雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制混凝土簡(jiǎn)支箱梁力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李學(xué)斌 曹廣利 王繼軍 唐濤 李元 呂啟兵

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，合肥 230041；3.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410004；4.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 610213）

1 工程概況

印度尼西亞雅加達(dá)至萬(wàn)隆高速鐵路是中國(guó)高速鐵路首次全系統(tǒng)、全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈走出國(guó)門(mén)，是一帶一路倡議的標(biāo)志性項(xiàng)目。雅萬(wàn)高速鐵路為雙線鐵路，最高設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，正線全長(zhǎng)142.3 km，其中雅加達(dá)市域內(nèi)3.6 km，西爪哇省域內(nèi)138.7 km。鐵路沿線設(shè)哈利姆、加拉璜、瓦里尼、德卡魯爾4 座車站和德卡魯爾動(dòng)車段。全線平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 雅萬(wàn)高速鐵路線路平面布置

雅萬(wàn)高速鐵路全線采用中國(guó)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工。全線路基段累計(jì)37.283 km，占線路全長(zhǎng)的26.2%；橋梁共57 座，累計(jì)88.329 km，占線路全長(zhǎng)的62.1%；隧道共13 座，均為單洞雙線隧道，累計(jì)16.688 km，占線路全長(zhǎng)的11.7%。最長(zhǎng)隧道為6 號(hào)隧道，長(zhǎng)度為4.440 km。雙線涵洞共81 座。設(shè)計(jì)時(shí)速300 km 及以上線路采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，其余低速地段和沉降不易控制的特殊地質(zhì)地段采用有砟軌道。全線無(wú)砟軌道的鋪設(shè)長(zhǎng)度為79.6 km，鋪設(shè)區(qū)段為CK16+000—CK95+600。

全線設(shè)3個(gè)制梁場(chǎng)，共計(jì)劃預(yù)制箱梁2 535孔。其中，32 m 雙線簡(jiǎn)支箱梁為主梁型，24 m 和非標(biāo)雙線簡(jiǎn)支箱梁用于調(diào)跨。預(yù)制箱梁架設(shè)總長(zhǎng)度為79.842 km，占全線橋梁總長(zhǎng)度的90.4%，占線路全長(zhǎng)的56.1%。因此，預(yù)制箱梁的施工質(zhì)量對(duì)全線工程質(zhì)量影響較大。截至2020 年11 月，已制備完成預(yù)制箱梁590 孔，約占計(jì)劃總量的23.3%，見(jiàn)表1。，其中，1#和2#制梁場(chǎng)已制備完成的箱梁適用于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km 的線路，而3#制梁場(chǎng)已制備完成的箱梁適用于設(shè)計(jì)時(shí)速200 km的線路。

表1 雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制箱梁數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2 混凝土材料力學(xué)性能

雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制箱梁采用C50 混凝土，原材料均選自印尼當(dāng)?shù)亍；炷僚浜媳纫?jiàn)表2。混凝土膠凝材料總量均不超過(guò)500 kg/m3；水膠比均為0.31，不大于0.35，符合TB/T 3432—2016《高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁》［1］的規(guī)定。

表2 預(yù)制箱梁混凝土配合比 kg·m-3

在箱梁灌筑混凝土過(guò)程中隨機(jī)取樣，制作10 d 齡期施工試件和28 d 齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件，測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。28 d齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量分布見(jiàn)圖2。可知：施工試件抗壓強(qiáng)度最小值為53.8 MPa，彈性模量最小值為35.8 GPa，滿足終張拉施工對(duì)梁體混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的指標(biāo)要求［1］；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度最小值為57.2 MPa，彈性模量最小值為38.3 GPa，滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］及TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［3］的要求。依據(jù)TB 10425—2019《鐵路混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》［4］計(jì)算，雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制箱梁具有95%保證率的混凝土抗壓強(qiáng)度為59.1 MPa，彈性模量為39.1 GPa。

表3 預(yù)制箱梁試件混凝土抗壓強(qiáng)度

表4 預(yù)制箱梁試件混凝土彈性模量

圖2 28 d齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件混凝土力學(xué)性能指標(biāo)分布

3 施工階段梁體力學(xué)性能

3.1 預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失

按照TB 10092—2017，在設(shè)計(jì)混凝土梁預(yù)應(yīng)力時(shí)須考慮6 項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失。對(duì)于后張法梁，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間摩擦引起的應(yīng)力損失（簡(jiǎn)稱管道摩阻損失）是其中最主要的一項(xiàng)。雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制箱梁全部采用橡膠抽拔管成孔方式。管道摩阻系數(shù)包括考慮每米管道對(duì)其設(shè)計(jì)位置的偏差系數(shù)k、鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ。以高速鐵路32 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁為例，按摩阻系數(shù)設(shè)計(jì)值計(jì)算到跨中截面時(shí)，管道摩阻損失約占張拉力的15.6%［5］。

