雅萬高速鐵路預制混凝土簡支箱梁力學性能試驗研究

李學斌 曹廣利 王繼軍 唐濤 李元 呂啟兵

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國中鐵四局集團第一工程有限公司，合肥 230041；3.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；4.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610213）

1 工程概況

印度尼西亞雅加達至萬隆高速鐵路是中國高速鐵路首次全系統、全要素、全產業鏈走出國門，是一帶一路倡議的標志性項目。雅萬高速鐵路為雙線鐵路，最高設計時速350 km，正線全長142.3 km，其中雅加達市域內3.6 km，西爪哇省域內138.7 km。鐵路沿線設哈利姆、加拉璜、瓦里尼、德卡魯爾4 座車站和德卡魯爾動車段。全線平面布置見圖1。

圖1 雅萬高速鐵路線路平面布置

雅萬高速鐵路全線采用中國鐵路技術標準設計和施工。全線路基段累計37.283 km，占線路全長的26.2%；橋梁共57 座，累計88.329 km，占線路全長的62.1%；隧道共13 座，均為單洞雙線隧道，累計16.688 km，占線路全長的11.7%。最長隧道為6 號隧道，長度為4.440 km。雙線涵洞共81 座。設計時速300 km 及以上線路采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，其余低速地段和沉降不易控制的特殊地質地段采用有砟軌道。全線無砟軌道的鋪設長度為79.6 km，鋪設區段為CK16+000—CK95+600。

全線設3個制梁場，共計劃預制箱梁2 535孔。其中，32 m 雙線簡支箱梁為主梁型，24 m 和非標雙線簡支箱梁用于調跨。預制箱梁架設總長度為79.842 km，占全線橋梁總長度的90.4%，占線路全長的56.1%。因此，預制箱梁的施工質量對全線工程質量影響較大。截至2020 年11 月，已制備完成預制箱梁590 孔，約占計劃總量的23.3%，見表1。，其中，1#和2#制梁場已制備完成的箱梁適用于設計時速350 km 的線路，而3#制梁場已制備完成的箱梁適用于設計時速200 km的線路。

表1 雅萬高速鐵路預制箱梁數量統計

2 混凝土材料力學性能

雅萬高速鐵路預制箱梁采用C50 混凝土，原材料均選自印尼當地?；炷僚浜媳纫姳??；炷聊z凝材料總量均不超過500 kg/m3；水膠比均為0.31，不大于0.35，符合TB/T 3432—2016《高速鐵路預制后張法預應力混凝土簡支梁》［1］的規定。

表2 預制箱梁混凝土配合比 kg·m-3

在箱梁灌筑混凝土過程中隨機取樣，制作10 d 齡期施工試件和28 d 齡期標準養護試件，測試混凝土抗壓強度和彈性模量，結果見表3、表4。28 d齡期標準養護試件的混凝土抗壓強度和彈性模量分布見圖2。可知：施工試件抗壓強度最小值為53.8 MPa，彈性模量最小值為35.8 GPa，滿足終張拉施工對梁體混凝土抗壓強度和彈性模量的指標要求［1］；標準養護試件抗壓強度最小值為57.2 MPa，彈性模量最小值為38.3 GPa，滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》［2］及TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》［3］的要求。依據TB 10425—2019《鐵路混凝土強度檢驗評定標準》［4］計算，雅萬高速鐵路預制箱梁具有95%保證率的混凝土抗壓強度為59.1 MPa，彈性模量為39.1 GPa。

表3 預制箱梁試件混凝土抗壓強度

表4 預制箱梁試件混凝土彈性模量

圖2 28 d齡期標準養護試件混凝土力學性能指標分布

3 施工階段梁體力學性能

3.1 預應力管道摩阻損失

按照TB 10092—2017，在設計混凝土梁預應力時須考慮6 項預應力損失。對于后張法梁，預應力鋼筋與管道之間摩擦引起的應力損失（簡稱管道摩阻損失）是其中最主要的一項。雅萬高速鐵路預制箱梁全部采用橡膠抽拔管成孔方式。管道摩阻系數包括考慮每米管道對其設計位置的偏差系數k、鋼筋與管道壁之間的摩擦系數μ。以高速鐵路32 m預制簡支箱梁為例，按摩阻系數設計值計算到跨中截面時，管道摩阻損失約占張拉力的15.6%［5］。

