长大桥梁上CRTSⅡ型板式轨道底座板施工工艺优化检算

时间：2024-07-28

赵坪锐，胡佳，刘观

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

1 桥上底座板施工

在桥上CRTSⅡ型板式轨道中，轨道板和底座板跨梁缝连续铺设，底座板与桥梁之间铺设滑动层以减弱桥、轨相互作用，仅在桥梁固定支座处设置固结机构传递制动力。在长大桥梁上，连续底座板不可能一次施工完成，施工过程中的温度变化将引起底座板的伸缩。若固结机构同时施作完成，温度变化将对墩台产生巨大温度力作用。因此在固结机构处需设置后浇带，在桥梁跨中还需设置可张拉的后浇带(张拉后浇带)，以调整段落内施工锁定板温。在京津城际铁路施工过程中，每跨梁上均设置有两种后浇带[1]，施工较为复杂。为优化施工工艺，简化施工工序，拟采用以下施工方案:当连接温度在5℃ ～20℃时，需设置固结后浇带和张拉后浇带，固结后浇带设于每孔梁的固结机构处，张拉后浇带每隔200 m设置一处，如图1所示。

图1 优化施工方案

当施工温度在5℃ ～20℃时，施工步骤如下:

1)分段浇筑底座板混凝土。按每次浇筑长度至少一孔梁的进度浇筑底座板混凝土。浇筑前所有张拉后浇带的螺母松开离钢板至少10 cm。

2)手拧张拉器。测量各分段的长度与温度。自临时限位区向常规区中部依次用手拧紧张拉器。

3)张拉张拉器:用扳手从常规浇筑带中部向两侧依次对称拧紧张拉后浇带，张拉至J2。

4)浇筑后浇带混凝土:在温度＜30℃时浇筑固结后浇带和张拉后浇带混凝土。先浇筑除K0，J1，J2外的所有后浇带，3 d后浇筑K0，J1，J2后浇带。张拉与浇筑须在48 h内完成。

当温度＞20℃时，可取消张拉器的连接与张拉过程，在底座板混凝土浇筑完成48 h后浇筑固结后浇带。

下面对以上的施工优化过程进行施工检算，分析施工过程对轨道受力的影响。

2 拧紧过程受力分析

手拧连接的过程本身不会产生内力，但手拧之后，若施工温度发生变化，将在底座板内产生内力。

2.1 底座板与桥梁间无摩擦时

考虑到桥梁与底座板之间设置有滑动层，理想状态下可认为底座板与桥梁之间无摩擦，此时桥梁的伸缩对底座板受力无影响，取每跨梁作为一个分段进行计算，计算简图如图2所示。

图2 温度变化时底座板内力计算简图

图中L1，L2分别为先浇底座板和后浇带长度，EcA，EsAs分别为先浇底座板和后浇带的伸缩刚度。后浇带连接器部位每侧设置29根φ25 mm钢筋，其纵向刚度EsAs=2.85 GN，先浇底座板位置的纵向刚度EcA=20 GN，考虑到先浇底座板可能存在的收缩裂缝，计算时考虑不同的折减刚度[2-3]进行计算。

取钢筋和混凝土的线膨胀系数α一致，则手拧连接后温度变化(ΔT)引起的约束位移为

设由于约束产生的底座板内力为F，则在F作用下底座板混凝土位移和连接器区的纵向位移分别为

在每跨梁范围内，该位移完全被约束，则有

当桥梁上存在两种后浇带时，温度变化幅度及底座板刚度不同情况下的连接器钢筋应力、位移与底座板混凝土位移如表1所示。

由表1可以看出，在底座板刚度不折减的情况下，温度变化幅度为15℃时，连接器钢筋应力为173 MPa，满足强度要求。然而，实际上由于混凝土的收缩作用，底座板混凝土中将产生裂缝，刚度应折减，折减越大，钢筋应力越小。

当桥梁上仅有固结后浇带时的计算结果如表2所示。

表1 连接器钢筋应力、位移与底座板混凝土位移(两种后浇带)

表2 连接器钢筋应力、位移与底座板混凝土位移(仅有固结后浇带)

由表2可以看出，仅设置一种后浇带时，由于连接器长度的缩短，在相同温度变化情况下的底座板内力较设有两种后浇带时大。

2.2 当底座板与桥梁间存在摩擦时

当底座板与桥梁之间存在摩擦力f时，计算图示如图3。底座板位移可表示为

式中:f=μγA，其中μ为底座板与桥梁间的摩擦系数;γ为底座板钢筋混凝土重度。

不同摩擦系数、温度变化幅度情况下的连接器钢筋应力、位移和底座板混凝土位移如表3(两种后浇带)和表4(仅有固结后浇带)。

图3 底座板混凝土存在摩擦力时的计算图式

表3和表4中数据均是在伸缩刚度折减50%的情况下进行计算的。可以看出，考虑摩擦力之后，连接器钢筋应力有所增大，摩擦系数越大钢筋应力越大，但仍在强度容许范围内。

表3 连接器钢筋应力、位移与底座板混凝土位移(两种后浇带)

表4 连接器钢筋应力、位移与底座板混凝土位移(仅有固结后浇带)