梁體的預(yù)應(yīng)力度是影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁承載性能的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)［6］。為確保梁體抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求，在終張拉前進(jìn)行必要的預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失測(cè)試，根據(jù)管道摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值調(diào)整設(shè)計(jì)張拉力［1］，實(shí)現(xiàn)梁體預(yù)應(yīng)力的準(zhǔn)確施加。

選取了生產(chǎn)初期的1～3 孔箱梁和生產(chǎn)后期（第100孔以后）的1孔箱梁［1］，按照Q/CR 566—2017《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁摩阻測(cè)試方法》［7］進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失測(cè)試，并計(jì)算了換算到跨中截面時(shí)預(yù)應(yīng)力損失實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏差λ，結(jié)果見(jiàn)表5。預(yù)應(yīng)力損失實(shí)測(cè)值大于設(shè)計(jì)值時(shí)λ為正，反之為負(fù)。可知：在生產(chǎn)初期，梁體實(shí)測(cè)管道摩阻系數(shù)基本小于規(guī)范設(shè)計(jì)值（k=0.001 5，μ=0.55）［2］，僅1#制梁場(chǎng)的第2 孔32 m箱梁的k值略大；到了生產(chǎn)后期，梁體實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力損失基本小于設(shè)計(jì)值，僅2#制梁場(chǎng)第101 孔32 m 箱梁的實(shí)測(cè)值大于設(shè)計(jì)值。總體上，管道摩阻損失實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏差在±3%內(nèi)，屬于張拉力可調(diào)整范圍，未出現(xiàn)異常情況。梁體預(yù)應(yīng)力施工可靠。

表5 箱梁預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失

用橡膠棒成形預(yù)應(yīng)力管道方式實(shí)測(cè)的管道摩阻系數(shù)離散性較大。預(yù)應(yīng)力管道位置的準(zhǔn)確性容易受施工階段多種因素影響，如橡膠棒定位網(wǎng)片位置的準(zhǔn)確程度、橡膠棒與定位網(wǎng)片固定方式的精細(xì)程度、灌筑完混凝土后橡膠棒抽拔時(shí)間等。這些細(xì)節(jié)落實(shí)不到位就容易導(dǎo)致管道摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值大于設(shè)計(jì)值，偏差較大時(shí)換算到跨中截面的梁體實(shí)際摩阻損失也會(huì)大于設(shè)計(jì)值［5］。當(dāng)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏差較大時(shí)，需要額外增加預(yù)應(yīng)力筋來(lái)保證預(yù)應(yīng)力施工的準(zhǔn)確。因此，預(yù)制箱梁施工階段應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力管道定位和成孔工藝。

3.2 終張拉梁體彈性上拱

對(duì)后張法預(yù)制箱梁在終張拉前后進(jìn)行了梁體彈性上拱測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6、表7（ZW，ZY，QW，QY 分別表示直線無(wú)聲屏障、直線有聲屏障、曲線無(wú)聲屏障、曲線有聲屏障箱梁）。設(shè)計(jì)時(shí)速350 km 線路的32 m 直線和曲線無(wú)聲屏障箱梁終張拉彈性上拱實(shí)測(cè)值分布見(jiàn)圖3。可知，1#和3#制梁場(chǎng)全部梁體的彈性上拱實(shí)測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值，2#制梁場(chǎng)有少數(shù)32 m 箱梁的彈性上拱實(shí)測(cè)值大于設(shè)計(jì)值，但均不大于控制值（1.10 倍設(shè)計(jì)值），滿足TB/T 3432—2016的要求。

梁體彈性上拱的實(shí)測(cè)值與測(cè)量誤差、彈性模量、梁體自重、預(yù)應(yīng)力控制效果、張拉齡期、環(huán)境溫度等因素有關(guān)，其中彈性模量和預(yù)應(yīng)力控制效果影響最大。彈性模量偏小或張拉力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致彈性上拱偏大，反之則會(huì)導(dǎo)致彈性上拱偏小［8］。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)梁體的彈性上拱及時(shí)進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)值偏差較大時(shí)，分析原因并采取相應(yīng)措施。

表6 32 m箱梁終張拉前后彈性上拱

表7 24 m箱梁終張拉前后彈性上拱

圖3 設(shè)計(jì)時(shí)速350 km線路32 m箱梁終張拉彈性上拱分布

3.3 梁體上拱度

運(yùn)營(yíng)階段梁體抗裂安全系數(shù)與上拱度大小有關(guān)，一般上拱度大的梁體抗裂安全系數(shù)偏低［9］。施工階段應(yīng)控制梁體上拱度。在終張拉后第30 天測(cè)試了梁體跨中截面相對(duì)于理論支距的上拱度，見(jiàn)表8、表9。可知，32 m 和24 m 箱梁梁體上拱度實(shí)測(cè)值都小于控制值（跨度的1/3 000），滿足TB/T 3432—2016的要求。