梁體的預應力度是影響預應力混凝土梁承載性能的一個關鍵性指標［6］。為確保梁體抗裂性能滿足設計要求，在終張拉前進行必要的預應力管道摩阻損失測試，根據管道摩阻系數實測值調整設計張拉力［1］，實現梁體預應力的準確施加。

選取了生產初期的1～3 孔箱梁和生產后期（第100孔以后）的1孔箱梁［1］，按照Q/CR 566—2017《鐵路后張法預應力混凝土梁摩阻測試方法》［7］進行了預應力管道摩阻損失測試，并計算了換算到跨中截面時預應力損失實測值與設計值的偏差λ，結果見表5。預應力損失實測值大于設計值時λ為正，反之為負。可知：在生產初期，梁體實測管道摩阻系數基本小于規范設計值（k=0.001 5，μ=0.55）［2］，僅1#制梁場的第2 孔32 m箱梁的k值略大；到了生產后期，梁體實測預應力損失基本小于設計值，僅2#制梁場第101 孔32 m 箱梁的實測值大于設計值。總體上，管道摩阻損失實測值與設計值的偏差在±3%內，屬于張拉力可調整范圍，未出現異常情況。梁體預應力施工可靠。

表5 箱梁預應力管道摩阻損失

用橡膠棒成形預應力管道方式實測的管道摩阻系數離散性較大。預應力管道位置的準確性容易受施工階段多種因素影響，如橡膠棒定位網片位置的準確程度、橡膠棒與定位網片固定方式的精細程度、灌筑完混凝土后橡膠棒抽拔時間等。這些細節落實不到位就容易導致管道摩阻系數實測值大于設計值，偏差較大時換算到跨中截面的梁體實際摩阻損失也會大于設計值［5］。當實測值與設計值的偏差較大時，需要額外增加預應力筋來保證預應力施工的準確。因此，預制箱梁施工階段應嚴格控制預應力管道定位和成孔工藝。

3.2 終張拉梁體彈性上拱

對后張法預制箱梁在終張拉前后進行了梁體彈性上拱測試，結果見表6、表7（ZW，ZY，QW，QY 分別表示直線無聲屏障、直線有聲屏障、曲線無聲屏障、曲線有聲屏障箱梁）。設計時速350 km 線路的32 m 直線和曲線無聲屏障箱梁終張拉彈性上拱實測值分布見圖3?？芍?，1#和3#制梁場全部梁體的彈性上拱實測值均小于設計值，2#制梁場有少數32 m 箱梁的彈性上拱實測值大于設計值，但均不大于控制值（1.10 倍設計值），滿足TB/T 3432—2016的要求。

梁體彈性上拱的實測值與測量誤差、彈性模量、梁體自重、預應力控制效果、張拉齡期、環境溫度等因素有關，其中彈性模量和預應力控制效果影響最大。彈性模量偏小或張拉力過大會導致彈性上拱偏大，反之則會導致彈性上拱偏?。?］。施工過程中應對梁體的彈性上拱及時進行測量和統計，發現與設計值偏差較大時，分析原因并采取相應措施。

表6 32 m箱梁終張拉前后彈性上拱

表7 24 m箱梁終張拉前后彈性上拱

圖3 設計時速350 km線路32 m箱梁終張拉彈性上拱分布

3.3 梁體上拱度

運營階段梁體抗裂安全系數與上拱度大小有關，一般上拱度大的梁體抗裂安全系數偏低［9］。施工階段應控制梁體上拱度。在終張拉后第30 天測試了梁體跨中截面相對于理論支距的上拱度，見表8、表9。可知，32 m 和24 m 箱梁梁體上拱度實測值都小于控制值（跨度的1/3 000），滿足TB/T 3432—2016的要求。

