高速铁路40米混凝土箱梁预制关键技术研究

2022-09-12

随着我国经济的飞速发展, 人员流动频繁, 货物运输增加, 为铁路的发展提供了机遇。截止到2015年底, 我国高速铁路运营里程超过1.9万公里, “四纵四横”高速铁路干线运输网络基本成型。随着高速铁路向纵深方向发展, 西部山区和东部沿海地区的高速铁路建设逐年增多, 高速铁路跨越河流、沟谷的高墩桥梁以及软基沉陷地区的深基础桥梁, 下部结构造价在桥梁建设费用中的比重较大, 大量使用跨度32m简支箱梁时经济性指标降低。当简支梁桥的跨度大于32m时, 目前只能采用原位浇筑的简支梁桥或者连续梁、连续刚构桥, 经济性指标下降, 且质量控制难度较大。若能够实现跨度40m预应力混凝土简支梁的规模化应用, 将扩大高速铁路预应力混凝土简支梁桥的适用范围, 并在一定条件下可提高桥梁的经济性。为此中国铁路总公司启动了《高速铁路大跨度简支梁建造关键技术研究》, 我公司作为国内首榀24m、32m预制混凝土箱梁的试制单位参加了本产品的研究, 并积累了一套大跨度箱梁预制的经验。

本次设计的箱梁外形尺寸为40.6m×12.6m×3.235m, 横桥向支座中心距为4.4m, 腹板最薄处的厚度为360mm, 共需370m2混凝土, 重量达925t, 混凝土采用C50, 本梁设计时速250 km、350km;设计活载采用ZK活载, 本箱梁跨度大, 承载能力高, 但腹板有所减薄, 腹板处采用了单排钢绞线束的设计理念, 降低了梁的自重, 节约了混凝土, 但梁的设计与制造要求更加严格。

为完成40米箱梁的制造, 在箱梁生产的以下关键工序进行研究:

1 制梁与试验台座设计与制作

本次采用制梁台座与静载试验台座共用的设计理念, 采用地下反力梁设计, 直接将静载试验所需的7组试验架锚栓直接预埋进地基基础中, 静载试验共有14个加载点, 每点加载最大值为2032k N, 总加载力为28448k N, 采用自平衡式混凝土配重装置, 最少需要配重混凝土1240 m2, 加上梁端支座下的混凝土及箱梁生产时所用的底模支撑, 共需要混凝土2000m2以上。为减少混凝土用量, 设计采用中部为箱型结构, 箱内回填砂砾土后, 所需混凝土减少到1091m2。大大降低了混凝土的用量。底座从跨中向两端各设置7个横隔板, 设置梁端加载预埋件和提梁立柱预埋件。为防止在静载试验过程中预埋锚栓向上拉混凝土, 造成地基上部混凝土开裂, 台座顶板布置6束预应力钢绞线, 张拉后使混凝土处于受压状态, 降低了混凝土的开裂几率。

制梁时, 在台座顶面设置三条高0.8m, 宽0.6m的条形基础, 条形基础与台座通过预埋钢板焊接固定, 在条形基础上布置箱梁模板。

制梁完成后, 顶起试验梁, 拆除制梁条基和模板, 在梁端设置支墩, 支撑试验梁, 利用锚固反力梁进行试验加载。

2 钢筋骨架位置复核、绑扎工艺研究、钢筋骨架吊装工装设计

2.1 钢筋骨架位置复核

在施工前, 利用与设计人员共同研究的优势, 以LOD400建模精度, 采用BIM技术对梁体钢筋及预应力管道位置进行复核, 完成BIM建模后, 将模型按层级逐级装配, 核查空间位置关系。考虑施工中能够实现的空间位置, 对一些不能实现的工序进行调整, 经检查共发现10余处问题, 包括部分横向钢筋穿过封锚口与锚垫板交叉问题、变截面钢筋侵入保护层、梁端底板竖向钢筋与预应力管道交叉问题、预应力管道防崩钢筋与其他钢筋交叉问题等, 并对发现的问题及时调整, 避免了施工中出现钢筋位置由于与其它构件冲突造成的位置不准确, 影响钢筋骨架质量的问题。

2.2 钢筋绑扎

高速铁路40米箱梁共需要钢筋73 t, 钢筋规格有HRB400 (C12、C16、C18、C20、C22、C25) 和HPB300 (φ8和φ10) 。梁体通长C12分布筋采用闪光对焊, 定位网片制作采用普通电弧焊。按照规范要求施工并检验。

梁体钢筋骨架绑扎采用在绑扎胎具上整体绑扎成型、整体吊装的施工工艺。绑扎胎具由外胎具和内胎具组成。内外胎具均由碗扣式钢管脚手架和角钢搭设而成, 即保证了钢筋绑扎定位精度满足要求, 又加快了施工速度, 节约了成本。

绑扎钢筋时, 先绑扎底板和腹板的钢筋, 在底腹板的钢筋绑扎完毕后, 安装内胎具, 再进行顶板钢筋的绑扎。钢筋的绑扎要符合以下要求: (1) 钢筋交叉点逐点绑扎牢固, 竖向架立筋和吊点位置处用点焊焊牢;绑扣形式以不易松脱为准, 绑点如有松脱, 应紧扣或重绑, 铁丝尾扭向骨架内, 绑丝尾端不得侵入保护层内。 (2) 除设计有特殊规定者外, 梁中的箍筋与纵筋垂直。 (3) 箍筋的末端向内弯曲, 箍筋转角与钢筋的交接点绑扎牢固。 (4) 为确保腹板、顶板、底板钢筋的位置准确, 设置加强架立钢筋。 (5) 所有梁体预留孔处均增设相应的井字形钢筋;桥面泄水孔处钢筋位置相应调整, 并增设螺旋筋和斜置的井字形钢筋进行加强。 (6) 梁端钢筋、底板与腹板、腹板与顶板钢筋的连接处均需满绑, 其余各交叉点可采用梅花跳绑;为保证绑扎后的钢筋骨架不变形, 要求所有绑扎点 (上、下、左、右) 的绑扎方向, 均应为“八字形”。