表8 32 m箱梁梁體上拱度

表9 24 m箱梁梁體上拱度

設(shè)計(jì)文件中提供的線形參數(shù)均為理論計(jì)算值，是按混凝土澆筑后第10 天進(jìn)行終張拉、終張后第60 天施加二期恒載的條件進(jìn)行計(jì)算。由于梁體實(shí)際彈性模量與計(jì)算值相差較大，部分預(yù)制梁在終張拉30 d 后的梁體上拱度為負(fù)值。因此，施工階段應(yīng)注意終張時(shí)間、彈性模量、預(yù)應(yīng)力度等對(duì)徐變拱度的影響，及時(shí)對(duì)張拉過(guò)程中及終張拉后的線形進(jìn)行觀測(cè)，做好觀測(cè)記錄，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整預(yù)拱度設(shè)置［10］。

4 使用階段梁體力學(xué)性能

為檢驗(yàn)雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制箱梁在使用階段的力學(xué)性能，在終張拉30 d后選取最大跨度的32 m 簡(jiǎn)支箱梁，依據(jù)TB/T 2092—2018《簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)方法預(yù)應(yīng)力混凝土梁靜載彎曲試驗(yàn)》［11］進(jìn)行了靜載彎曲試驗(yàn)（圖4）。試驗(yàn)中采用縱向5 點(diǎn)、橫向2 點(diǎn)集中力的方式進(jìn)行加載，加載點(diǎn)位于箱梁腹板頂面中心，共計(jì)10個(gè)加載點(diǎn)。加載圖式見(jiàn)圖5。

圖4 32 m箱梁靜載彎曲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 32 m箱梁靜載彎曲試驗(yàn)加載圖式（單位：m）

4.1 梁體豎向剛度

32 m 簡(jiǎn)支箱梁靜載彎曲試驗(yàn)加載值采用與設(shè)計(jì)彎矩等效的原則確定。試驗(yàn)加載分2 個(gè)加載循環(huán)進(jìn)行：第1 循環(huán)加載至設(shè)計(jì)荷載P；第2 循環(huán)加載至1.2P［11］。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采用自動(dòng)加載設(shè)備進(jìn)行。全線共對(duì)15 孔32 m 簡(jiǎn)支箱梁進(jìn)行了靜載彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表10。其中，限值為1.05（f設(shè)計(jì)/ψ），f設(shè)計(jì)為靜活載撓度的設(shè)計(jì)計(jì)算值，ψ為等效荷載加載撓度修正系數(shù)，取1.003 1。可知：除3#制梁場(chǎng)第6 孔32 m 箱梁外，各箱梁靜活載撓度實(shí)測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值；所有箱梁的實(shí)測(cè)靜活載撓度均小于限值，滿足簡(jiǎn)支梁剛度合格評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［11］。32 m箱梁梁體豎向剛度合格。

表10 32 m箱梁靜載彎曲試驗(yàn)靜活載撓度

4.2 梁體抗裂性

32 m 箱梁靜載彎曲試驗(yàn)第2 循環(huán)加載至1.2P的過(guò)程中，靜載彎曲試驗(yàn)荷載與跨中撓度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。

圖6 32 m箱梁靜載彎曲試驗(yàn)荷載與跨中撓度關(guān)系曲線

由圖6 可知，試驗(yàn)荷載與跨中撓度實(shí)測(cè)值基本保持線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)在0.997～1.000），未出現(xiàn)變形明顯增大的情況，表明試驗(yàn)梁梁體變形處于彈性工作狀態(tài)。在加載至1.2P的持荷時(shí)間內(nèi)（20 min），梁體底面和底部圓弧過(guò)渡段均未發(fā)現(xiàn)受力裂縫。32 m 箱梁梁體抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1）雅萬(wàn)高速鐵路預(yù)制箱梁混凝土力學(xué)性能指標(biāo)、終張拉梁體彈性上拱、梁體上拱度、豎向剛度和抗裂性均滿足中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）梁體預(yù)應(yīng)力管道摩阻引起的實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失與設(shè)計(jì)值的偏差在±3%范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異常，梁體預(yù)應(yīng)力施工可靠。但管道偏差系數(shù)離散性比較大，施工過(guò)程中應(yīng)重視預(yù)應(yīng)力管道定位和成孔工藝的控制。

3）施工階段應(yīng)注意質(zhì)量過(guò)程控制。每100孔箱梁應(yīng)進(jìn)行1 次管道摩阻測(cè)試，出現(xiàn)偏差較大情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整張拉力，保證預(yù)應(yīng)力施工的準(zhǔn)確；每60 孔箱梁應(yīng)進(jìn)行1次靜載彎曲試驗(yàn)，檢驗(yàn)預(yù)制箱梁的施工質(zhì)量。

后續(xù)工程中仍應(yīng)把好質(zhì)量關(guān)，為雅萬(wàn)高速鐵路建設(shè)提供合格的預(yù)制箱梁。