3 张拉过程受力分析

在张拉连接器时，当板底无摩擦时，张拉过程理论上可达远处的固定端。实际上张拉时板底与桥梁之间存在一定的摩擦力，该摩擦力的存在将引起张拉器内产生内力。

3.1 张拉之前是否需连接的检算

由式(1)至式(3)可计算得到仅设置固结后浇带的梁上底座板平均刚度为9.5 GN(底座板混凝土范围内考虑50%的折减)。设底座板与桥梁之间摩擦系数为0.2，则当施工温度与锁定温度相差5℃，10℃，15℃时张拉第一处张拉器时的影响长度分别为185，260和320 m。施工方案中分段长度为200 m，温差＞10℃时，张拉一处后浇带将会对相邻张拉器产生影响，张拉之前需将各连接器螺母拧紧。

若后浇带在张拉过程中没有拧紧，15℃温差情况下需张拉的长度约为30 mm。当摩擦系数为0.2时，200 m长度上的摩擦力不足以抵抗底座板的位移，张拉将引起相邻后浇带位置偏离9 mm，后续张拉将引起更大的偏离值，全区段累积起来影响将较大。在张拉之前用手拧紧各HJD1的螺母是非常必要的。

不同连接长度时的底座板位移和内力分布如图4所示。

3.2 张拉时的连接器强度和墩台受力检算

在先用手拧紧的情况下，张拉第一处后浇带连接器将引起相邻连接器产生2 mm的位移，小于没有拧紧的情况。在此情况下张拉器钢筋应力约为89 MPa，在容许范围内。后续张拉所需的张拉力较前张拉更高，采用位移控制张拉的方式是可行的，张拉过程中的钢筋应力最大为115 MPa，在容许范围内。

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图4 不同连接区长度时的底座板位移和内力分布(15℃温差)

张拉过程中底座板和桥梁产生摩擦力，摩擦系数为0.2时引起的桥墩受力约为91.6 kN，不至于对桥墩受力产生太大的影响。

4 浇筑过程受力分析

后浇带混凝土浇筑时，当施工温度达到设计锁定温度时，底座板内温度力为零。当施工温度小于设计锁定温度时，底座板内存在一定的温度拉力，张拉器钢筋产生一定的伸长位移。此后再浇筑后浇带混凝土，这样当温度达到设计锁定温度时，后浇带混凝土内将产生一定的压力，对减少后浇带混凝土的开裂有一定的作用。当施工温度大于设计锁定温度时，连接器部位的钢筋承受一定的压力，产生压缩位移。此后再浇筑后浇带混凝土，当温度达到设计锁定温度时，后浇带混凝土内将可能产生开裂。从这一角度出发，后浇带混凝土浇筑时的施工温度不宜大于设计锁定温度，宜尽量在锁定温度范围内施工。当无法满足此条件时，宜在后浇带混凝土内添加膨胀剂。

4.1 连接区长度对桥墩受力的影响分析

后浇带施工完成达到强度之后，温度变化将引起常规区内较大的温度力，在升温10℃的情况下，底座板内温度力为1 794 kN。

在临时端刺区域，由于底座板与桥梁之间没有直接连接，桥梁墩台所受的力仅为底座板对其的摩擦力。当摩擦系数为0.2时，在临时端刺区每个墩台所受的力为91.6 kN。当连接起的临时端刺区长度足够长，温度变化时常规区内的墩台将承受很小的温度力作用。不同临时端刺区长度时的J2处桥墩受力如图5所示。

图5 不同连接区长度时的墩台受力

临时端刺区长度较短时，在温度变化时K0处的桥墩将承受较大的力，连接的临时端刺区延长到550 m时K0墩所受的力才能与临时端刺区内的桥墩受力相当。施工K0，J1，J2之前的连接长度足够，但在施工至J2时，由于K1没有连接，连接的临时端刺区长度仅为400 m，K0处桥墩上还受约每线200 kN的力。为改善桥墩受力，应适当延长连接区域，在J2后浇带浇筑之前将K1处连接，或检算J2处桥墩受力。

若前后施工区段施工的间隔太长，则可能会出现更大的温度变化情况，桥墩所受的力更大。

4.2 连接器钢筋承压稳定性检算

对于连接器部位的钢筋可视为两端固结的受压杆件，每根钢筋所能承受的最大压力为 Fcr=π2EI/(μl)2=347 kN，该值大于其强度容许的压力147 kN，因此在连接器钢筋失稳之前已屈服，无需进行稳定性检算。连接器可传递的最大荷载为4 263 kN，升温25℃时的温度力可达4 990 kN，大于连接器可能传递的荷载。升温21℃以下的底座板内压力可通过连接器钢筋传至两侧的临时端刺区。

施工温度大于锁定板温时，无需进行张拉，HJD1无需设置。需要注意的是，由于施工温度高于锁定板温，后浇带长度将略小于设计长度，可能会在后浇带区域产生裂缝，宜在后浇带混凝土内添加膨胀剂。

在大于锁定板温的条件下进行施工，相当于提高了锁定温度，在运营过程中的降温幅度将大于设计值，可能会引起底座板受力的增大，在设计过程中应考虑较大的降温幅度。