長大橋梁上CRTSⅡ型板式軌道底座板施工工藝優(yōu)化檢算

趙坪銳，胡 佳，劉 觀

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

1 橋上底座板施工

在橋上CRTSⅡ型板式軌道中，軌道板和底座板跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)，底座板與橋梁之間鋪設(shè)滑動層以減弱橋、軌相互作用，僅在橋梁固定支座處設(shè)置固結(jié)機構(gòu)傳遞制動力。在長大橋梁上，連續(xù)底座板不可能一次施工完成，施工過程中的溫度變化將引起底座板的伸縮。若固結(jié)機構(gòu)同時施作完成，溫度變化將對墩臺產(chǎn)生巨大溫度力作用。因此在固結(jié)機構(gòu)處需設(shè)置后澆帶，在橋梁跨中還需設(shè)置可張拉的后澆帶(張拉后澆帶)，以調(diào)整段落內(nèi)施工鎖定板溫。在京津城際鐵路施工過程中，每跨梁上均設(shè)置有兩種后澆帶[1]，施工較為復(fù)雜。為優(yōu)化施工工藝，簡化施工工序，擬采用以下施工方案:當(dāng)連接溫度在5℃ ～20℃時，需設(shè)置固結(jié)后澆帶和張拉后澆帶，固結(jié)后澆帶設(shè)于每孔梁的固結(jié)機構(gòu)處，張拉后澆帶每隔200 m設(shè)置一處，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化施工方案

當(dāng)施工溫度在5℃ ～20℃時，施工步驟如下:

1)分段澆筑底座板混凝土。按每次澆筑長度至少一孔梁的進度澆筑底座板混凝土。澆筑前所有張拉后澆帶的螺母松開離鋼板至少10 cm。

2)手?jǐn)Q張拉器。測量各分段的長度與溫度。自臨時限位區(qū)向常規(guī)區(qū)中部依次用手?jǐn)Q緊張拉器。

3)張拉張拉器:用扳手從常規(guī)澆筑帶中部向兩側(cè)依次對稱擰緊張拉后澆帶，張拉至J2。

4)澆筑后澆帶混凝土:在溫度＜30℃時澆筑固結(jié)后澆帶和張拉后澆帶混凝土。先澆筑除K0，J1，J2外的所有后澆帶，3 d后澆筑K0，J1，J2后澆帶。張拉與澆筑須在48 h內(nèi)完成。

當(dāng)溫度＞20℃時，可取消張拉器的連接與張拉過程，在底座板混凝土澆筑完成48 h后澆筑固結(jié)后澆帶。

下面對以上的施工優(yōu)化過程進行施工檢算，分析施工過程對軌道受力的影響。

2 擰緊過程受力分析

手?jǐn)Q連接的過程本身不會產(chǎn)生內(nèi)力，但手?jǐn)Q之后，若施工溫度發(fā)生變化，將在底座板內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。

2.1 底座板與橋梁間無摩擦?xí)r

考慮到橋梁與底座板之間設(shè)置有滑動層，理想狀態(tài)下可認為底座板與橋梁之間無摩擦，此時橋梁的伸縮對底座板受力無影響，取每跨梁作為一個分段進行計算，計算簡圖如圖2所示。

圖2 溫度變化時底座板內(nèi)力計算簡圖

圖中L1，L2分別為先澆底座板和后澆帶長度，EcA，EsAs分別為先澆底座板和后澆帶的伸縮剛度。后澆帶連接器部位每側(cè)設(shè)置29根φ25 mm鋼筋，其縱向剛度EsAs=2.85 GN，先澆底座板位置的縱向剛度EcA=20 GN，考慮到先澆底座板可能存在的收縮裂縫，計算時考慮不同的折減剛度[2-3]進行計算。

取鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)α一致，則手?jǐn)Q連接后溫度變化(ΔT)引起的約束位移為