2.3 预应力钢束成孔胶管安装

按照钢绞线的根数确定预应力孔道成孔直径, 并与定位网绑扎牢固。

2.4 钢筋骨架吊装吊具设计

钢筋吊具设计为空间桁架结构, 采用平行弦桁架形式, 纵向设置有3道主桁架, 横向设置有35道桁架, 吊具本身强度、刚度和稳定性都满足设计要求, 同时设置了吊链245个, 可保证吊装时箱梁钢筋骨架各部位均匀受力, 不发生变形。吊装架的设计, 利用Midas软件进行计算, 完成制作后进行了静力检验, 并在施工中得到了验证。

3 模板拼装与拆除

40米箱梁模板为整孔液压钢模板, 模板分为底模、侧模、内模及端模, 由专业厂家生产, 模板进场后在试验台座上进行拼装。模板拼装时, 按照设计要求设置反拱及压缩量。

箱梁整体钢筋骨架吊装用2台80t龙门吊和钢筋吊具完成。

钢筋吊装入模后, 先安装端模, 再安装内模。端模安装时, 端模板边就位, 边理顺预应力成孔胶管。检查合格后, 及时安装橡胶管定位护套, 防止锚垫板喇叭口进浆, 避免造成管道不同心及锚口、喇叭口摩阻剧增。内模安装时, 保证内模油缸顶升到位, 并安好内模支撑。

4 混凝土配合比研究

按照[1]进行混凝土理论配合比计算, 依据公司原材料实际情况, 与试验梁C50混凝土配合比的设计, 确定的理论配合比如下:

在实际施工中, 根据当天混凝土的砂、石含水率确定施工配合比, 拌合出的混凝土坍落度、含气量通过检测符合工艺要求, 预留的混凝土试块进行混凝土3天、28天的检验, 符合产品要求。

5 钢绞线自动张拉

预应力张拉是保证桥梁结构安全和耐久性的关键工序, 直接关系到线路的运营安全。传统张拉工艺存在操作过程复杂、施工精度低、受人为因素影响大等问题, 缺乏有效的质量控制手段。铁路桥梁预应力自动张拉系统集成了机械技术、传感技术、计算机网络技术, 可进行预应力张拉智能化施工和数据信息化管理, 确保施工质量和设备安全, 提高作业效率、降低生产成本。

6 管道智能压浆技术

注浆工程为隐蔽工程, 事后检测费时费力;目前的注浆过程参数依靠人工记录, 数据缺乏准确性和客观性。注浆智能监测系统实时监测注浆量和注浆压力, 监测数据上传至铁路工程管理平台, 实现了精确量测、远程监测, 有助于管理人员和现场技术人员及时掌握注浆工程现场情况。

7 静载试验

在静载试验过程中, 在试验梁4个支座下方的台座上设置支墩, 支撑试验箱梁, 利用锚固反力梁进行试验加载。

7.1 试验加载

目前, 我国高速铁路跨度32m简支梁静载试验采用5排加载, 每排横向两个加载点, 考虑到40米箱梁由静载试验荷载产生的简支梁内力和设计荷载产生的内力尽量一致, 并且降低对加载设备的要求, 本梁采用了7点加载方案。加载示意图见图7。

7.2 加载系统

为了保证足尺试验梁静载试验加载准确, 并提升高速铁路箱梁静载试验信息化水平, 本次试验采用铁路桥梁智能静载试验系统。系统中的主控系统可以通过各种软硬件通讯接口完成数据和指令的交互, 从而实时监视、控制试验流程、开展数据计算处理、结果判定、预警报警、应急处理。加载及控制系统为机电一体化设备, 可以依据输入的加载力数据信息形成加载控制指令, 并执行主控系统的加/卸载指令, 自动实现同步、平衡加载, 保证加载及持荷阶段的安全稳定, 为各子系统的测量数据、试验结果的准确可靠提供保障。

8 结束语

通过本次研究, 在预制混凝土箱梁生产、试验的关键工序采用了先进的控制技术, 收到了很好的效果, 使箱梁的生产与试验受人为因素的影响大大降低, 生产工艺及试验数据准确性更高。特别是在钢绞线自动张拉、静载试验加载中, 各顶加载同步率的提高, 大大提高了工作效率, 是预制箱梁生产、试验的又一大进步。

摘要：本文简要介绍了我国高速铁路40米箱梁预制关键工序的控制技术, 主要从钢筋绑扎与吊装、制梁与静载试验台座设计及施工、钢绞线自动同步张拉、预应力管道自动压浆、箱梁静载试验一键加载等方面对40米高速铁路箱梁的制造及检验进行了阐述, 并将先进的BIM生产技术及Midas技术用于预制混凝土箱梁的生产中, 将我国高速铁路箱梁预制技术提高到一个新的水平。

关键词：钢筋绑扎与吊装,制梁与试验台座施工,钢绞线同步自动张拉技术,管道自动压浆技术,静载试验一键加载技术,BIM技术,Midas软件应用技术