预制节段拼装UHPC门式墩设计及施工研究_陶然.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 4收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8第一作者:陶然(1 9 9 0-),男,工程师,硕士。预制节段拼装UH P C门式墩设计及施工研究陶 然(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 4 3 0 0 6 3)摘 要 铁路混凝土门式墩由于其盖梁自重较大且需要支架原位现浇等因素限制了其适用范围。文中提出将UH P C和节段拼装技术运用在空心箱形混凝土门式墩上,进一步减轻自重,采用工厂预制,现场节段拼装后整体吊装的方案实现混凝土盖梁门式墩可跨越既有线,计算分析验证该技术方案的可行性,提出配套施工工法,并与钢门式墩进行技术、经济指标对比分析。关键词 小角度斜交 门式墩 节段拼装 UH P C 施工工法 经济指标中图分类号 U 4 4 3.2 2 新建铁路小角度跨越既有运营铁路时一般采用钢门式墩+简支梁方案。钢盖梁门式墩具有质量轻,可整体吊装的优点,可在运营铁路的天窗期进行吊装作业施工以减小对既有线运营的干扰。但钢门式墩在建设运营过程中也存在以下问题:1)建设成本高,一个钢门式墩的建设成本约为相同跨度混凝土门式墩的23倍,特别当跨度较大时,造价急剧增长。2)维护保养较困难,混凝土门式墩在设计使用周期内几乎不需维养,钢盖梁防腐设计年限在2 5年左右,到期必须进行防腐涂装养护。早期建设的杭长高铁等使用未满1 0年已经出现锈蚀。3)钢门式墩还存在冬季挂冰凌、排水设计不顺畅、且刚度小导致活载作用下挠度大,列车行驶舒适度指标差等问题。管养部门多次向设计院提出能否优化设计。混凝土门式墩因其盖梁自重较大且需要支架原位现浇等因素限制了其使用的范围,一般应用场景为跨越预留铁路、市政道路等,混凝土门式墩一般设计成矩形实心截面,相应的合理跨径在2 5m以下,郑开城际、甬舟铁路上部分工点采用了空心箱形的截面形式以减轻盖梁自重实现跨度3 0m的设计。本文提出将UH P C和节段预制拼装技术运用在空心箱形混凝土门式墩上,进一步减轻自重,采用工厂短线法预制,现场采用长线法节段拼装成整体后吊装的方案实现混凝土结构门式墩跨越既有线。该种结构形式的运用,将部分替代钢门式墩,解决钢门式墩在运营中逐渐暴露出来的不足和问题。1 U H P C门式墩概述1.1 UH P C运用在门式墩上的优点超强 性 能 混 凝 土(u l t r a-h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e,UH P C)具有超高强度(抗压强度1 2 0MP a以上)、超高韧 性和超长耐 久性 等 优 异 特性1-2。将UH P C材料用于建造铁路混凝土门式墩盖梁可以显著降低结构自重,使结构轻型化并可减少下部基础费用,其更强的耐久性能与钢结构相比也可免去后期的防腐维养成本。常规的混凝土门式墩盖梁一般设计为矩形实心截面,其合理的跨度在2 4m以下,当门式墩跨度进一步加大时,混凝土盖梁梁高势必增大,影响下方结构建筑限界。混凝土盖梁自重较大,跨度增大也会使基础规模及造价急剧攀升。该种结构形式将缺乏合理性。部分工点采用空心箱形截面后加大了设计跨径,但仍存在计算指标较差,张拉预应力 后 混 凝 土 应 力 较 大 等 问 题。此 时 采 用UH P C后将具有显著优势,可进一步将盖梁设计成薄壁箱形截面,其自重仅为实心截面混凝土门式墩的4 0%左右,可比常规空心箱形截面门式墩减少1 5%。2 5m以下跨度的门式墩盖梁的质量可控制在3 0 0t以内,使得混凝土门式墩盖梁具备和钢盖梁一致的易吊装性。1.2 节段预制实现UH P C门式墩工厂化生产节段预制拼装是指在桥梁建设中,将桥梁结构划分为若干节段,各节段在工厂里预制后运至桥位完成拼装,同时施加预应力使各节段形成整体结构物的施工技术。