截至2014年底, 全国高速铁路运营里程达到1.6万km, 位居世界第一。目前, 以“四纵四横”为主骨架的高速铁路网已全部开工建设, 其中京沪、京广深、哈大、沪杭深“四纵”高铁已建成通车;石家庄至太原、济南至青岛、郑州至西安至宝鸡、南京至武汉至重庆、杭州至南昌等“四横”部分段落已建成通车。在国家“十三五”规划中, 铁路建设约2.3万km, 其中高铁约1.5万km。

钢筋焊接网技术^[1]从京津城际铁路开始就和高速铁路一直相伴。从京津城际铁路开始, 到四纵、四横高速铁路, 钢筋焊接网从预制箱梁的防裂层到桥面现浇的铺装层, 到轨道板底座及自密实层钢筋应用, 钢筋焊接网逐渐得到设计单位和施工单位的一致认可。截至2015年12月, 高铁应用CRB550^[2]钢筋焊接网的里程约8 000km, 钢筋焊接网用量达60万t左右, 高铁和快铁轨枕使用CRB550钢筋桁架超过11 500km, 用量60万t以上。下面就钢筋焊接网在高速铁路中的应用做系统介绍。

京津城际铁路是我国引进德国博格板式无砟轨道技术, 于2005年开始建设, 2008年建成通车。总长120km, 正线桥梁总延长100.5km, 桥梁部分以32m预应力混凝土箱形简支箱梁为主导梁形, 简支箱梁在工厂预制后运到现场安装。

无砟轨道预应力混凝土简支梁的桥面设置防裂层钢筋, 该配筋从博格公司的桥面板钢筋优化而来, 间距为225, 214, 222, 235mm等数值, 钢筋的间距较复杂, 难以手工精确控制其间距, 同时根据排水要求, 钢筋需加工成W形, 弯折角度仅为2° (见图1) 。现场加工和绑扎不易满足设计要求, 即使绑扎满足了要求, 施工浇筑混凝土时, 光圆钢筋也容易被踩踏变形。而钢筋焊接网由于采用CRB550级钢筋, 工厂化生产、计算机控制钢筋间距、整体刚度大、踩踏不变形等特点解决了这些施工难题, 保证了桥面的抗裂性, 故桥面的抗裂钢筋改为CRB550级钢筋焊接网。

使用钢筋焊接网技术后, 有力地保证了桥面钢筋的到位率, 同时施工进度加快, 得到业主和施工单位的一致好评。该种模式中钢筋焊接网使用在预制箱梁的保护层, 在箱梁预制过程中使用, 起防裂作用。该工程钢筋焊接网技术的成功应用为焊接网在其他高速铁路应用奠定了基础。

CRTSⅡ型板高铁主要有京石、京沪等高铁工程。CRTSⅡ型板高铁桥梁采用预制预应力钢筋混凝土简支箱梁, 由梁场预制后运到工地现场安装。为控制梁面混凝土裂缝、提高箱梁耐久性, 在箱梁上的混凝土保护层中设置钢筋焊接网, 同时作为桥梁的刚性防水层。

京石和京沪高铁桥面铺装钢筋焊接网的直径相同, 桥面保护层厚度为122~188mm, 混凝土强度等级为C40, 钢筋为Φ^R9@100单层。

武广和郑西客专采用双块式结构, 但二者结构形式又有细微变化:武广段的钢筋混凝土保护层厚度为131~184mm, 设计的双层Φ^R12@150的CRB550级冷轧带肋钢筋焊接网;郑西客专的桥面设置了厚度为105~175mm的钢筋混凝土保护层, 采用Φ^R11@200和Φ^R9@100的钢筋焊接网, 垂直桥方向为Φ^R11, 沿桥长方向为Φ^R9钢筋 (见图2和图3) 。

