高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)制裝配整體式橋面系性能研究

侯宇飛

(中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200436)

引言

隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展和技術(shù)進步，橋梁建造正朝著設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、施工裝配化和機械化、管理信息化的方向發(fā)展，因此鐵路橋梁裝配式技術(shù)有望成為今后橋梁的重要施工方法之一[1-6]。

從目前的研究成果和工程應(yīng)用情況看，裝配式橋梁研究重點集中在上部結(jié)構(gòu)[7-13]、下部結(jié)構(gòu)(橋墩、蓋梁)[14-18]和連接件[19-20]的結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)性能和施工工藝等方面，而對橋面附屬設(shè)施研究偏少。根據(jù)高速鐵路橋梁施工和運營狀態(tài)的調(diào)研結(jié)果，目前橋面附屬設(shè)施除遮板為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)外，防護墻、電纜槽和豎墻等均采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，存在施工周期較長、現(xiàn)場工作量大、現(xiàn)場質(zhì)量難以控制、運營期間養(yǎng)護維修工作量大等問題。

為系統(tǒng)提高鐵路橋梁裝配式技術(shù)，實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面附屬設(shè)施全預(yù)制裝配式施工，亟需對裝配式橋面系進行系統(tǒng)研究，形成完整的橋面裝配技術(shù)體系。主要針對高速鐵路橋梁橋面系中的預(yù)制裝配整體式防護墻結(jié)構(gòu)方案、施工工藝及力學(xué)性能試驗進行了研究。

1 預(yù)制拼裝橋面系結(jié)構(gòu)方案

高速鐵路橋梁主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)形式，與公路橋梁相比，高速鐵路橋梁橋面系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括遮板、防護墻、豎墻和電纜槽底板等構(gòu)件。考慮現(xiàn)場預(yù)制安裝方便、施工工效等因素，提出3種預(yù)制拼裝橋面系附屬結(jié)構(gòu)方案并進行對比分析。

1.1 分離式結(jié)構(gòu)(遮板)

分離式橋面系結(jié)構(gòu)方案即將整個橋面系橫截面分成3個構(gòu)件單獨預(yù)制安裝，分別為構(gòu)件A：遮板和豎墻；構(gòu)件B：電纜槽和豎墻組成的“山”形構(gòu)件；構(gòu)件C：防護墻(或擋砟墻)，如圖1所示。其中，構(gòu)件A遮板和豎墻、構(gòu)件C采用灌漿波紋管與主梁連接，構(gòu)件B采用輕質(zhì)混凝土形成獨立電纜槽，通過砂漿座漿與梁體連接固定。

圖1 分離式結(jié)構(gòu)方案

1.2 整體式結(jié)構(gòu)(遮板)

整體式橋面系結(jié)構(gòu)方案(遮板)將防護墻、豎墻、遮板、電纜槽等橋面系結(jié)構(gòu)整體預(yù)制安裝，如圖2所示。整體結(jié)構(gòu)通過砂漿座漿與梁體固定后，遮板、防護墻再采用灌漿波紋管與主梁連接固定。

圖2 整體式結(jié)構(gòu)方案(遮板)

1.3 整體式結(jié)構(gòu)(邊墻)

我國目前運營的高速鐵路箱梁均使用遮板構(gòu)造安裝欄桿及聲屏障，本方案中提出使用邊墻安裝欄桿和聲屏障的橋面布置方式。與傳統(tǒng)的預(yù)制遮板式橋面欄桿和聲屏障橋面安裝方式相比，采用邊墻方案的橋面布置能夠有效節(jié)省混凝土和鋼筋用量。采用邊墻的整體式方案包括防護墻、豎墻、邊墻和電纜槽底板，預(yù)制裝配構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)塊長1 980 mm，梁端塊長2 310 mm，相鄰兩構(gòu)件間距為20 mm，如圖3所示。裝配構(gòu)件在連接之前，根據(jù)欄桿或聲屏障安裝需求適當(dāng)調(diào)整位置，在構(gòu)件與橋面之間灌注自充填聚合物砂漿，并在防護墻和邊墻處通過預(yù)埋套筒和螺栓與梁體連接。

圖3 整體式結(jié)構(gòu)方案(邊墻)(單位：mm)

1.4 方案比選

對3種裝配式橋面系附屬結(jié)構(gòu)方案從整體性、可實施性、預(yù)制安裝難易程度等方面進行對比分析。方案1：分離式結(jié)構(gòu)方案具有構(gòu)件易存放，質(zhì)量小，便于運輸與吊裝等優(yōu)點，但存在結(jié)構(gòu)整體性能差，施工工序繁瑣，安裝精度要求高等缺點；方案2：整體式結(jié)構(gòu)方案(遮板)具有結(jié)構(gòu)整體性能好，施工操作工序簡捷的優(yōu)點，但存在構(gòu)件吊重大，遮板處外形不規(guī)則，連接構(gòu)造精度要求高等缺點；方案3：整體式結(jié)構(gòu)方案(邊墻)取消了遮板，采用邊墻安裝欄桿和聲屏障，有效節(jié)省了混凝土和鋼筋用量，減小了構(gòu)件吊重質(zhì)量，而且構(gòu)件幾何外形規(guī)則，易于預(yù)制和存放，采用螺栓連接件實現(xiàn)梁體與構(gòu)件的連接，提高裝配施工效率。