该工法在国外运用已有几十年的历史,国内的高速公路及城市轨道交通领域也逐渐得到广泛运用3。由于UH P C材料制备技术要求较高、早期收缩较大等特点,在桥梁工程中的应用以预制为主,故可在工厂完成UH P C节段预制并进行高温蒸养,运输至现场通过预应力筋将预制UH P C节段张拉形成整体后吊装。节段预制拼装技术与UH P C材料的结合将完美实现UH P C门式墩工厂化生产,使其具备了和钢盖梁门式墩完全一致的生产建造过程,可用于跨越既有铁路门式墩的快速施工以减少对运营线路的干扰。2 U H P C门式墩结构设计下文以连徐高铁某工点门式墩为例,该工点以桥跨路基的形式跨越正在运营的既有铁路线,设计采用3 2m简支梁+钢盖梁门式墩方案,按UH P C盖梁的结构方案进行设计研究。2.1 盖梁构造2.1.1 盖梁尺寸及钢束布置门式墩的立面布置及UH P C盖梁跨中断面见图1,预应力钢束布置见图2。图1 门式墩立面及跨中断面构造示意(单位:c m)图2 预应力束布置示意图UH P C盖梁采用箱形截面,门式墩跨度2 0m,盖梁全长2 2.8m,梁顶宽3m,梁高3m。箱梁顶板厚2 5c m、底板厚2 8c m、腹板厚3 6c m,盖梁两侧两端对结构的顶底板及腹板局部加厚满足受力及预应力钢束的锚固需要。上部箱梁支座垫石下方处设置带过人孔的横隔板,横隔板厚6 0c m,同时在沿盖梁梁长两侧四分点左右位置设置厚3 0c m的小横隔板,确保盖梁稳定性和整体性。2.1.2 材料选择盖梁采用抗压强度为1 5 0MP a的UH P C材料,UH P C盖梁各节段圬工量共计9 2.6m3。盖梁在腹板和底板设置纵向预应力,纵向预应力钢束采用18 6 0MP a体内预应力,在两侧腹板各布置6根2 5-j1 5.2mm钢束,底板布置5根1 5-j1 5.2mm钢束。节段预制完成运输至现场拼装的接缝按涂抹环氧树脂密封胶的胶接缝设计。2.1.3 盖梁梁段划分及剪力键构造UH P C盖梁共划分为5个节段,最大节段长为4.6m,最大节段质量4 2t。盖梁共设置4个接缝,梁段划分及接缝位置示意见图3。总长2 2.8m的UH P C盖梁总质量为2 4 0t。图3 UHP C盖梁节段划分(单位:c m)节段接缝面在腹板、顶底板均布置一定数量的剪力键,密键形式布置,盖梁的跨中接缝3-4截面的剪力键布置见图4。图4 剪力键布置图(单位:c m)剪力键采用梯形,键顶宽51 5c m、根部宽2 54 0c m,键高5c m。剪力键在箱梁腹板内外侧设通缝,顶板设挤胶槽口。2.2 计算分析按照实际施工过程建立UH P C门式墩有限762 0 2 3年第1期陶 然:预制节段拼装UHP C门式墩设计及施工研究元模型见图5。长线法现场拼装节段至吊装完成盖梁均按简支体系考虑,盖梁与墩柱钢筋完成套筒连接后按梁柱固结计算。图5 UH P C门式墩有限元模型计算软件采用m i d a sC i v i l,盖梁共设置2 3个节点,划分为2 2个单元,盖梁材料设置为抗压强度1 5 0MP a的混凝土材料。上部荷载组合分别考虑主力(恒载+活载)和主力+附加力(除主力外考虑温度、列车制动力等附加力)4-5。计算各阶段主要应力图见图6,主要计算结果见表1。图6 阶段应力图(单位:MP a)表1 主要计算结果计算指标上缘应力(最大,最小)/MP a下缘应力(最大,最小)/MP a强度安全系数抗裂安全系数最大主压应力/MP a最小主拉应力/MP a主力 2 5.9,5.92 7.1,8.62.21.82 6.52.2主+附3 0.3,43 0.2,6.72.21.63 0.42.6 由图6表1计算结果可知,正是由于UH P C的超高抗压强度设计值,使得其可承受较大的预压应力,使得UH P C盖梁可承受较大的外荷载(自重及上部简支梁传递的恒活载)。