该种模式钢筋焊接网也是使用在箱梁保护层, 但箱梁保护层和防水层作为一个整体, 在箱梁架设完成后现场浇筑, 且配筋较大, 这点区别于京津城际的模式。

CRTSⅠ型板式无砟轨道由钢轨、扣件、垫板、轨道板、CA砂浆垫层、混凝土底座、凸形挡台及其周围填充树脂等组成^[3]。钢筋焊接网主要用在混凝土底座中。桥梁段混凝土底座和路基段混凝土底座的焊接网布置形式不同, 钢筋直径和分块的方式不同。主要工程有哈齐客专、哈大客专、沪宁客专等。CRTSⅠ型高铁无砟轨道桥梁直线段断面结构形式如图4所示。

由于轨道板需要经凸形挡台限制在混凝土底座中, 故凸形挡台需要高出轨道板5~10mm, 上层和下层焊接网规格型号一样, 只是使用时将网片纵横钢筋反过来即可, 下层焊接网横筋在上, 纵筋在下, 上层则相反。

桥梁段混凝土底座下层和上层钢筋都采用直径11mm的CRB550级钢筋焊接网, 其性能符合焊接网产品标准^[4]的要求, 附加的钢筋直条及连接2层钢筋网片的U型筋性能符合《冷轧带肋钢筋》GB13788—2008的要求。

桥梁段轨道板一般包括3种, 主要型号为P3685, P4962和P4856, 相对应的轨道板底座布置时, 每个轨道板下设置20mm宽伸缩缝, 伸缩缝对应凸形挡台中心并绕过凸形挡台 (见图4) 。底座宽2 800mm, 直线段厚460mm, 曲线段根据具体超高确定。

路基地段混凝土底座的钢筋采用直径12mm的CRB550焊接网, 路基宽3 000mm, 较轨道板底座宽200mm。钢筋焊接网采用平搭法搭接, 搭接长度取1.3l_a^[1], 由于底座板为C40混凝土, 取l_a=25d, 当直径d>10mm时, 搭接长度增加5d, 故搭接长度l_l=1.3×25d+5d=37.5d=37.5×12=450mm。由于路基的各段长度较长, 宽度超过了一般运输车辆的限制, 故需将每段钢筋网进行分解, 同时需考虑上下层搭接位置的错开布置。

考虑到上下层网片的搭接位置错开, 但上下层的网片又要相同, 故在设计时把第1片网片和最后一片网片的长度设计为差异最大化, 这样上层网片可以从左向右铺装, 下层网片可以从右向左铺装, 从而达到上下层网片错开搭接的效果 (见图5) 。

该CRTSⅠ型板式无砟轨道的预制轨道板通过水泥乳化沥青砂浆调整层铺装在现场浇筑的钢筋混凝土底座上, 通过凸型挡台限位, 所以在底座中应用上下2层钢筋焊接网, 在凸台位置钢筋焊接网需现场裁剪。

CRTSⅢ型板式无砟轨道是国内拥有自主知识产权的高速铁路技术, CRTSⅢ型板式无砟轨道使用了钢筋焊接网技术, 是焊接网发展历史上的一件具有里程碑意义的事件。CRTSⅢ型板式无砟轨道最早是在成都至都江堰城际客运专线, 开展具有完全知识产权的板式无砟轨道成套技术工程试验与设计创新工作, 2010年12月正式定型为CRTSⅢ型轨道板。其试验成果在湖北城际、盘锦至营口和沈阳到丹东客运专线铁路应用和实践, 钢筋焊接网技术在这些工程中得到很好应用, 同时在建和即将建设的郑徐、京沈等工程都是这种轨道形式, 也是未来我国主导发展的高铁轨道技术^[5]。

钢筋焊接网在CRTSⅢ型高铁轨道板的应用主要在轨道板的底座和自密实层中。桥梁段轨道板底座和路基段轨道板底座的焊接网布置形式不同, 但在自密实层中的布置是相同的。

CRTSⅢ型板式无砟轨道桥梁直线段断面结构形式如图6所示。桥面上主要由钢轨、弹性扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层以及具有限位结构的钢筋混凝土底座等部分组成。其中自密实混凝土层和钢筋混凝土底座部位有钢筋, 设计中采用焊接网。