因此，推薦方案3作為高速鐵路橋面系附屬結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配法施工的結(jié)構(gòu)方案。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

針對裝配式橋面系附屬設(shè)施構(gòu)件預(yù)制、養(yǎng)護、吊裝，以及梁體預(yù)埋套筒定位、砂漿墊層施工等關(guān)鍵施工技術(shù)，通過工藝試驗，進行了施工方案優(yōu)化。

2.1 構(gòu)件預(yù)制與養(yǎng)護

預(yù)制件鋼筋采用整體綁扎成型，鋼筋整體吊裝入模。針對構(gòu)件截面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆模困難、棱角易破損等難點，通過施工工藝優(yōu)化，采用部分開合式整體模板系列工裝，反向預(yù)制工藝，預(yù)制時錨固螺栓處預(yù)留槽孔，以方便螺栓施擰。構(gòu)件澆筑完成后及時灑水養(yǎng)護或用蒸汽發(fā)生器進行保濕保溫養(yǎng)護，強度達到2.5 MPa后，拆除四周側(cè)模，待強度達到設(shè)計強度60%(即30 MPa)后，液壓模板利用千斤頂頂升脫模，構(gòu)件整體吊出底模。預(yù)制時在構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋M20吊裝套筒，側(cè)模拆除后，套筒上安裝螺栓，吊帶吊裝螺栓輔助脫模、翻轉(zhuǎn)。

2.2 構(gòu)件存放與運輸

構(gòu)件預(yù)制場規(guī)劃有構(gòu)件存放區(qū)，預(yù)制件規(guī)劃存放數(shù)量為320塊，預(yù)制件存放采用單層存放方式，在防護墻和邊墻下方設(shè)置10 cm×10 cm方木支墊。預(yù)制件單塊質(zhì)量為2.2 t，采用平板運輸車運輸。見圖4。

圖4 預(yù)制件存放

2.3 箱梁預(yù)埋套筒定位

箱梁預(yù)埋套筒定位時采用60 mm×80 mm方鋼制作為定位胎具，外側(cè)固定在梁體側(cè)模上方，內(nèi)側(cè)通過鋼筋支撐，在確保橫向、縱向精度的同時，還可同時保證垂向預(yù)埋套筒的高程滿足規(guī)定要求。通過本方法，預(yù)埋套筒水平定位誤差可控制在2 mm以內(nèi)，垂向定位高度誤差可控制在3 mm以內(nèi)。如圖5所示。

圖5 箱梁預(yù)埋套筒定位(外置定位胎具)

2.4 構(gòu)件吊裝

構(gòu)件采用四點吊裝，吊點位于試件兩側(cè)。構(gòu)件定位前，首先安裝連接螺栓，在連接螺栓上安裝可調(diào)高圓盤，通過旋轉(zhuǎn)圓盤微調(diào)高度，實現(xiàn)四角水平，然后構(gòu)件吊裝就位，就位前在橫向和縱向通過人工微調(diào)，確保構(gòu)件水平向位置準(zhǔn)確，就位完成后卸掉吊裝工具，見圖6。

圖6 構(gòu)件吊裝

2.5 砂漿墊層施工—坐漿法

綜合考慮施工工藝和造價，采用坐漿法進行砂漿墊層施工。坐漿采用普通砂漿，以一個預(yù)制塊為一個單元進行坐漿。坐漿前先安裝擋漿模板，砂漿攪拌均勻后在模板范圍內(nèi)攤鋪砂漿，砂漿頂面鋪成中間略高于四周的形狀，平均厚度控制在20mm。

3 整體式防護墻力學(xué)性能試驗

為了檢驗這種新型高速鐵路橋梁預(yù)制裝配整體式防護墻的工作性能，尤其是其極限承載力是否滿足設(shè)計要求，制作1個標(biāo)準(zhǔn)塊段的足尺模型試件，進行了防護墻力學(xué)性能試驗。

3.1 試驗設(shè)計

3.1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造及材料特性

本次試驗按時速350 km 32 m簡支箱梁梁體配筋澆筑試驗平臺，全部試驗均在試驗平臺上完成。按照設(shè)計方案，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制塊段長度為2 m，預(yù)制塊混凝土為C50高性能混凝土，混凝土澆筑由自建攪拌站供應(yīng)，澆筑時控制坍落度在120～140 mm。

3.1.2 加載方式

防護墻主要承受橫向荷載，參考現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路裝配式防護墻水平脫軌荷載按100 kN/m考慮，其作用點位于防護墻頂面。本次防護墻力學(xué)性能試驗包括兩個荷載工況，一是模擬防護墻在脫軌荷載作用下的力學(xué)性能；二是進行靜力破壞試驗，檢測防護墻橫向極限承載力。

