40m箱梁靜載試驗臺通用性研究與應用*

邢宏科,張 旭

(1.中國建筑股份有限公司,北京 100037; 2.中建鐵路投資建設集團有限公司,北京 100176)

0 引言

繼鄭濟、南沿江、福廈鐵路之后,高速鐵路40m箱梁在南昌—景德鎮—黃山高速鐵路(以下簡稱“昌景黃高速鐵路”)施工中大范圍推廣應用,針對昌景黃高速鐵路(江西段)四標段3個箱梁預制場40m雙線箱梁和部分32m雙線、32m單線箱梁生產任務,根據《高速鐵路預制后張法預應力混凝土簡支梁》要求,每種類型每種跨度每60件進行一次靜載試驗,依據本項目施工特點,靜載試驗對臺架要求較高,不僅要求有足夠的剛度和較小的變形量,同時還要求安裝方便、通用性強,且可快速切換。

目前靜載試驗臺存在加載過程中上橫梁變形影響問題,使得在試驗持荷階段會出現試驗荷載下降現象;實際現場操作中系統是由多臺千斤頂集合而成,這些千斤頂分別由相應的液壓泵控制,易導致系統在加載過程中多臺不同的千斤頂同一時刻卻呈現出不同的荷載值;靜載試驗過程信息化、智能化、自動化程度不高,嚴重依賴人工等。這些問題的存在,使得預制簡支梁靜載試驗難以滿足要求。基于上述原因,為節省工程造價、縮短測試工期、方便靜載試驗等,本文對40m箱梁靜載試驗臺通用性展開研究。

1 工程概況及試驗臺初步設計

新建昌景黃高速鐵路(江西段)CJHZQJX-4標3個箱梁預制場各型號箱梁共計1 200余孔,其中包含40m箱梁930孔,以及部分32m雙線及單線箱梁。40m箱梁跨度39.3m,橫向支座中心間距4.4m;32m雙線箱梁跨度31.5m,橫向支座中心間距4.5m;32m單線箱梁跨度31.5m,橫向支座中心間距2.7m。

靜載試驗臺采用鋼桁架形式,其結構從下至上主要包括反力梁、傳力橫梁、千斤頂橫梁、主桁架。根據TB/T 2092—2018《簡支梁試驗方法 預應力混凝土梁靜載彎曲試驗》要求,40m箱梁設置2列共14個加載點,故在主縱梁下方設置7根傳力橫梁,傳力橫梁下方設置活動底座,通過移動活動底座調整橫向加載點間距,加載千斤頂及力傳感器設置于傳力橫梁上方。靜載試驗主體設置雙層4片主桁架,梁端通過精軋螺紋鋼與反力梁相連,其結構形式如圖1所示。

圖1 40m箱梁靜載試驗臺結構形式

2 設計荷載

40m箱梁靜載試驗按1.2級加載,加載方式按《簡支梁試驗方法 預應力混凝土梁靜載彎曲試驗》要求考慮,千斤頂最大荷載按1 500kN加載計算,共14臺千斤頂,總荷載為21 000kN,主桁架受力模型如圖2所示。

圖2 主桁架受力模型(單位:kN)

根據以上要求,靜載試驗臺采用的材料強度設計值如表1所示。

表1 材料強度設計值

3 結構分析

利用通用有限元軟件對反力梁、傳力橫梁及主桁架進行空間有限元分析。

3.1 反力梁

反力梁與橋墩緊密連接,其作用是將荷載均勻傳給橋墩。經計算,反力梁上、下翼板的應力為205MPa,小于材料的許用應力,滿足使用要求,反力梁有限元計算應力云圖如圖3a所示;拉桿處的變形量為6.2mm,滿足使用要求,反力梁變形云圖如圖3b所示。

圖3 反力梁應力與變形云圖

3.2 傳力橫梁

傳力橫梁的作用是將作用于傳力橫梁的千斤頂荷載傳遞到橋梁頂板的腹板中心位置。傳力橫梁截面尺寸如圖4所示。建立傳力橫梁有限元計算模型,由于結構和荷載對稱,取1/4模型計算,在對稱面分別加對稱約束,其最大受力變形在傳力橫梁中心,變形量為18.3mm(見圖5),滿足使用要求。傳力橫梁翼板應力為228MPa,小于許用應力(見圖6),滿足使用要求。

