高速铁路40 m跨箱梁预应力混凝土试验台座设计与施工技术

伊立刚

(中铁十四局集团房桥有限公司，北京 102400)

为了满足我国高速铁路的建设需求，从2014年起，我国就已经开始进行大跨度简支梁的技术研究。2016年03月，铁路总公司《高速铁路大跨度简支梁建造关键技术研究》正式启动，开始研究和推广跨度40 m预应力混凝土简支箱梁。为了验证40 m箱梁的结构受力性能，需要模拟梁体在各种工况下的受力状态，进行梁体加载试验。由于需考虑的梁体工况繁多，加载力值大，加上40 m箱梁的自重大、跨度长，如何设计出一种既满足试验需求又便于施工的试验台座，成为了课题继续进行的关键。

1 试验台座设计

1.1 设计要求及相关参数

(1)设计要求：①试验台座及配套工装应能满足提供40 m箱梁各项加载试验(包括梁体静载试验、运营性能试验、抗裂性能试验、破坏试验、吊梁顶梁试验及桥面板试验等)所需试验反力的要求。②台座的强度、刚度、稳定性需满足要求。40 m梁加载级K=2.0级作用下，台座上拱挠度f≤5.0 mm，台座上缘拉应力σ≤2.0 MPa。

(2)相关参数：①40 m箱梁全长40.6 m，跨度39.3 m，底板宽5.4 m，桥面宽12.6 m，支座间距4.4 m，线间距5.0 m，梁体自重925 t。②静载试验采用不同于现行32 m箱梁的7截面加载方案，加载截面间距为4 m，每个截面2个加载点，加载点横向间距6 166 mm，K=1.20级(1.2倍设计荷载)对应单点加载力值1 200 kN。③梁体破坏试验K=2.0级(2.0倍设计荷载)下单点最大加载力值2 100 kN[1]。

1.2 场区工程地质情况

除表层杂填土外，场区土体以卵石土为主，地基承载力标准400～450 kPa，但土体结构松散，边坡稳定性差，不利于基坑开挖或钻孔打桩。

1.3 试验台座结构选型

在铁路箱梁预制中，试验台座的结构型式，往往取决于静载试验架的选型。当采用内力自平衡式静载试验架时，试验台座仅起到基础支撑作用，无须提供试验反力，采用扩大基础或桩基础即可。当采用门架式静载试验架时，试验台座需提供试验反力，目前，主要有重反力式和抗拔桩式两种。

(1)重反力式：试验台座为钢筋混凝土结构，依靠结构自重来提供试验所需反力。优点是结构简单，施工速度快；缺点是混凝土方量大，成本高。

(2)抗拔桩式[2]：抗拔桩为混凝土灌注桩或预制桩，依靠桩身与土体的摩擦力来提供试验所需反力。优点是施工速度快，混凝土方量较小，成本较低；缺点是在碎石土地基中桩身开挖困难，当所需试验反力较大时，桩长显著增大，成本也显著提高。

考虑到本项目的试验需求和场区工程地质情况，以上两种型式的试验台座均不适用，因此，自行设计了一种鱼腹式预应力钢筋混凝土试验台座。

1.4 试验台座构造及检算

试验台座采用预应力钢筋混凝土结构，截面形式采用鱼腹式，两端为实心矩形，中部为箱型，台座整体外观见图1。

图1 试验台座外观

(1)各部尺寸：台座全长43.0 m，高2.5～4.5 m，宽9.9～12.9 m，从台座跨中向两端设置7个横隔板，横隔板宽9.9 m、厚1.0 m、高4.5 m，布置加载反力预埋吊带。各部尺寸详见图2。混凝土总方量1 091 m3，混凝土标号C40。普通钢筋采用HRB400热轧螺纹钢筋，规格为∅20 mm、∅16 mm、∅12 mm。

(2)预应力布置：台座内布置6束预应力束，预应力钢筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224预应力钢绞线，采用15孔锚具，每束锚外张拉控制应力为1 400 MPa，预应力张拉荷载共计2 940 kN×6=17 640 kN。预应力孔道直径100 mm，采用金属波纹管成孔。预应力筋布置见图2。

图2 试验台座外形尺寸及预应力钢筋布置(单位：mm)

(3)预埋吊带：在梁体加载试验中，台座内的预埋吊带用于与门架式静载试验架连接，将试验反力传递给试验台座。为了满足试验需求，在台座内共预埋9组18根预埋吊带。预埋钢吊带采用Q345钢材。其中跨中左右的7组用于梁体静载试验、破坏试验等，一端的2组用于模拟运架梁时梁端受力性能试验。此外，在台座两端两侧布置有4处钢管混凝土立柱，用于模拟提梁机提梁时梁端受力性能试验。布置见图3。

图3 预埋吊带及钢管混凝土立柱布置图(单位：mm)

(4)设计检算情况：根据Midas Civil建模计算结果，试验台座在张拉、K=1.20级、K=2.0级的不同荷载工况下设计检算结果见表1。

2 试验台座施工技术

试验台座施工工艺流程：基坑开挖与支护→混凝土垫层施工→预埋吊带制作与安装→钢筋加工、绑扎→台座主体混凝土施工→混凝土养护→预应力张拉→管道压浆→封锚→周边土方回填压实。