表8 32 m箱梁梁體上拱度

表9 24 m箱梁梁體上拱度

設計文件中提供的線形參數均為理論計算值，是按混凝土澆筑后第10 天進行終張拉、終張后第60 天施加二期恒載的條件進行計算。由于梁體實際彈性模量與計算值相差較大，部分預制梁在終張拉30 d 后的梁體上拱度為負值。因此，施工階段應注意終張時間、彈性模量、預應力度等對徐變拱度的影響，及時對張拉過程中及終張拉后的線形進行觀測，做好觀測記錄，并根據實際情況調整預拱度設置［10］。

4 使用階段梁體力學性能

為檢驗雅萬高速鐵路預制箱梁在使用階段的力學性能，在終張拉30 d后選取最大跨度的32 m 簡支箱梁，依據TB/T 2092—2018《簡支梁試驗方法預應力混凝土梁靜載彎曲試驗》［11］進行了靜載彎曲試驗（圖4）。試驗中采用縱向5 點、橫向2 點集中力的方式進行加載，加載點位于箱梁腹板頂面中心，共計10個加載點。加載圖式見圖5。

圖4 32 m箱梁靜載彎曲試驗現場

圖5 32 m箱梁靜載彎曲試驗加載圖式（單位：m）

4.1 梁體豎向剛度

32 m 簡支箱梁靜載彎曲試驗加載值采用與設計彎矩等效的原則確定。試驗加載分2 個加載循環進行：第1 循環加載至設計荷載P；第2 循環加載至1.2P［11］。整個試驗過程采用自動加載設備進行。全線共對15 孔32 m 簡支箱梁進行了靜載彎曲試驗，結果見表10。其中，限值為1.05（f設計/ψ），f設計為靜活載撓度的設計計算值，ψ為等效荷載加載撓度修正系數，取1.003 1?？芍撼?#制梁場第6 孔32 m 箱梁外，各箱梁靜活載撓度實測值均小于設計值；所有箱梁的實測靜活載撓度均小于限值，滿足簡支梁剛度合格評定標準［11］。32 m箱梁梁體豎向剛度合格。

表10 32 m箱梁靜載彎曲試驗靜活載撓度

4.2 梁體抗裂性

32 m 箱梁靜載彎曲試驗第2 循環加載至1.2P的過程中，靜載彎曲試驗荷載與跨中撓度的關系曲線見圖6。

圖6 32 m箱梁靜載彎曲試驗荷載與跨中撓度關系曲線

由圖6 可知，試驗荷載與跨中撓度實測值基本保持線性關系（相關系數在0.997～1.000），未出現變形明顯增大的情況，表明試驗梁梁體變形處于彈性工作狀態。在加載至1.2P的持荷時間內（20 min），梁體底面和底部圓弧過渡段均未發現受力裂縫。32 m 箱梁梁體抗裂性滿足設計要求。

5 結論

1）雅萬高速鐵路預制箱梁混凝土力學性能指標、終張拉梁體彈性上拱、梁體上拱度、豎向剛度和抗裂性均滿足中國鐵路設計規范和驗收標準的要求。

2）梁體預應力管道摩阻引起的實際預應力損失與設計值的偏差在±3%范圍內，未出現異常，梁體預應力施工可靠。但管道偏差系數離散性比較大，施工過程中應重視預應力管道定位和成孔工藝的控制。

3）施工階段應注意質量過程控制。每100孔箱梁應進行1 次管道摩阻測試，出現偏差較大情況應及時調整張拉力，保證預應力施工的準確；每60 孔箱梁應進行1次靜載彎曲試驗，檢驗預制箱梁的施工質量。

后續工程中仍應把好質量關，為雅萬高速鐵路建設提供合格的預制箱梁。