設(shè)由于約束產(chǎn)生的底座板內(nèi)力為F，則在F作用下底座板混凝土位移和連接器區(qū)的縱向位移分別為

在每跨梁范圍內(nèi)，該位移完全被約束，則有

當(dāng)橋梁上存在兩種后澆帶時，溫度變化幅度及底座板剛度不同情況下的連接器鋼筋應(yīng)力、位移與底座板混凝土位移如表1所示。

由表1可以看出，在底座板剛度不折減的情況下，溫度變化幅度為15℃時，連接器鋼筋應(yīng)力為173 MPa，滿足強度要求。然而，實際上由于混凝土的收縮作用，底座板混凝土中將產(chǎn)生裂縫，剛度應(yīng)折減，折減越大，鋼筋應(yīng)力越小。

當(dāng)橋梁上僅有固結(jié)后澆帶時的計算結(jié)果如表2所示。

表1 連接器鋼筋應(yīng)力、位移與底座板混凝土位移(兩種后澆帶)

表2 連接器鋼筋應(yīng)力、位移與底座板混凝土位移(僅有固結(jié)后澆帶)

由表2可以看出，僅設(shè)置一種后澆帶時，由于連接器長度的縮短，在相同溫度變化情況下的底座板內(nèi)力較設(shè)有兩種后澆帶時大。

2.2 當(dāng)?shù)鬃迮c橋梁間存在摩擦?xí)r

當(dāng)?shù)鬃迮c橋梁之間存在摩擦力f時，計算圖示如圖3。底座板位移可表示為

式中:f=μγA，其中μ為底座板與橋梁間的摩擦系數(shù);γ為底座板鋼筋混凝土重度。

不同摩擦系數(shù)、溫度變化幅度情況下的連接器鋼筋應(yīng)力、位移和底座板混凝土位移如表3(兩種后澆帶)和表4(僅有固結(jié)后澆帶)。

圖3 底座板混凝土存在摩擦力時的計算圖式

表3和表4中數(shù)據(jù)均是在伸縮剛度折減50%的情況下進行計算的。可以看出，考慮摩擦力之后，連接器鋼筋應(yīng)力有所增大，摩擦系數(shù)越大鋼筋應(yīng)力越大，但仍在強度容許范圍內(nèi)。

表3 連接器鋼筋應(yīng)力、位移與底座板混凝土位移(兩種后澆帶)

表4 連接器鋼筋應(yīng)力、位移與底座板混凝土位移(僅有固結(jié)后澆帶)

3 張拉過程受力分析

在張拉連接器時，當(dāng)板底無摩擦?xí)r，張拉過程理論上可達遠處的固定端。實際上張拉時板底與橋梁之間存在一定的摩擦力，該摩擦力的存在將引起張拉器內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。

3.1 張拉之前是否需連接的檢算

由式(1)至式(3)可計算得到僅設(shè)置固結(jié)后澆帶的梁上底座板平均剛度為9.5 GN(底座板混凝土范圍內(nèi)考慮50%的折減)。設(shè)底座板與橋梁之間摩擦系數(shù)為0.2，則當(dāng)施工溫度與鎖定溫度相差5℃，10℃，15℃時張拉第一處張拉器時的影響長度分別為185，260和320 m。施工方案中分段長度為200 m，溫差＞10℃時，張拉一處后澆帶將會對相鄰張拉器產(chǎn)生影響，張拉之前需將各連接器螺母擰緊。

若后澆帶在張拉過程中沒有擰緊，15℃溫差情況下需張拉的長度約為30 mm。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時，200 m長度上的摩擦力不足以抵抗底座板的位移，張拉將引起相鄰后澆帶位置偏離9 mm，后續(xù)張拉將引起更大的偏離值，全區(qū)段累積起來影響將較大。在張拉之前用手?jǐn)Q緊各HJD1的螺母是非常必要的。

