王國欣,肖緒文,敖長江

(1.中國建筑第八工程局有限公司,上海 200122; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100037)

1 概述

客運專線制梁臺座是箱梁預制施工的主要施工平臺。模板安裝、鋼筋籠安裝及其連接、梁體混凝土灌注與養(yǎng)護、預張拉、初張拉等多道施工工序均在制梁臺座上完成,通常制梁臺座地基基礎的設計需根據(jù)預制箱梁及地質情況進行設計。根據(jù)目前我國客運專線混凝土箱梁設計梁型的特點,一般預制雙線箱梁(單箱單室或單箱雙室)的長度為32 m,底寬5.5～6.5 m,高度2.7～3.05 m,質量720～860 t,如哈大、石武、滬杭客運專線采用了通橋2322的梁型,32 m的箱梁質量約860 t,而長吉城際鐵路、漢孝城際鐵路采用了通橋2224的梁型,32 m箱梁質量約720 t[1～2]。

制梁臺座結構通常采用的是3道承臺梁(或連續(xù)墻)的結構形式[3～4]。根據(jù)不同地質條件,采用不同的地基處理措施,對于軟弱的高壓縮性土地基,通常采用深基礎或地基加固[5]；而當?shù)鼗鶠檩^好的中低壓縮性土時,可考慮采用淺基礎,如擴展基礎或筏形基礎等,上部均采用剛度承臺梁(或連續(xù)墻)形式[3]。如京津城際鐵路5號制梁場采用是樁基礎的結構形式[5],而哈大客運專線昌圖梁場采用了淺基礎及復合地基的形式[6]。

在進行制梁臺座地基基礎設計前,首先需清楚箱梁預制過程中對制梁臺座的作用力,通常作用力可分為兩個主要階段,第一階段：澆筑混凝土完畢至未張拉,即平均受力狀態(tài)階段；第二階段：初張拉完畢到提梁之前,此時荷載逐漸向制梁臺座兩端集中,即應力重分布狀態(tài)階段。當前制梁臺座地基基礎設計時,一般假設第一階段地基均勻承受上部整個箱梁重力；第二階段在預應力初張拉后,由于預應力筋的張拉引起梁體上拱,使箱梁的重力全部或大部分由兩端一定范圍內(nèi)的臺座均勻承受。如哈大客運專線昌圖制梁場制梁臺座的地基基礎設計就采用以上的設計理念[7]。

但箱梁在初張拉后的應力重分布對基礎的受力是不可能完全由兩端一定范圍內(nèi)的基礎完全承受的,肯定有個受力的變化曲線,可以說張拉后由臺座兩端完全受力的地基基礎設計肯定偏于保守。文獻[7]的結論中闡述了哈大客運專線昌圖梁場制梁臺座設計中存在的問題,關鍵還在于預應力張拉后制梁臺座基礎受力模型的假設問題。

哈大客運專線昌圖梁場的設計表明,制梁臺座設計優(yōu)化是非常有潛力的。目前各客運專線梁場制梁臺座地基基礎的設計可以說是各種各樣都有,關鍵就是力學模型建立不統(tǒng)一,所以大部分設計均偏于保守,造成相當?shù)睦速M。因此,為了明確制梁臺座受力狀態(tài),在哈大客運專線昌圖梁場的一個制梁臺座上進行了臺座基礎的受力測試,并在此基礎上進行了分析與計算,最后得出了制梁臺座地基基礎設計的建議,具體測試分析如下。

2 制梁臺座受力測試概況

圖1 制梁臺座基礎應力測試平面布置(單位：mm)

由于制梁臺座在受箱梁的作用時受力是以跨中對稱的,因此在應力計埋設時選擇半個臺座進行埋設,埋設的平面及剖面如圖1、圖2所示。埋設過程中先進行混凝土澆筑,澆筑振搗完成后立即將應力計(國產(chǎn)EJ-61振弦式應力計)垂向埋入條形制梁臺座中并進行測試,如圖3所示。

