σk1(静停5 min)→补油σk1(测伸长值,测工具锚夹片外露)→回油锚固.

(3) 终张拉. 当梁体混凝土强度及弹性模量达到设计值(强度为53.5 MPa,弹模36.0 GPa)且混凝土龄期大于10 d时,进行终张拉.张拉顺序如下:

0→0.2σk(测伸长值,测工具锚夹片外露)→σk(静停5 min)→补油σk(测伸长值,测工具锚夹片外露)→回油锚固(测总回缩量、测工作锚夹片外露)→画线作钢绞线滑丝观察标记.

3.3 张拉数据

油表读数是预应力施工控制过程中最直接最关键的一步,张拉过程以油表读数控制为主.钢绞线实测伸长值Δl(mm):

Δl=(lH-l0)+(ΔH-Δ0)

(9)

式中,Δl为两端工具锚之间的钢绞线在P=P控-P初荷载作用下的伸长值,以初始荷载作用下作为伸长值测量的起点;lH,ΔH别为张拉控制荷载下张拉缸,工具夹片外露长度(mm);l0,Δ0分别为张拉初始荷载下张拉缸,工具夹片外露长度(mm).可以让实测伸长值与之前的理论计算伸长值进行对比验证,来验证预应力施工有没有达到预计的要求.

4 结语

(1) 高性能混凝土对混凝土施工工艺每道环节要求均比较高,在施工中必须严格控制每道工序施工质量,注重每个施工细节,以适应铁路工程尤其是高速铁路或客运专线对工程质量的要求;

(2) 在施工中注重科学的探讨和创新,并且根据实际情况解决问题,在配合比、浇筑、收面和养护等过程中根据技术要求和实际需要不断创新探讨,本文中的施工技术成果很不错;

(3) 预应力中采用优化过的经验公式,并且用理论来指导施工,用施工数据来调整理论数据,这样将理论与实践完全结合在了一起;

(4) 预应力施工中,尤其注意不断调整张拉控制力,并且能实行正确的应力张拉控制工艺,最后计算得到钢筋束实际伸长值与理论伸长值偏差控制在6%范围内,证明此预应力施工技术和计算方法是科学的.

参 考 文 献

[1] 杨汉峰.石武客运专线漯驻特大桥高性能混凝土施工工艺探讨[J].铁道标准设计,2010,17(3):21-29.

[2] 许红梅,王忆宁.高性能混凝土施工质量控制措施[J].铁道建筑,2010,29(6):513-521.

[3] 高华东,曹 晨.高性能混凝土施工技术[J].北京工业大学学报,2010,7(1):76-89.

[4] 孙 树,刘加平,缪昌文.客运专线箱梁高性能混凝土施工技术[J].混凝土,2008,33(2):132-147.

[5] 翟 伟,丁 毅.后张拉预应力梁施工技术[J].煤炭工程,2002,3(5):65-70.

[6] 李学斌,侯建军,马 林.铁路桥梁预应力管道摩阻试验方法及控制[J].铁道标准设计,2011,5(11):712-833.

[7] 范 勇.京石客运专线双线整榀箱梁预应力施工技术[J].铁道标准设计,2010,7(1):35-41.