客运专线梁场制梁台座地基基础设计试验研究

王国欣,肖绪文,敖长江

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

1 概述

客运专线制梁台座是箱梁预制施工的主要施工平台。模板安装、钢筋笼安装及其连接、梁体混凝土灌注与养护、预张拉、初张拉等多道施工工序均在制梁台座上完成,通常制梁台座地基基础的设计需根据预制箱梁及地质情况进行设计。根据目前我国客运专线混凝土箱梁设计梁型的特点,一般预制双线箱梁(单箱单室或单箱双室)的长度为32 m,底宽5.5～6.5 m,高度2.7～3.05 m,质量720～860 t,如哈大、石武、沪杭客运专线采用了通桥2322的梁型,32 m的箱梁质量约860 t,而长吉城际铁路、汉孝城际铁路采用了通桥2224的梁型,32 m箱梁质量约720 t[1～2]。

制梁台座结构通常采用的是3道承台梁(或连续墙)的结构形式[3～4]。根据不同地质条件,采用不同的地基处理措施,对于软弱的高压缩性土地基,通常采用深基础或地基加固[5]；而当地基为较好的中低压缩性土时,可考虑采用浅基础,如扩展基础或筏形基础等,上部均采用刚度承台梁(或连续墙)形式[3]。如京津城际铁路5号制梁场采用是桩基础的结构形式[5],而哈大客运专线昌图梁场采用了浅基础及复合地基的形式[6]。

在进行制梁台座地基基础设计前,首先需清楚箱梁预制过程中对制梁台座的作用力,通常作用力可分为两个主要阶段,第一阶段：浇筑混凝土完毕至未张拉,即平均受力状态阶段；第二阶段：初张拉完毕到提梁之前,此时荷载逐渐向制梁台座两端集中,即应力重分布状态阶段。当前制梁台座地基基础设计时,一般假设第一阶段地基均匀承受上部整个箱梁重力；第二阶段在预应力初张拉后,由于预应力筋的张拉引起梁体上拱,使箱梁的重力全部或大部分由两端一定范围内的台座均匀承受。如哈大客运专线昌图制梁场制梁台座的地基基础设计就采用以上的设计理念[7]。

但箱梁在初张拉后的应力重分布对基础的受力是不可能完全由两端一定范围内的基础完全承受的,肯定有个受力的变化曲线,可以说张拉后由台座两端完全受力的地基基础设计肯定偏于保守。文献[7]的结论中阐述了哈大客运专线昌图梁场制梁台座设计中存在的问题,关键还在于预应力张拉后制梁台座基础受力模型的假设问题。

哈大客运专线昌图梁场的设计表明,制梁台座设计优化是非常有潜力的。目前各客运专线梁场制梁台座地基基础的设计可以说是各种各样都有,关键就是力学模型建立不统一,所以大部分设计均偏于保守,造成相当的浪费。因此,为了明确制梁台座受力状态,在哈大客运专线昌图梁场的一个制梁台座上进行了台座基础的受力测试,并在此基础上进行了分析与计算,最后得出了制梁台座地基基础设计的建议,具体测试分析如下。

2 制梁台座受力测试概况

图1 制梁台座基础应力测试平面布置(单位：mm)

由于制梁台座在受箱梁的作用时受力是以跨中对称的,因此在应力计埋设时选择半个台座进行埋设,埋设的平面及剖面如图1、图2所示。埋设过程中先进行混凝土浇筑,浇筑振捣完成后立即将应力计(国产EJ-61振弦式应力计)垂向埋入条形制梁台座中并进行测试,如图3所示。

图2 制梁台座基础应力测试横剖面布置(单位：mm)

图3 制梁台座应力计现场埋设照片

3 制梁台座受力测试结果及分析

在测试过程中,对制梁台座的3个受力状态分别进行了测试。

(1)初始受力状态：混凝土浇筑前(箱梁出模后),即零应力状态；

(2)平均受力状态：混凝土浇筑后(箱梁初张拉前)相对初始受力状态的应力状态；

(3)应力重分布状态：初张拉后(箱梁出模前)相对初始受力状态的应力状态。

测试共进行了7个循环,测试结果的平均值如表1所示。

对表1的数据进行分析如下。

3.1 横断面方向3个承台梁受力分析

(1)平均受力状态下

制梁台座两侧承台梁的平均受力为

制梁台座中间承台梁的平均受力为

其比值为

表1 制梁台座中各测点在不同受力状态下的应力平均值 kPa

(2)应力重分布状态下

制梁台座两侧承台梁的平均受力为

制梁台座中间承台梁的平均受力为

其比值为

所以从上述受力计算结果可以得出如下结论。

平均受力状态下：3个承台梁的受力在横向比例约为3.5∶3∶3.5。

应力重分布状态下：3个承台梁的受力在横向比例约为4∶3∶4。

3.2 纵断面方向3个承台梁受力分析

把平均应力状态与应力重分布状态下3个承台梁内的各测点的应力连成曲线,如图4所示。

图4 箱梁张拉前后承台梁受力分布对比

从图4可以看出,箱梁张拉前后承台梁应力进行了重分布,在承台梁端头的应力急剧增大,而承台梁跨中部位应力减小。可以认为在应力曲线的拐点前应力较为集中,拐点后应力变化趋缓。