圖2 制梁臺座基礎應力測試橫剖面布置(單位：mm)

圖3 制梁臺座應力計現(xiàn)場埋設照片

3 制梁臺座受力測試結果及分析

在測試過程中,對制梁臺座的3個受力狀態(tài)分別進行了測試。

(1)初始受力狀態(tài)：混凝土澆筑前(箱梁出模后),即零應力狀態(tài)；

(2)平均受力狀態(tài)：混凝土澆筑后(箱梁初張拉前)相對初始受力狀態(tài)的應力狀態(tài)；

(3)應力重分布狀態(tài)：初張拉后(箱梁出模前)相對初始受力狀態(tài)的應力狀態(tài)。

測試共進行了7個循環(huán),測試結果的平均值如表1所示。

對表1的數(shù)據(jù)進行分析如下。

3.1 橫斷面方向3個承臺梁受力分析

(1)平均受力狀態(tài)下

制梁臺座兩側承臺梁的平均受力為

制梁臺座中間承臺梁的平均受力為

其比值為

表1 制梁臺座中各測點在不同受力狀態(tài)下的應力平均值 kPa

(2)應力重分布狀態(tài)下

制梁臺座兩側承臺梁的平均受力為

制梁臺座中間承臺梁的平均受力為

其比值為

所以從上述受力計算結果可以得出如下結論。

平均受力狀態(tài)下：3個承臺梁的受力在橫向比例約為3.5∶3∶3.5。

應力重分布狀態(tài)下：3個承臺梁的受力在橫向比例約為4∶3∶4。

3.2 縱斷面方向3個承臺梁受力分析

把平均應力狀態(tài)與應力重分布狀態(tài)下3個承臺梁內(nèi)的各測點的應力連成曲線,如圖4所示。

圖4 箱梁張拉前后承臺梁受力分布對比

從圖4可以看出,箱梁張拉前后承臺梁應力進行了重分布,在承臺梁端頭的應力急劇增大,而承臺梁跨中部位應力減小。可以認為在應力曲線的拐點前應力較為集中,拐點后應力變化趨緩。

對圖中的應力重分布曲線進行拐點分析,拐點即連續(xù)曲線上凹凸部分的分界點,二階導數(shù)在其鄰域變正負號且二階導數(shù)在該點為零的點,分析采用了通用數(shù)學軟件origin7.5,結果如下：

(1)西側(W)承臺梁的拐點位于梁端約2.6 m；

(2)中間(M)承臺梁的拐點位于梁端約4.4 m；

(3)東側(E)承臺梁的拐點位于梁端約2.7 m；

對3個條形承臺加權平均(張拉后的橫向受力分配權重)為

(2.6×4+4.4×3+2.7×4)/11≈3.1 m

通過以上分析表明,制梁臺座張拉后應力重分布拐點出現(xiàn)在距梁端約3.1 m的位置。

由此可得出，制梁臺座應力變化拐點出現(xiàn)在距臺座基礎端頭約3.1+0.4=3.5 m的位置。

4 制梁臺座地基基礎設計

4.1 力學模型

根據(jù)以上測試與分析,以拐點為界,制梁臺座端頭3.5 m范圍內(nèi)的應力測試點應力的平均值為

(505+465+350+242+521+478)/6=427 kPa

則每米所受的力為

427×1.5=641 kN/m

中間段范圍內(nèi)的應力測試點應力的平均值為

(282+211+190+177+132+214+224+179+

126+131+280+214+188+172+

127)/15=190 kPa

則每米所受的力為

190×1.5=285 kN/m

對于以上受力狀態(tài),可以設整個制梁臺座的初張拉后應力重分布簡圖，如圖5所示。

圖5 箱梁初張拉后制梁臺座應力重分布簡圖(單位：mm)