不同連接長度時的底座板位移和內(nèi)力分布如圖4所示。

3.2 張拉時的連接器強度和墩臺受力檢算

在先用手?jǐn)Q緊的情況下，張拉第一處后澆帶連接器將引起相鄰連接器產(chǎn)生2 mm的位移，小于沒有擰緊的情況。在此情況下張拉器鋼筋應(yīng)力約為89 MPa，在容許范圍內(nèi)。后續(xù)張拉所需的張拉力較前張拉更高，采用位移控制張拉的方式是可行的，張拉過程中的鋼筋應(yīng)力最大為115 MPa，在容許范圍內(nèi)。

不忘初心，方得始終。衷心祝愿淮海人不忘初心，牢記使命，大力弘揚人民兵工紅色基因，實現(xiàn)“一切為了前線，一切為了打贏”的企業(yè)價值觀，繼續(xù)在太行精彩鑄劍，為保家衛(wèi)國作貢獻！

圖4 不同連接區(qū)長度時的底座板位移和內(nèi)力分布(15℃溫差)

張拉過程中底座板和橋梁產(chǎn)生摩擦力，摩擦系數(shù)為0.2時引起的橋墩受力約為91.6 kN，不至于對橋墩受力產(chǎn)生太大的影響。

4 澆筑過程受力分析

后澆帶混凝土澆筑時，當(dāng)施工溫度達到設(shè)計鎖定溫度時，底座板內(nèi)溫度力為零。當(dāng)施工溫度小于設(shè)計鎖定溫度時，底座板內(nèi)存在一定的溫度拉力，張拉器鋼筋產(chǎn)生一定的伸長位移。此后再澆筑后澆帶混凝土，這樣當(dāng)溫度達到設(shè)計鎖定溫度時，后澆帶混凝土內(nèi)將產(chǎn)生一定的壓力，對減少后澆帶混凝土的開裂有一定的作用。當(dāng)施工溫度大于設(shè)計鎖定溫度時，連接器部位的鋼筋承受一定的壓力，產(chǎn)生壓縮位移。此后再澆筑后澆帶混凝土，當(dāng)溫度達到設(shè)計鎖定溫度時，后澆帶混凝土內(nèi)將可能產(chǎn)生開裂。從這一角度出發(fā)，后澆帶混凝土澆筑時的施工溫度不宜大于設(shè)計鎖定溫度，宜盡量在鎖定溫度范圍內(nèi)施工。當(dāng)無法滿足此條件時，宜在后澆帶混凝土內(nèi)添加膨脹劑。

4.1 連接區(qū)長度對橋墩受力的影響分析

后澆帶施工完成達到強度之后，溫度變化將引起常規(guī)區(qū)內(nèi)較大的溫度力，在升溫10℃的情況下，底座板內(nèi)溫度力為1 794 kN。

在臨時端刺區(qū)域，由于底座板與橋梁之間沒有直接連接，橋梁墩臺所受的力僅為底座板對其的摩擦力。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時，在臨時端刺區(qū)每個墩臺所受的力為91.6 kN。當(dāng)連接起的臨時端刺區(qū)長度足夠長，溫度變化時常規(guī)區(qū)內(nèi)的墩臺將承受很小的溫度力作用。不同臨時端刺區(qū)長度時的J2處橋墩受力如圖5所示。

圖5 不同連接區(qū)長度時的墩臺受力

臨時端刺區(qū)長度較短時，在溫度變化時K0處的橋墩將承受較大的力，連接的臨時端刺區(qū)延長到550 m時K0墩所受的力才能與臨時端刺區(qū)內(nèi)的橋墩受力相當(dāng)。施工K0，J1，J2之前的連接長度足夠，但在施工至J2時，由于K1沒有連接，連接的臨時端刺區(qū)長度僅為400 m，K0處橋墩上還受約每線200 kN的力。為改善橋墩受力，應(yīng)適當(dāng)延長連接區(qū)域，在J2后澆帶澆筑之前將K1處連接，或檢算J2處橋墩受力。