2.1 基坑开挖与支护

本工程基坑开挖深度2.4～4.4 m，基坑周围无高大建筑，无地下管线，按照危险性较大的分部分项工程编制了基坑开挖专项施工方案。主要施工技术要点如下：

(1)在场区内同时设置了3个平面测量控制基准点和3个水准测量基准点，使用全站仪进行基坑平面位置的测量放样，使用水准仪进行高程的测量控制。

(2)基坑开挖至上而下水平分层分段进行，总体上分4层，每层1 m左右。

(3)基坑边坡采用土钉墙挂网喷浆支护，每层开挖完成后，即在边坡土体内打入土钉进行加固，土钉采用∅16 mm螺纹钢筋，土钉长2 m，土钉间距2 m，土钉与边坡表面垂直，土钉墙表面挂铁丝网(规格：重60刀)，表面喷水泥砂浆支护，砂浆厚度不小于60 mm，铁丝网的搭接长度不小于300 mm。

(4)先以挖掘机挖至坑底设计标高以上20～30 cm，然后人工清理至设计标高，以免扰动基底，确保地基承载力。随后，使用挖掘机碾压基底2～3遍，保证基底平整密实。开挖完成后，为避免基底长时间暴露，要立即浇筑混凝土垫层，垫层采用C30混凝土，厚度150 mm。

2.2 预埋吊带制作与安装

(1)预埋吊带钢材采用Q345B，焊条采用T506或T502焊条。为确保焊缝内部均匀稳定，采用分层施焊工艺，第1层焊缝选用较细的焊条，以确保角点处焊接质量。每层焊缝全部完成后再进行下一层的焊接。焊接后钢吊带应保持平整与顺直，外形尺寸容许误差为±2 mm，钻孔定位容许误差为±1 mm。

(2)钢吊带安装采用吊车辅以人工配合进行，为确保安装定位精度，由测量人员使用全站仪和水准仪精确控制钢吊带的位置和标高，符合要求后焊接固定；同时考虑到钢吊带高度达5 m，为避免由于钢筋绑扎、混凝土浇筑等原因导致钢吊带偏离设计位置，在相邻的钢吊带之间使用拉杆进行连接固定(见图4)，增加整体稳定性。

图4 预埋钢吊带安装

2.3 钢筋绑扎

(1)施工缝处(南北两端实心段与中段连接处)纵向受力钢筋的连接采用单面搭接焊，焊缝长度不小于10d；其余部位纵向受力钢筋的连接均采用搭接绑扎，最小搭接长度为40d。

(2)预应力管道成孔采用预埋金属波纹管成孔，为保证管道中心位置准确，专门设计有管道定位网片，网片采用∅10 mm圆钢制作，设置间距不超过500 mm。

(3)为检测试验台座在张拉和加载试验时的实际受力情况，验证设计效果，在台座跨中顶板上层(跨中偏南2 m处)和分段浇筑施工缝处(距北端11 m)分别预埋了8根和2根振弦式应变计，布置位置如图5所示。

图5 振弦式应变计布置(单位：mm)

2.4 台座主体混凝土施工

由于试验台座几何尺寸较大，总混凝土方量达到1 091 m3，为了便于施工，同时更好的控制大体积混凝土的施工质量，在综合考虑台座受力状态的基础上，将试验台座分为5个部分，按照底板→中段腹板→北端实心段→南端实心段→中段顶板的顺序进行施工。施工过程见图6。

图6 台座主体混凝土施工

2.5 预应力张拉

台座张拉采用两端同步对称张拉工艺，张拉顺序为N1→N3→N2，锚外张拉控制应力为1 400 MPa。张拉用千斤顶及油压表经配套检定合格，张拉以张拉力控制为主，伸长值作为校核。

张拉过程中，对试验台座的应力及变形情况进行了监控。每张拉2根钢绞线读1次应变读数，1#测点累计应变-39，2#测点累计-23，3#测点累计-17，9#测点累计-35，10#测点累计-54。其余测点数据无效。按照弹性模量35 GPa换算，各应变测点处实测推算应力分别为1#测点-1.37 MPa，2#测点-0.81 MPa，3#测点-0.60 MPa，9#测点-1.23 MPa，10#测点-1.89 MPa。有效测点推算应力平均值为-0.93 MPa。使用精密水准仪测量的跨中下挠量为1.0 m，与设计结果基本相符(见表1)。

2.6 管道压浆和封锚

表1 不同工况下试验台座应力与变形统计表

注：①拉应力为正，压应力为负。②反力台座每个单元节段长度0.5 m、宽度9 m。假定地基对台座结构每节点的支撑刚度为105kN/m。

台座张拉完成24 h后，检查钢绞线无滑丝现象，使用机械切割的方式切断多余的钢绞线。随后，在张拉结束后48 h之内进行管道压浆，压浆材料选用管道压浆料，设备采用全自动压浆台车，使用真空辅助压浆工艺，确保压浆饱满密实。封锚采用干硬性补偿收缩混凝土，封锚完成后覆盖薄膜保湿养护。

3 试验台座实际应用

8月中旬完成试验台座施工，11月至次年2月，在试验台座上陆续进行了40 m箱梁的各项加载试验(见图7)，包括梁体静载试验、运营性能试验、抗裂性能试验、破坏试验、吊梁顶梁试验及桥面板试验等。

图7 梁体加载试验

对K=1.20级和K=2.0级加载荷载下试验台座的应力和变形情况进行了跟踪测量，数据见表1。

从表1可看出，试验台座的应力及变形控制均达到了设计要求。实践表明，试验台座的强度、刚度、稳定性均满足试验需求，保障了研究课题的顺利进行。

4 结束语

与传统的重反力式试验台座和抗拔桩式试验台座相比，鱼腹式预应力钢筋混凝土试验台座可以减少混凝土用量，造价更低，并且受工程地质条件的影响较小，适用范围更广。对于使用门架式静载试验架的预制梁场或试验工况较多、加载力值大的项目，具有一定的推广应用价值。