因此,張拉后,兩端筏板的受力與中間段條形基礎的受力比值約為

對于通橋2322型的860 t箱梁,受拉后的受力比例分配可參考此結果。

4.2 制梁臺座地基基礎設計

根據(jù)以上受力簡圖,制梁臺座基礎設計如下。

制梁臺座基礎端頭3.5 m范圍內(nèi)采用筏板基礎,厚400 mm；中間段基礎可采用寬度為1 000 mm的無筋條形混凝土基礎,厚度400 mm,臺座基礎半幅平面布置圖如圖6所示。

圖6 制梁臺座基礎平面構造簡圖(單位：mm)

對于通橋2322型的類似箱梁(860 t),制梁臺座筏板基礎尺寸設計為：3 500 mm×6 000 mm×400 mm,此時筏板基底壓力約為：427/4+20=127 kPa,橫斷面如圖7(a)所示；中間段條形基礎底壓力約為：190/2+20=115 kPa,橫斷面如圖7(b)所示。

圖7 制梁臺座基礎橫斷面簡圖(單位：mm)

通過以上計算與分析表明,對于通橋2322型的類似箱梁,若地基為承載力特征值能達到130 kPa以上的巖土層(壓縮模量高于4 MPa的中低壓縮性土),制梁臺座的地基可采用天然地基。若地基承載力特征值小于130 kPa,可采用復合地基(如CFG)使地基承載力達到130 kPa以上；對于軟弱土層,則應可采用樁基礎的條形承臺梁結構形式。

5 結論

通過對客運專線制梁臺座整個受力過程的應力測試,明確了制梁臺座在平均受力狀態(tài)與應力重分布狀態(tài)兩個受力狀態(tài)下的應力變化情況,為制梁臺座的設計提供了依據(jù)。測試與計算結果表明。

(1)平均受力狀態(tài)下：3個承臺梁的受力在橫向比例約為3.5∶3∶3.5；應力重分布狀態(tài)下：3個承臺梁受力在橫向比例約為4∶3∶4。

(2)應力重分布狀態(tài)下3個承臺梁兩端筏板與中間段條形基礎的受力比值約為3∶5,對于類似箱梁的設計可以考慮采用此比例進行分配。

(3)初張拉后,制梁臺座應力重分布后應力曲線拐點出現(xiàn)在距臺座端頭約3.5 m的位置,并以此拐點為界,設計臺座基礎端頭3.5 m范圍內(nèi)為筏板基礎,臺座基礎中間段為無筋條形基礎,并在這兩種基礎接觸帶設置沉降縫,以防止地基差異沉降引起接觸帶應力集中而破壞基礎結構,并可防止應力重分布后對梁產(chǎn)生過大的彎矩。

(4)以上地基基礎分析表明,對于通橋2322型的類似箱梁(860 t),當?shù)鼗休d力特征值達到130 kPa(地基壓縮模量高于4 MPa的中低壓縮性土)以上時,制梁臺座的地基可采用天然地基。若地基承載力特征值小于130 kPa,可采用復合地基(如CFG)使地基承載力達到130 kPa以上；對于軟弱土層,則可采用樁基礎做條形承臺梁的結構形式進行設計。

[1] 通橋(2005)2322—Ⅱ. 時速350 km客運專線鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁(雙線)[S]．

[2] 通橋(2007)2224—Ⅰ.時速250 km客運專線鐵路有砟軌道預制后張法預應力混凝土簡支整孔箱梁(雙線、單箱雙室)[S]．

[3] 劉長勇.鐵路客運專線箱梁預制場制梁臺座設計研究[J].鐵道建筑技術,2009(12)：10-14.

[4] 李勝華.900 t高速鐵路箱梁制存梁臺座基礎設計實例[J].山西建筑,2009,35(13):106-107．

[5] 王蔚蔚,代 華.特殊地質條件下的制梁臺座優(yōu)化設計[J].安徽建筑,2007(6):210-213．

[6] 馬永杰.京津城際鐵路客運專線32 m 900 t箱梁預制臺座的設計與施工[J].鐵道標準設計,2006(2):68-70．

[7] 王國欣,肖緒文,敖長江.客運專線梁場制梁臺座地基基礎設計研究[J].鐵道標準設計,2008(10):44-45．