朔黃鐵路低高度預應力混凝土板梁預制關鍵技術研究

白一凡

中國鐵建十四局集團有限公司北京中鐵房山橋梁有限公司 北京 102400

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港站，線路橫跨山西、河北兩省的5個地區(市)22個縣(市)與神朔、北同蒲、京廣、京九等鐵路干線接軌，正線總長614 公里，屬國家Ⅰ級、雙線、電氣化、重載鐵路，全線共設33 個車站，其中技術站有3 個(神池南、肅寧北、黃驊港)。設計年運輸能力為近期3.5億噸，遠期運量4.5 億噸。1997 年11 月25 日正式開工，1999 年11 月1 日全線建成，總投資150 億元，在全國路網中占有重要地位。本次設計的板梁梁體計算跨度12.0m，全長12.5m，梁高0.85m，橋面寬度3.9m，下緣寬度為2.4m，混凝土采用C60，本板梁承載能力高，采用整孔預制，降低了梁的自重，節約了混凝土，整孔設計減少了拼裝工序。

為完成板梁的制造，在板梁生產的以下關鍵工序進行研究：

1 板梁模板設計及高精度加工

1.1 板梁模板設計

本次模板設計主要包括側模、底模和端模三大部分，采用側模包住底模端模，底模托端模的結構，便于生產不同跨度的板梁[1]。同時，采用側模包住端模的結構設計，可以有效防止因為梁體過長而導致模具側模擠壓變形，提高設計精度[2]。在側模兩側分別設有7 個架子，內外側各一個千斤頂，可以通過調節千斤頂調節高低，控制模具精度在1mm 以內。板梁橫截面如圖1 所示。

1.2 梁體模板加工主要精度控制指標

（1）梁體長度預制精度要求±5mm。梁體長度控制在-5mm至0mm 范圍內。模具長度精度控制在-1mm 至0mm 范圍內[3]。

（2）配件定位安裝精度：預應力管道位置、預埋T 鋼位置、支座板套筒位置誤差在1mm 范圍內。

1.3 模板高精度加工控制措施

（1）模板制作以前,嚴格按照《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》、設計圖紙、配件安裝精度要求制作模板制作驗收標準[4]。

（2）模板制作時，將從原材料的進場、下料、焊接等工序嚴格把關，以保證模板制作進度及質量。

（3）外模采用工廠分段制作、現場拼裝成整體的方式。現場拼裝部分在工廠制作分段模板時必須預留焊接伸縮部分，以免模板焊接時造成焊接應力集中變形。

（4）運輸、吊裝模板時，嚴格控制吊點位置，以免模板變形。

1.4 模板高精度安裝控制措施

（1）模板安裝過程中充分考慮模板在混凝土灌筑過程中局部變形的問題[5]，安裝時必須以模具施工內控標準為安裝尺寸，以確保梁體的外觀尺寸偏差。

（2）模板每次脫模后，檢查全部尺寸，以保證模板精度。

（3）嚴禁模板出現三角支撐，避免影響模板精度。

（4）模板安裝必須嚴格控制各部位固定情況及垂直度，以確保垂直度誤差在1mm 以內，并且不得有脹模現象。

2 鋼筋骨架位置復核、綁扎工藝研究、鋼筋骨架吊裝工裝設計

2.1 鋼筋骨架位置復核

目前，BIM 技術發展迅速，通過對BIM 技術的應用可以在工程全生命周期內對其進行監控和指導。在本次施工前，設計人員以LOD400 建模精度，采用BIM 技術對梁體鋼筋及預應力管道位置進行復核[6]。完成BIM 建模后，將模型按層級逐級裝配，對其進行碰撞檢查，核查空間位置關系。考慮施工中能夠實現的空間位置，對一些不能實現的工序進行調整，經檢查共發現多處問題，包括部分橫向鋼筋穿過封錨口與錨墊板交叉問題、變截面鋼筋侵入保護層、梁端底板豎向鋼筋與預應力管道交叉問題、預應力管道防崩鋼筋與其他鋼筋交叉問題等，并對發現的問題及時調整，避免了施工中出現的空間位置沖突問題，進而提升鋼筋骨架的質量。

2.2 鋼筋綁扎

朔黃鐵路大修改造中的板梁共需要鋼筋35t，鋼筋規格有HRB400（C12、C16、C18、C20、C22、C25）和HPB300（φ8和φ10）。梁體通長C12 分布筋采用閃光對焊，定位網片制作采用普通電弧焊。按照規范要求施工并檢驗。