圖4 傳力橫梁截面

圖5 傳力橫梁變形云圖

圖6 傳力橫梁上翼板應力云圖

3.3 主桁架

主桁架中間部分采用桁架,邊梁采用箱梁,故統一用板單元進行結構總體的有限元分析,計算結構應力和總體變形,根據有限元計算原理,選取單片主縱梁的1/4計算即可,主桁架跨中變形量為104mm(見圖7a),滿足使用要求。主桁架跨中上表面應力為234MPa(見圖7b),小于Q345的容許應力,滿足使用要求。

圖7 主桁架變形與應力云圖

4 試驗臺架安裝與應用

4.1 施工準備

1)根據靜載試驗臺設計圖紙進行靜載試驗基礎匹配,同時根據地質條件及靜載試驗臺總重、梁體自重設計靜載試驗臺座,其基礎采用預應力管樁處理,后澆筑C30混凝土,安裝反力梁前用細沙找平,高差≤3mm。

2)準備細沙若干,40cm×40cm×1cm鋼板14塊,細沙用于梁面找平,鋼板用于梁面傳力橫梁下墊,避免箱梁頂板應力集中造成破壞。

3)反力梁安裝于靜載試驗基礎上,支座部位縱橫向及對角線安裝誤差<10mm,高差<2mm。

4.2 安裝施工要點

根據靜載試驗臺結構設計,其滿足40,32m雙線箱梁靜載試驗,同時滿足32m單線箱梁及T梁靜載試驗需求。

1)40m雙線箱梁應用時靜載試驗臺全尺寸安裝,梁面主桁架中心間距按箱梁設計支座間距控制為4.4m,梁面縱向布置2列共7排千斤頂,千斤頂縱、橫向間距分別為4,6.2m,在梁面千斤頂位置繪制十字線,并用細沙找平,鋪設鋼板,最后安裝靜載試驗臺。靜載試驗臺安裝完成后傳力橫梁縱橫向中心、梁面鋼板縱橫向中心、梁面十字線重合誤差≤10cm。 40m箱梁靜載試驗臺安裝方式如圖1所示,橫向加載安裝如圖8所示。

圖8 箱梁橫向加載點示意

2)32m雙線箱梁應用時拆除靜載試驗臺兩端4m活動節,拆除后試驗臺總長32.96m,梁面主桁架中心間距按箱梁設計支座間距控制為4.5m,梁面縱向布置2列共5排千斤頂,千斤頂縱、橫向間距分別為4,6.236m,其余控制方式與40m箱梁相同,試驗臺安裝方式如圖9a所示。

圖9 32m箱梁安裝示意

3)32m單線箱梁應用時試驗臺總長度同32m雙線箱梁,拆除用于連接主桁架的中間桁架,梁面主桁架中心間距控制在2.7m,千斤頂橫向加載間距以設計文件要求為準,其余同32m箱梁,安裝方式如圖9b所示。

4)32m單線T梁應用時試驗臺長度32.96m,主桁架及反力梁使用結構僅為雙線箱梁的1/2,梁面縱向布置1列共5排千斤頂,千斤頂縱向間距4m,位于T梁腹板正上方,中心線及縱向安裝誤差≥10mm,安裝方式如圖10所示。

圖10 32m單線T梁安裝示意

4.3 桁架式40m箱梁靜載試驗臺優點

1)采取分段加工、現場拼裝,通過拆除標準節及中間桁架可向下兼容32,24m箱梁及T梁靜載試驗,轉場過程中無須張拉及放張,梁場間倒運1個拆除安裝周期最長8d,節省時間。

2)試驗梁無須在梁面翼緣板位置開孔,避免了開孔對梁體鋼筋造成的損傷及后期修補混凝土時的脫落。

3)加載千斤頂安裝至傳力橫梁上方,通過移動傳力橫梁下方活動支座調整橫向加載位置,避免了傳統試驗臺調整加載間距時移動千斤頂位置的繁重工作,同時千斤頂可隨試驗臺同步專用,無須人工搬運。

5 結語

該靜載試驗臺在昌景黃高速鐵路項目3個梁場周轉使用,試驗臺跨中最大變形量在110mm,滿足使用需求,其結構形式安拆便捷,靜載試驗過程中發揮重要作用。在工程實踐中,可以減少大量繁重工作,提高工作效率,產生良好的社會效益。