高速鐵路預應力混凝土橋梁預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

隨著橋梁建設的發展和技術進步，橋梁建造正朝著設計標準化、生產工廠化、施工裝配化和機械化、管理信息化的方向發展，因此鐵路橋梁裝配式技術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用情況看，裝配式橋梁研究重點集中在上部結構[7-13]、下部結構(橋墩、蓋梁)[14-18]和連接件[19-20]的結構設計、力學性能和施工工藝等方面，而對橋面附屬設施研究偏少。根據高速鐵路橋梁施工和運營狀態的調研結果，目前橋面附屬設施除遮板為預制混凝土結構外，防護墻、電纜槽和豎墻等均采用現澆混凝土結構，存在施工周期較長、現場工作量大、現場質量難以控制、運營期間養護維修工作量大等問題。

為系統提高鐵路橋梁裝配式技術，實現上部結構、下部結構和橋面附屬設施全預制裝配式施工，亟需對裝配式橋面系進行系統研究，形成完整的橋面裝配技術體系。主要針對高速鐵路橋梁橋面系中的預制裝配整體式防護墻結構方案、施工工藝及力學性能試驗進行了研究。

1 預制拼裝橋面系結構方案

高速鐵路橋梁主要采用預應力混凝土簡支箱梁結構形式，與公路橋梁相比，高速鐵路橋梁橋面系結構復雜，主要包括遮板、防護墻、豎墻和電纜槽底板等構件?？紤]現場預制安裝方便、施工工效等因素，提出3種預制拼裝橋面系附屬結構方案并進行對比分析。

1.1 分離式結構(遮板)

分離式橋面系結構方案即將整個橋面系橫截面分成3個構件單獨預制安裝，分別為構件A：遮板和豎墻；構件B：電纜槽和豎墻組成的“山”形構件；構件C：防護墻(或擋砟墻)，如圖1所示。其中，構件A遮板和豎墻、構件C采用灌漿波紋管與主梁連接，構件B采用輕質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 分離式結構方案

1.2 整體式結構(遮板)

整體式橋面系結構方案(遮板)將防護墻、豎墻、遮板、電纜槽等橋面系結構整體預制安裝，如圖2所示。整體結構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 整體式結構方案(遮板)

1.3 整體式結構(邊墻)

我國目前運營的高速鐵路箱梁均使用遮板構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。與傳統的預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，預制裝配構件標準塊長1 980 mm，梁端塊長2 310 mm，相鄰兩構件間距為20 mm，如圖3所示。裝配構件在連接之前，根據欄桿或聲屏障安裝需求適當調整位置，在構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埋套筒和螺栓與梁體連接。

圖3 整體式結構方案(邊墻)(單位：mm)

1.4 方案比選

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

2 關鍵施工技術

針對裝配式橋面系附屬設施構件預制、養護、吊裝，以及梁體預埋套筒定位、砂漿墊層施工等關鍵施工技術，通過工藝試驗，進行了施工方案優化。

2.1 構件預制與養護

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

2.2 構件存放與運輸

構件預制場規劃有構件存放區，預制件規劃存放數量為320塊，預制件存放采用單層存放方式，在防護墻和邊墻下方設置10 cm×10 cm方木支墊。預制件單塊質量為2.2 t，采用平板運輸車運輸。見圖4。

圖4 預制件存放

2.3 箱梁預埋套筒定位

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

圖5 箱梁預埋套筒定位(外置定位胎具)

2.4 構件吊裝

構件采用四點吊裝，吊點位于試件兩側。構件定位前，首先安裝連接螺栓，在連接螺栓上安裝可調高圓盤，通過旋轉圓盤微調高度，實現四角水平，然后構件吊裝就位，就位前在橫向和縱向通過人工微調，確保構件水平向位置準確，就位完成后卸掉吊裝工具，見圖6。

圖6 構件吊裝

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 整體式防護墻力學性能試驗

為了檢驗這種新型高速鐵路橋梁預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計要求，制作1個標準塊段的足尺模型試件，進行了防護墻力學性能試驗。

3.1 試驗設計

3.1.1 結構構造及材料特性

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。按照設計方案，標準預制塊段長度為2 m，預制塊混凝土為C50高性能混凝土，混凝土澆筑由自建攪拌站供應，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，參考現行規范和標準，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。為保證試驗數據可靠，防護墻按照預加載、0.2級、0.4級、0.6級、0.8級、1.0級分級加載，重復加載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

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

圖8 防護墻力學性能試驗測點布置

3.2 試驗結果分析

3.2.1 防護墻脫軌荷載試驗試驗結果

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的設計荷載，試驗過程中密切關注橫向位移、防護墻底部應變，以及結構表面和砂漿墊層裂紋情況。通過3次循環加載過程可知，加載至20 kN/m時，位移和應變隨荷載的增加線性增大，結構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，砂漿層出現可見裂紋，但未橫向貫通，防護墻線路側受拉區出現分散的微小裂紋；加載至80 kN/m時，砂漿層裂紋橫向貫通；加載至100 kN/m時，防護墻內側受拉區出現分布式裂紋，部分連通，墻體承載力滿足設計值要求。卸載后開裂砂漿層存在明顯殘余裂縫，進行第2、第3次循環加載，兩次結構位移曲線基本重合。圖9給出了防護墻頂部橫向位移實測結果，圖10給出了防護墻線路側底部應變實測結果。

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應變

3.2.2 防護墻極限承載力荷載試驗結果

完成脫軌試驗后，進行防護墻極限承載力試驗，重復加載過程，直至破壞，試驗結果見圖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，結構達到極限破壞狀態。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，豎墻外側砂漿層無明顯破損，電力槽底板未見明顯裂紋。

4 結論

通過開展高速鐵路預制裝配整體式防護墻施工技術研究，對施工工藝、工藝工裝等進行優化，保證施工質量。同時開展試制足尺試件試驗，對構件力學性能進行驗證，構件受力性能滿足規范要求，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計吻合，可以應用于工程實際。高速鐵路橋梁裝配式橋面附屬結構施工關鍵技術首次應用于京雄城際鐵路，工廠化環境穩定、現場澆筑量減少，施工安全系數更高；模塊化、機械化生產方式，較傳統施工工藝，質量更可靠。采用裝配式建造技術，施工現場作業量明顯減少，泥漿、粉塵、噪聲等污染顯著降低，環保效果突出。裝配式橋梁構件預制和現場安裝同步，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固霸特大橋成功應用，為今后國內高速鐵路橋梁的裝配式施工提供了可靠的決策依據和借鑒價值，對裝配式施工在高速鐵路領域的應用具有很大的推動作用。