梁體鋼筋骨架綁扎采用在綁扎臺座上整體綁扎成型、整體吊裝的施工工藝。綁扎胎具由外胎具和內胎具組成。內外胎具均由碗扣式鋼管腳手架和角鋼搭設而成，即保證了鋼筋綁扎定位精度滿足要求，又加快了施工速度，節約了成本。

2.3 預應力鋼束成孔膠管安裝

按照鋼絞線的根數確定預應力孔道成孔直徑，并與定位網綁扎牢固。縱向預應力鋼束孔道采用抽拔橡膠管成孔的[7]。橡膠管直徑為80-90mm，發現管徑減少3mm 以上或表面脫膠分層，及時更換。橡膠管使用頻率不超過200 次，外觀質量應符合無表面裂口、無表面熱膠粒、無膠層海綿。膠層氣泡、表面雜質痕跡長度不應大于3mm、深度不應大于1.5mm，且每米不多于一處。

橡膠管安設時嚴格按照坐標位置控制，保持良好線型，制孔膠管小心的穿入鋼筋骨架的鋼筋定位筋（網）,避免碰壞鋼筋骨架。在跨中處由2 根對接構成，用波紋管將其連接并用塑料布纏緊，用鐵絲綁扎牢固防止混凝土漿流入膠管內。膠管位置偏差,距跨中4米范圍內≤4mm,其余部分≤5mm。

3 模板拼裝與拆除

此次板梁模板為整孔液壓鋼模板，模板分為底模、側模及端模，由專業廠家生產，模板進場后在試驗臺座上進行拼裝[8]。模板拼裝時，按照設計要求設置反拱及壓縮量。模板的安裝和拆除分為如下步驟：

（1）底模安裝。梁體預制采用固定式鋼底模。底模是分段運輸進場的，拼接時注意各段的中心線放在同一直線上。開始預制梁時，由于存在沉降，需要及時對底模進行檢查、及時調整。等沉降穩定后可以減少檢查的頻次。底模板在使用前進行整體檢驗，確認合格后噴涂混凝土脫模劑，按照設計要求進行支座板的安裝，支座板按照設計采用螺栓固定，防止支座板在施工過程中偏離設計位置。支座板的安裝位置符合具體的工藝要求，并經過專職質檢人員檢驗合格后方可進行下一道工序的施工。

（2）端模安裝。模型吊裝時要使模扇略向外傾斜，以免碰撞已就位的鋼筋骨架。先找正與底模相對位置，將端模中心線與底模中心線對正，保證端模定位銷落入底模的定位孔內將端模用螺栓固定在底模上。保證端模位置符合設計要求。

（3）側模安裝。利用龍門吊裝外側模，緩慢調整位置，用千斤頂調整其垂直度。保證側模位置符合設計要求。

（4）模板拆除。當梁體混凝土強度達到設計強度的30MPa以上時可以拆除模型。拆除時不得損傷混凝土表面，不得損壞梁體預埋件，拆除完畢及時清理模具表面的灰塵及粘結的混凝土殘渣，涂上脫模劑以備下次使用。拆模時禁止重擊或硬撬，避免造成模板局部變形或損壞混凝土棱角。

4 混凝土配合比設計

按照《鐵路工程試驗與檢測》[9]進行混凝土理論配合比計算，依據公司原材料實際情況，與試驗梁C60 混凝土配合比的設計，確定的理論配合比如下表1：

施工時，根據當天混凝土的砂、石含水率確定施工配合比，拌合出的混凝土符合工藝要求，預留的混凝土試塊進行混凝土28 天的檢驗，符合產品要求。

5 鋼絞線自動張拉

本次朔黃鐵路橋梁采用鋼絞線自動張拉技術，預應力張拉是保證橋梁結構安全和耐久性的關鍵工序，直接關系到線路的運營安全[10]。自動張拉技術功能和特點如圖2 所示。

圖2 自動張拉技術功能與特點

采用預應力自動張拉系統，集成應用機械技術、傳感技術、計算機網絡技術，進行預應力張拉智能化施工和數據信息化管理，確保施工質量和設備安全，提高作業效率、降低生產成本。

