鐵路狹窄π形梁設計優化與制造技術研究

柯圣南

(中鐵十四局集團房橋有限公司 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，充分發揮交通樞紐高效的客運功能。與傳統車站相比較，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，建設成本和運營費用更低[1]，在城市建設中越來越受青睞。

高架車場內，由于進出站線路方向、線路間距、跨越建筑物不同等原因，導致橋梁結構種類多、差異大，因此異形梁[2]的設計和制造成為廣受關注的焦點。豐臺站在高架正線之間及其外側設計了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形梁設計為整體預制。但這種狹窄π形梁腹板間距只有0.4 m，空間受限，內模拆裝困難，容易出現梁體開裂、硬傷掉角等質量問題。本文從梁體結構優化設計和制造技術等方面進行深入研究，以解決狹窄 π形梁的制造難題。

2 梁體結構優化設計及合理性驗證

2.1 梁體結構優化設計方案

在保證梁體質量、滿足梁體服役要求[3]的前提下，從制造工藝技術角度出發，對橋面寬1.4 m的狹窄π形梁進行了結構優化設計并提出制造技術:

(1)將橋面寬1.4 m的狹窄π形梁由整體預制改為分體預制，通過濕接縫[4]結構連接成整體后整孔架設，梁體結構見圖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制的兩片梁吊裝至專用的連接臺座上，調整支座標高和中心距，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。濕接縫混凝土濕養護時間不少于14 d，強度達到設計強度100%后方可吊裝。

(5)針對斜交跨線的π形梁，優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為梯形，以便于鋼模具的拆卸和減少磕碰掉角。

(6)優化梁體各面的內交角為R25 mm圓弧倒角，降低陰角處應力集中，以便于鋼模具的拆卸和提升產品外觀質量。

2.2 有限元模型計算分析

針對狹窄π形梁兩種預制方式，通過有限元軟件建立兩種結構模型，施加相同的設計荷載[5－6]，對比分析整體預制和分體預制的狹窄π形梁結構性能，以判定分體預制工藝技術的合理性。

模型施加恒載后加載人行道活載。人行道荷載參考《鐵路工程建設通用參考圖:時速160 km客貨共線鐵路預制后張法簡支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。恒載的重要性系數為1.2，活載的重要性系數為1.4。

將整體預制的狹窄π形梁作為工況1，預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，相同設計荷載作用下，分體預制梁體的位移較整體預制梁體的略大，但差異率在5%以內，初步判定分體預制工藝技術是合理的。

2.3 靜載試驗驗證

2.3.1 靜載試驗方案制定

選擇1孔濕接縫混凝土強度達到100%、且齡期大于28 d的狹窄π形梁進行靜載試驗。制定如下試驗方案:

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

(2)采用3臺千斤頂進行逐級加載[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個循環進行[9]:第1循環逐級加載至1.00倍設計荷載，第2循環逐級加載至1.20倍設計荷載。

(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Kf＝1.00時持荷20 min；第2循環Kf＝1.20時持荷20 min。

(6)每級持荷時間結束后測量梁體跨中撓度數值。

(7)第1循環與第2循環之間靜停20 min以上，待梁體變形停止后進行數據采集和裂縫觀測。

2.3.2 試驗結果分析

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循環加載過程中，設計靜活載作用下撓度值為2.04 mm；第2循環加載過程中，1.20倍設計靜活載作用下撓度值為2.43 mm。梁體撓跨比均滿足《鐵路橋涵設計規范》(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行觀測和記錄。在兩次循環加載過程中，梁體表現出良好的抗裂性能，均未發現裂縫，說明狹窄π形梁具有良好強度、剛度和耐久性。

2.4 方案驗證結論

通過有限元模型計算分析了分體預制和整體預制狹窄π形梁的變形和受力，再通過靜載試驗驗證，可以判定梁體結構優化設計和分體預制工藝技術方案是合理的。

3 制造技術

混凝土預制梁制造技術是梁體構件質量和橋梁工程施工質量的重要保證。根據第2章制定的梁體結構優化設計和預制工藝技術方案，參照王喜軍等[11]的研究成果，結合現場實際情況制定狹窄π形梁的制造工藝技術。

3.1 模具設計與制作

(1)混凝土梁采用鋼模具預制，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行設計制作[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，底模設計成可變高組合形式。

3.2 鋼筋及預埋件安裝

為保證狹窄π形梁橋面橫向鋼筋能夠準確對接，鋼筋綁扎胎具要中心對稱設計，鋼筋綁扎過程中及時進行檢查復核。鋼筋骨架入模前，綁扎鋼筋保護層墊塊和安裝預埋件。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計要求。

3.3 混凝土施工及養護

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。混凝土澆筑采用分層澆筑工藝，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束后，及時加蓋養護棚罩，采用蒸汽養護的方式進行梁體混凝土養護。

3.4 濕接縫施工和養護

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行鑿毛處理，調直外露鋼筋。對接時測量和調整支座板標高、支座軸線間距和梁體中心線，確保連接后梁體尺寸與設計圖一致。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。濕接縫底面和側面采用木模支護?；炷翝仓埃瑢㈣徝蟮幕炷两缑鏇_洗干凈并保持濕潤。濕接縫混凝土濕養護時間不少于14 d，混凝土強度達到設計強度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埋4根φ32 mm吊環鋼筋，用吊環鋼筋吊裝。

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，在頂板距腹板內側0.4 m處設置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，應在濕接縫混凝土強度達到100%后才可進行，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在1.5 m之內，高低梁吊點中心即為支點。

4 結束語

本文對鐵路高架車站橋面寬度1.4 m的狹窄π形梁，進行了結構優化設計和制造技術研究。通過有限元建模分析和靜載試驗驗證，對比分析了設計荷載下整體預制和分體預制模型梁的撓度和抗裂性能，驗證了分體預制濕接縫連接狹窄π形梁制造技術的合理性?？偨Y梁體優化設計和制造技術，得到結論如下:

(1)橋面寬1.4 m的狹窄π形梁分體預制、濕接縫結構連接成整體后，通過靜載試驗驗證:梁體在1.20倍設計荷載作用下的變形值為2.43 mm，小于規范容許值，梁體結構混凝土最大拉應力為1.47 MPa，梁體混凝土未發生開裂，滿足設計規范對梁體剛度和耐久性的要求。

(2)狹窄π形梁拆分設計時，梁體橋面和橫向連接隔板處橫向鋼筋由原來整根鋼筋變為兩根對接，要充分考慮鋼筋接頭處的連接強度不低于原設計。要提前做好對接鋼筋位置尺寸的設計，橋面鋼筋采用V形開口的梳筋板鋼模具精準定位，避免梁體鋼筋對接時相互沖突或者距離大而無法對接。

(3)濕接縫施工質量是保證狹窄π形梁連接質量的關鍵所在。濕接縫微膨脹混凝土配合比要提前進行試驗驗證；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劈裂抗拉強度；濕接縫混凝土要進行不小于14 d的濕養護，確保新舊混凝土之間不產生收縮裂紋。

(4)梁體各平面間的交角設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量問題。