对图中的应力重分布曲线进行拐点分析,拐点即连续曲线上凹凸部分的分界点,二阶导数在其邻域变正负号且二阶导数在该点为零的点,分析采用了通用数学软件origin7.5,结果如下：

(1)西侧(W)承台梁的拐点位于梁端约2.6 m；

(2)中间(M)承台梁的拐点位于梁端约4.4 m；

(3)东侧(E)承台梁的拐点位于梁端约2.7 m；

对3个条形承台加权平均(张拉后的横向受力分配权重)为

(2.6×4+4.4×3+2.7×4)/11≈3.1 m

通过以上分析表明,制梁台座张拉后应力重分布拐点出现在距梁端约3.1 m的位置。

由此可得出，制梁台座应力变化拐点出现在距台座基础端头约3.1+0.4=3.5 m的位置。

4 制梁台座地基基础设计

4.1 力学模型

根据以上测试与分析,以拐点为界,制梁台座端头3.5 m范围内的应力测试点应力的平均值为

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

则每米所受的力为

427×1.5=641 kN/m

中间段范围内的应力测试点应力的平均值为

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

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

127)/15=190 kPa

则每米所受的力为

190×1.5=285 kN/m

对于以上受力状态,可以设整个制梁台座的初张拉后应力重分布简图，如图5所示。

图5 箱梁初张拉后制梁台座应力重分布简图(单位：mm)

因此,张拉后,两端筏板的受力与中间段条形基础的受力比值约为

对于通桥2322型的860 t箱梁,受拉后的受力比例分配可参考此结果。

4.2 制梁台座地基基础设计

根据以上受力简图,制梁台座基础设计如下。

制梁台座基础端头3.5 m范围内采用筏板基础,厚400 mm；中间段基础可采用宽度为1 000 mm的无筋条形混凝土基础,厚度400 mm,台座基础半幅平面布置图如图6所示。

图6 制梁台座基础平面构造简图(单位：mm)

对于通桥2322型的类似箱梁(860 t),制梁台座筏板基础尺寸设计为：3 500 mm×6 000 mm×400 mm,此时筏板基底压力约为：427/4+20=127 kPa,横断面如图7(a)所示；中间段条形基础底压力约为：190/2+20=115 kPa,横断面如图7(b)所示。

图7 制梁台座基础横断面简图(单位：mm)

通过以上计算与分析表明,对于通桥2322型的类似箱梁,若地基为承载力特征值能达到130 kPa以上的岩土层(压缩模量高于4 MPa的中低压缩性土),制梁台座的地基可采用天然地基。若地基承载力特征值小于130 kPa,可采用复合地基(如CFG)使地基承载力达到130 kPa以上；对于软弱土层,则应可采用桩基础的条形承台梁结构形式。

5 结论

通过对客运专线制梁台座整个受力过程的应力测试,明确了制梁台座在平均受力状态与应力重分布状态两个受力状态下的应力变化情况,为制梁台座的设计提供了依据。测试与计算结果表明。

(1)平均受力状态下：3个承台梁的受力在横向比例约为3.5∶3∶3.5；应力重分布状态下：3个承台梁受力在横向比例约为4∶3∶4。

(2)应力重分布状态下3个承台梁两端筏板与中间段条形基础的受力比值约为3∶5,对于类似箱梁的设计可以考虑采用此比例进行分配。

(3)初张拉后,制梁台座应力重分布后应力曲线拐点出现在距台座端头约3.5 m的位置,并以此拐点为界,设计台座基础端头3.5 m范围内为筏板基础,台座基础中间段为无筋条形基础,并在这两种基础接触带设置沉降缝,以防止地基差异沉降引起接触带应力集中而破坏基础结构,并可防止应力重分布后对梁产生过大的弯矩。

(4)以上地基基础分析表明,对于通桥2322型的类似箱梁(860 t),当地基承载力特征值达到130 kPa(地基压缩模量高于4 MPa的中低压缩性土)以上时,制梁台座的地基可采用天然地基。若地基承载力特征值小于130 kPa,可采用复合地基(如CFG)使地基承载力达到130 kPa以上；对于软弱土层,则可采用桩基础做条形承台梁的结构形式进行设计。

[1] 通桥(2005)2322—Ⅱ. 时速350 km客运专线铁路无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(双线)[S]．

[2] 通桥(2007)2224—Ⅰ.时速250 km客运专线铁路有砟轨道预制后张法预应力混凝土简支整孔箱梁(双线、单箱双室)[S]．

[3] 刘长勇.铁路客运专线箱梁预制场制梁台座设计研究[J].铁道建筑技术,2009(12)：10-14.

[4] 李胜华.900 t高速铁路箱梁制存梁台座基础设计实例[J].山西建筑,2009,35(13):106-107．

[5] 王蔚蔚,代 华.特殊地质条件下的制梁台座优化设计[J].安徽建筑,2007(6):210-213．

[6] 马永杰.京津城际铁路客运专线32 m 900 t箱梁预制台座的设计与施工[J].铁道标准设计,2006(2):68-70．

[7] 王国欣,肖绪文,敖长江.客运专线梁场制梁台座地基基础设计研究[J].铁道标准设计,2008(10):44-45．