各计算指标良好,远未达规范限值要求。此外,如将抗压强度为1 5 0MP a的UH P C设计容许弯曲压应力限定为5 0MP a,则说明该材料仍具有较大冗余,可承受更大的预压应力,完全可适用于更大跨径的门式墩设计。2.3 梁柱连接构造UH P C梁吊装至立柱上需与现浇的R C混凝土立柱通过刚性连接形成固结体系。用灌浆套筒连接的预制拼装桥墩在市政桥梁中已广泛应用,将预制拼装的立柱、盖梁、承台间均通过灌浆套筒连接,现场照片见图7。图7 盖梁与立柱通过灌浆套筒连接灌浆套筒连接法是将盖梁内预留钢筋接头与墩柱纵筋通过套筒进行连接,再向盖梁灌浆套筒中灌注高强砂浆进行密封。通过高强无收缩水泥灌浆料填充钢筋与连接套筒间隙,硬化后形成接头6-7。灌浆套筒连接构造简单,传力过程明确,通过保证锚固长度,确保钢筋等强连接,耐久性好,是一种可靠高效的连接措施。本文推荐在UH P C盖梁中预留灌浆套筒,立柱中纵向主钢筋伸出,吊装UH P C盖梁时精确对位,待盖梁就位后通过预留灌注孔灌注高强水泥砂浆。为减轻自重,设计时将梁柱固结处的UH-P C盖梁 也 拟 定 为 空 心 截 面,现 场 施 工 时 可 在UH P C盖梁顶板预留灌注孔,将梁柱固结处的盖梁全部灌注密实,形成整体。3 施工方案研究UH P C门式墩主要为实现整体吊装混凝土盖梁以跨越既有线,以期实现替代钢盖梁的结构形式。UH P C门式墩在设计阶段须结合可施工性及施工方案进行统筹考虑。3.1 吊机的吨位及场地UH P C门式墩盖梁采用在工厂节段生产预制,现场拼接整体吊装的形式,UH P C盖梁的自重一般在20 0 030 0 0k N,可以实现常见门式墩跨径(1 82 5m)范围的覆盖。现场吊装时一般采用履带吊机,施工时需结合现场的情况选择适合的吊机型号。特别需要关注既有线旁是否具备吊机进场和走行的相关条件。同等跨径的UH-P C盖 梁 的 起 吊 重 量 相 比 钢 盖 梁 门 式 墩 重 约2 5%,但仍处于门式墩常规的起吊重量范围,施工工法与钢盖梁完全一致。3.2 长短线结合的预制节段拼装UH P C门式墩采用在工厂进行节段加工预制,现场整体吊装的形式,故在工厂内采用短线法86陶 然:预制节段拼装UHP C门式墩设计及施工研究2 0 2 3年第1期节段预制。为确保盖梁拼装的质量和整体性,解决胶接接头匹配难度大的困难,宜在现场选取长线法,且门式墩采用整体吊装方能最大程度减小对运营铁路的干扰,故UH P C门式墩盖梁的制造采用 长短线相结 合的工法可 以针对性地 解决问题。3.3 施工步骤UH P C门式墩的施工步骤可与钢门式墩施工步骤基本保持一致,以下以跨越某既有线为例,详述施工步骤。1)对既有线进行有效安全防护后,施工桩基、承台,浇筑立柱混凝土至设计标高。2)UH P C盖梁在工厂进行短线法预制成节段运输至现场,在现场搭设长线制梁台座将节段进行现场胶拼形成整体。3)整体吊装UH P C梁,精确对位,盖梁灌浆,通过灌浆套筒连接完成梁柱固结。4)安装支座,架设上部简支梁,铺设桥面。图8 盖梁吊装后与立柱通过套筒连接4 经济指标分析为全面进行UH P C门式墩与钢门式墩的经济指标对比,需考虑运用2种材料门式墩的一次建设成本及全寿命周期成本。钢盖梁门式墩的一次建设成本主要为上部结构钢盖梁、下部桥墩及基础,以及天窗作业期的吊装费用、具备钢梁可拼装吊机可进场的场地硬化及整平费用等。UH P C节段拼装门式墩与钢盖梁门式墩相比,除上述成本外,还需增加现场拼装所需的长线法制梁台座等费用。仍以连徐高铁某工点跨度2 0m的钢梁门式墩为例,对比分析2种方案的经济指标,见表2。表2 一次建设成本比较分析万元结构形式盖梁单价桥墩与基础场地及吊装等合计钢盖梁2 0 89 6.01 03 1 4.0UH P C1 2 89 7.24 02 6 6.2 结合全寿命周期的成本进行经济指标分析。如钢门式墩采用Q 3 4 5 D普通钢材按照第七套涂装体系设计,防腐年限2