若前后施工區(qū)段施工的間隔太長，則可能會出現(xiàn)更大的溫度變化情況，橋墩所受的力更大。

4.2 連接器鋼筋承壓穩(wěn)定性檢算

對于連接器部位的鋼筋可視為兩端固結(jié)的受壓桿件，每根鋼筋所能承受的最大壓力為 Fcr=π2EI/(μl)2=347 kN，該值大于其強度容許的壓力147 kN，因此在連接器鋼筋失穩(wěn)之前已屈服，無需進行穩(wěn)定性檢算。連接器可傳遞的最大荷載為4 263 kN，升溫25℃時的溫度力可達4 990 kN，大于連接器可能傳遞的荷載。升溫21℃以下的底座板內(nèi)壓力可通過連接器鋼筋傳至兩側(cè)的臨時端刺區(qū)。

施工溫度大于鎖定板溫時，無需進行張拉，HJD1無需設(shè)置。需要注意的是，由于施工溫度高于鎖定板溫，后澆帶長度將略小于設(shè)計長度，可能會在后澆帶區(qū)域產(chǎn)生裂縫，宜在后澆帶混凝土內(nèi)添加膨脹劑。

在大于鎖定板溫的條件下進行施工，相當(dāng)于提高了鎖定溫度，在運營過程中的降溫幅度將大于設(shè)計值，可能會引起底座板受力的增大，在設(shè)計過程中應(yīng)考慮較大的降溫幅度。

5 結(jié)論

本文對優(yōu)化施工方案進行了檢算，通過檢算可得如下結(jié)論:

1)底座板剛度按50%折減，摩擦系數(shù)分別取0.2，0.6和1.0，施工溫度變化5℃ ～15℃時，張拉器鋼筋應(yīng)力在強度容許范圍內(nèi)。

2)當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時，10℃溫差情況下的張拉影響長度已大于施工方案中200 m分段長度。張拉一處后澆帶將對相鄰張拉器產(chǎn)生影響，在現(xiàn)場施工時，張拉之前應(yīng)將后澆帶的螺母用手?jǐn)Q緊。

3)由于每個工序中張拉所需的力不同，應(yīng)采用位移控制方式張拉。

4)后澆帶混凝土澆筑時的施工溫度不宜大于設(shè)計鎖定溫度，否則宜在后澆帶混凝土內(nèi)添加膨脹劑。

5)為減小由于溫度變化對J2處橋墩受力的影響，應(yīng)適當(dāng)延長臨時端刺區(qū)的連接長度，在澆筑J2處后澆帶混凝土?xí)r，應(yīng)將K1處連接器鋼筋連接。

6)當(dāng)溫度低于設(shè)計鎖定溫度時，通過張拉可以使底座板與設(shè)計鎖定溫度時的狀態(tài)一致;當(dāng)溫度高于設(shè)計鎖定溫度時施工，將使實際降溫幅度大于設(shè)計計算，應(yīng)對底座板裂縫寬度和鋼筋應(yīng)力進行檢算確認。

[1]李恒太.京滬高鐵淮河特大橋主橋CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2013(6):150-152.

[2]陳亞敏.京滬高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(3):21-25.

[3]王可用.高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板施工質(zhì)量控制技術(shù)[J].鐵道建筑，2013(4):128-130.

[4]趙坪銳，劉學(xué)毅.連續(xù)道床板溫度應(yīng)力計算方法及參數(shù)分析[J].鐵道建筑，2008(11):81-85.

[5]李冰.CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板施工關(guān)鍵技術(shù)控制[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(1):116-120.

[6]郭俊清，孫闖.松江河至長白鐵路接軌及走向方案研究[J].鐵道建筑，2011(12):116-119.

[7]張新民.CRTSⅡ型無砟軌道橋梁地段底座板施工關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011(3):14-16.