桥梁段轨道板主要包括三种型号, 分别标识为P5600, P4925和P4856, 相对应的轨道板底座布置时, 每2~3个轨道板对应的底座为一个布置单元, 每2个单元间设置20mm的伸缩缝。底座宽3 100mm, 直线段厚280mm, 曲线段根据具体超高数确定。由于轨道板需要经自密实混凝土与轨道板底座连接, 故轨道板底座的双层焊接网布置中, 上层的钢筋焊接网根据需要预留孔洞, 下层焊接网则不需要, 具体如图7所示。

桥梁段轨道板底座的下层钢筋焊接网和上层钢筋焊接网都采用直径11mm的CRB550级钢筋焊接, 焊接是采用电阻点焊。焊接网性能符合《钢筋混凝土用钢-第3部分:钢筋焊接网》GB/T1499.3—2010的要求^[4], 附加的钢筋直条及连接2层钢筋网片的U型筋性能符合《冷轧带肋钢筋》GB13788—2008的要求^[2]。

路基地段轨道板底座的钢筋采用直径12mm的CRB550焊接网, 路基宽3 000mm, 轨道板底座宽2 750mm。钢筋焊接网搭接采用平搭法, 搭接长度取450mm。布置如图8所示。

自密实层混凝土是连接轨道板底座和轨道板的结构层。由于自密实混凝土层是在轨道板和底座之间, 是不能够振捣的, 自密实混凝土从轨道板灌注孔灌注时应设置排气孔, 并采取措施防止轨道板上浮。轨道板底座施工完毕, 同条件养护试块达到设计强度75%后, 可施工隔离层及弹性垫层, 隔离层施工完毕后放置自密实层钢筋焊接网, 然后放置轨道板, 支模板, 密封好空隙, 用专用夹具固定轨道板和底座以防止轨道板上浮, 然后浇筑自密实混凝土。由于轨道板预留门形筋与自密实层浇筑, 门形筋间距不均匀, 造成了自密实网片的横筋间距不均匀, 由于门形筋的宽度为230mm, 所以网片纵向钢筋的两侧对应轨道板预留门形筋位置抽掉了2根纵向钢筋, 在放置好轨道板后再补充附加绑扎直径相同的直条。

博格板式、双块式和CRTSⅡ型轨道结构仅应用1层或2层用于防裂的钢筋焊接网, 铺装时从箱梁一端按照平搭法逐片连续铺装。下面着重介绍一下在CRTSⅠ和CRTSⅢ型中施工应用的情况: (1) 桥面段自桥面的一端或一侧开始, 按布网设计沿桥长方向铺装, 桥面每块板单独布置, 待计划浇筑混凝土区的整个桥面焊接网铺装完毕后, 用U型筋将底座的上层网片和下层网片进行连接, 连接处与网片交叉点采用铁丝绑扎牢固; (2) 路基段网片由于路基的分段较长, 考虑运输因素, 网片需要分解为合适的长度。这就需要各个网片间搭接来实现, 搭接时应考虑上下层的网片搭接位置相互错开。