6 管道智能壓漿技術

后張法預應力混凝土橋梁注漿工程為隱蔽工程，事后檢測費時費力；若注漿過程參數采用人工記錄，數據缺乏準確性和客觀性[11]。本工程采用的智能壓漿系統。注漿智能監測系統實時監測注漿量和注漿壓力，監測數據上傳至鐵路工程管理平臺，實現了精確量測、遠程監測，有助于管理人員和現場技術人員及時掌握注漿工程現場情況。

7 靜載試驗

為評估低高度預應力鋼筋混凝土板梁的力學性能，擬各選取1 孔對該梁進行靜載彎曲試驗，測試靜載作用下梁體的撓度及應變[12]，檢驗梁體的豎向剛度、強度和抗裂性能。在靜載試驗過程中，在試驗梁4 個支座下方的臺座上設置支墩，支撐試驗板梁，利用錨固反力梁進行試驗加載。

7.1 試驗內容

針對10m 低高度預應力鋼筋混凝土板梁和12m 低高度預應力鋼筋混凝土板梁進行靜載彎曲試驗，按設計荷載檢算主梁最不利截面(控制截面)內力、撓度等主要計算指標，并換算成試驗荷載進行加載，并測試控制截面撓度、應力應變，支座位置處豎向位移等參數，并及時觀測梁底是否出現裂縫及裂縫發展狀況。試驗加載采用三截面加載方式進行，現場測試共分為2 個循環進行，第1 循環分為10 個工況，第2 循環分為15 個工況，根據荷載加載等級不同進行分類。板梁的加載和測點的分布如圖3、圖4 和圖5 所示。

圖3 預應力板梁靜載試驗加載圖示

圖4 預應力板梁靜載試驗應變測點縱向布置圖

圖5 預應力板梁靜載試驗撓度測點縱向布置圖

7.2 模擬計算

如今，數值模擬計算軟件飛速發展，我們可以運用各種各樣的軟件來事先模擬一下試驗結果，這可以用來指導后面的試驗和驗算。本文通過MIDAS 軟件建立板梁構件模型，如圖6 所示，并對靜載試驗進行了計算。最終位移云圖計算結果如圖7 所示，通過數值模擬發現，在加載過程中，板梁中部豎向位移最大，達到了8.4mm，與現場實測相差不大。通過應力云圖發現，支墩處的應力較大，我們通過增大支撐面的方法來緩解支墩處應力集中的現象。通過數值模擬來指導現場試驗，預先發現試驗中存在的問題，這對以后靜載試驗的研究也提供了幫助。

圖6 預應力板梁數值計算模型

圖7 預應力板梁模擬計算位移云圖

表1 混凝土理論配合比

7.3 加載系統

為了保證足尺試驗梁靜載試驗加載準確，并提升高速鐵路箱梁靜載試驗信息化水平，本次試驗采用鐵路橋梁智能靜載試驗系統。系統中的主控系統可以通過各種軟硬件通訊接口完成數據和指令的交互，從而實時監視、控制試驗流程、開展數據計算處理、結果判定、預警報警、應急處理。加載及控制系統為機電一體化設備，可以依據輸入的加載力數據信息形成加載控制指令，并執行主控系統的加/卸載指令，自動實現同步、平衡加載，保證加載及持荷階段的安全穩定，為各子系統的測量數據、試驗結果的準確可靠提供保障。

圖8 簡支梁智能靜載試驗系統

7.4 試驗合格標準

（1）實測靜活載撓度值：f實測≤1.05（f設計/ψ），則梁體剛度合格。ψ 為等效荷載加載撓度修正系數。

（2）在K=1.20 加載等級下持荷20min，梁體底面和底部倒角或圓弧過渡段均未發現受力裂縫，評定不允許出現拉應力的預應力梁抗裂合格。

（3）對不允許出現拉應力的預應力梁，梁體豎向剛度和抗裂性均合格，評定靜載彎曲試驗合格。

8 結語

本文依托朔黃鐵路大修改造工程，運用新型設計，采用單線整孔板梁替換原T 梁，屬國內新型技術。通過對新型板梁的模型設計研究和精細化加工，使得新型板梁承載力及結構穩定性遠高于原T 梁，成本也低于普通T 梁。同時，對于新型板梁，針對其靜載試驗進行了一系列研究，保證了板梁的生產質量，為日后新型梁的試驗開辟了道路。這次新型板梁的成功應用不僅大大提高了換梁效率，也為日后鐵路的改造大修指引了方向。