首先進行防護墻脫軌荷載試驗，采用2臺千斤頂同步加載，千斤頂平行放置于試件縱向1/4和3/4處，千斤頂前端安裝測力計，采用工字鋼模擬施加均布荷載。為保證試驗數(shù)據(jù)可靠，防護墻按照預(yù)加載、0.2級、0.4級、0.6級、0.8級、1.0級分級加載，重復(fù)加載3次。

然后進行防護墻極限承載力試驗，加載方式和脫軌荷載試驗相同，緩慢加載直至防護墻達到極限承載力破壞。防護墻加載圖示見圖7。

圖7 防護墻水平荷載加載圖式

3.1.3 測點布置

在防護墻線路側(cè)底部和中部布設(shè)2排外貼振弦應(yīng)變計，每個試件共9個應(yīng)變測點；在防護墻頂部布設(shè)位移計，每個試件共2個位移測點。測點布置如圖8所示。

圖8 防護墻力學(xué)性能試驗測點布置

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 防護墻脫軌荷載試驗試驗結(jié)果

進行防護墻脫軌荷載試驗，采用分級加載方式，由0加載至100 kN的設(shè)計荷載，試驗過程中密切關(guān)注橫向位移、防護墻底部應(yīng)變，以及結(jié)構(gòu)表面和砂漿墊層裂紋情況。通過3次循環(huán)加載過程可知，加載至20 kN/m時，位移和應(yīng)變隨荷載的增加線性增大，結(jié)構(gòu)表面和砂漿層無可見裂紋；加載至40 kN/m時，防護墻頂部最大位移分別為1.78 mm和1.91 mm，砂漿層出現(xiàn)可見裂紋，但未橫向貫通，防護墻線路側(cè)受拉區(qū)出現(xiàn)分散的微小裂紋；加載至80 kN/m時，砂漿層裂紋橫向貫通；加載至100 kN/m時，防護墻內(nèi)側(cè)受拉區(qū)出現(xiàn)分布式裂紋，部分連通，墻體承載力滿足設(shè)計值要求。卸載后開裂砂漿層存在明顯殘余裂縫，進行第2、第3次循環(huán)加載，兩次結(jié)構(gòu)位移曲線基本重合。圖9給出了防護墻頂部橫向位移實測結(jié)果，圖10給出了防護墻線路側(cè)底部應(yīng)變實測結(jié)果。

圖9 防護墻頂部橫向位移隨加載值的變化

圖10 第一組試件防護墻線路側(cè)應(yīng)變

3.2.2 防護墻極限承載力荷載試驗結(jié)果

完成脫軌試驗后，進行防護墻極限承載力試驗，重復(fù)加載過程，直至破壞，試驗結(jié)果見圖11，防護墻破壞形式見圖12。

圖11 極限荷載作用下防護墻位移試驗結(jié)果

圖12 防護墻破壞形式

圖11、圖12的靜力破壞試驗表明，防護墻極限承載力為165 kN/m，與防護墻理論極限承載力168 kN/m基本吻合，實測破壞位置與理論分析位置相同，可以滿足設(shè)計荷載要求，防護墻達到極限承載力時，實測頂部最大位移為17.3 mm，底部最大位移為11.8 mm，防護墻底部砂漿層完全脫開，結(jié)構(gòu)達到極限破壞狀態(tài)。此時通信信號槽底板最薄斷面(緊貼倒角處)下緣開裂明顯，上緣混凝土局部受壓破碎，豎墻外側(cè)砂漿層無明顯破損，電力槽底板未見明顯裂紋。

4 結(jié)論

通過開展高速鐵路預(yù)制裝配整體式防護墻施工技術(shù)研究，對施工工藝、工藝工裝等進行優(yōu)化，保證施工質(zhì)量。同時開展試制足尺試件試驗，對構(gòu)件力學(xué)性能進行驗證，構(gòu)件受力性能滿足規(guī)范要求，防護墻承載能力有足夠安全余量，試驗加載各階段破壞特征與理論設(shè)計吻合，可以應(yīng)用于工程實際。高速鐵路橋梁裝配式橋面附屬結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)首次應(yīng)用于京雄城際鐵路，工廠化環(huán)境穩(wěn)定、現(xiàn)場澆筑量減少，施工安全系數(shù)更高；模塊化、機械化生產(chǎn)方式，較傳統(tǒng)施工工藝，質(zhì)量更可靠。采用裝配式建造技術(shù)，施工現(xiàn)場作業(yè)量明顯減少，泥漿、粉塵、噪聲等污染顯著降低，環(huán)保效果突出。裝配式橋梁構(gòu)件預(yù)制和現(xiàn)場安裝同步，實踐證明大大加快了施工速度。本工藝在京雄城際鐵路五標(biāo)固霸特大橋成功應(yīng)用，為今后國內(nèi)高速鐵路橋梁的裝配式施工提供了可靠的決策依據(jù)和借鑒價值，對裝配式施工在高速鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的推動作用。