施工注意事项: (1) 上下2层网片连接使用的U型筋的高度要计算正确。长度方向U型筋按从外侧连接2层网片考虑, 宽度方向的U型筋按支撑2层网片考虑。 (2) U型筋数量要按钢筋数量多的上层网片钢筋数量计算, 由于网片的开洞造成了开洞处的应力集中, 故开洞处网片钢筋间距进行加密, 连接上下层网片的U型筋应以钢筋数量多的上层网片为准, 同时由于上下层网片钢筋间距的不同, 按上层钢筋数量与下层网片连接时, 上层钢筋与下层钢筋不在统一位置, U型筋可与与之垂直的下层钢筋连接。 (3) 路基底座的网片搭接采用平搭法, 即2张网片搭接时其中一张网片焊接时预留出纵筋长度, 在搭接范围内不焊横筋, 下一张与之搭接的网片搭接后, 纵筋和横筋都能在一个平面内。搭接长度按受力搭接考虑, 取1.3l_a^[1]。 (4) 网片搭接时, 在搭接区中心和两端采用铁丝绑扎牢固, 当搭接长度在600mm以内时, 绑扎1处;但当附加直条时, 直条与网片的每个交叉点都需要绑扎。 (5) 网片安装时, 下部网片应设置保护层垫块。垫块高度应满足钢筋保护层厚度要求, 垫块的材质应与底座混凝土、自密实混凝土相同, 以保证结构的耐久性。 (6) 钢筋焊接网运输时应捆扎整齐牢固, 每捆质量不宜超过2t, 必要时应加刚性支撑或支架;钢筋焊接网应按施工要求堆放, 并对不同型号的焊接网设置明显的标志。 (7) 网片的施工、检查和验收, 应满足钢筋焊接网的技术规程及铁路相关验收标准要求。

对比轨道板底座和自密实层的钢筋采用绑扎钢筋和使用焊接网的成本分析如下。

轨道板底座钢筋分为上下2层和自密实层钢筋, 共3层钢筋, 代换前后如表1所示。

桥梁段底座板和自密实层使用CRB550钢筋焊接网, 每延米钢筋重149.195kg, 按HRB335钢筋设计考虑时, 每延米质量165.985kg, 这样钢筋焊接网相比绑扎钢筋节材率在10%左右。同时, 由于采用了钢筋焊接网施工技术, 使用钢筋焊接网可省去现场钢筋制作、绑扎等时间, 每km可减少绑扎24万个绑扎点, 可以节省大量现场人工费用, 同时施工速度也大大加快了。

钢筋在我国国民经济建设中占很大比重, 由于我国线材产量巨大, 2014年线材统计产量为1.538亿t。如果线材10%的用量转化为CRB550钢筋焊接网, 按保守节材10%计算, 可节约154万t钢材, 这是一个巨大的数字, 相对于今天国家资源、环境资源紧张的环境下, 节约资源具有十分重大的意义。

从施工角度分析, 绑扎钢筋必须在现场加工, 绑扎。由于钢筋加工需要占用一定的施工场地, 且钢筋加工产生环境污染 (噪声、废料、场地混乱) 造成一定的经济损失。应用钢筋焊接网后, 由于钢筋焊接网是在工厂按图纸尺寸加工、严格按施工进度运至现场并直接吊运到施工作业面的, 现场无须钢筋绑扎所需的加工、堆放场地, 既节约了场地, 又提高了现场管理水平, 有利于文明施工, 对环境保护建设和文明生产起到了积极的推动作用。

对于建筑面积大、投资量大的工程, 加快资金回收很重要, 应用钢筋焊接网后, 能够节省大量工期, 达到早日投运, 早日获得收益, 使其尽快发挥社会效益和经济效益的最终目的。

施工中混凝土一般均采用混凝土输送泵浇筑混凝土, 传统的绑扎钢筋施工不能避免梁在浇筑混凝土时钢筋被踩踏变形和绑扎点松扣等缺陷, 钢筋焊接网解决了这个问题, 它具有较好的整体刚度, 能有效避免泵送混凝土在浇筑过程中造成钢筋的弯曲变形, 保证钢筋的到位率, 提高结构的抗裂性能。

1) 高速铁路工程使用钢筋焊接网技术切实可行, 可以较好地解决钢筋绑扎效率低下、偷工减料、浇筑混凝土宜踩踏变形的弊端。

2) 钢筋焊接网由于是在工厂按图纸尺寸加工, 严格按施工进度运至现场并直接吊运到施工作业面的, 现场无须钢筋绑扎所需的加工、堆放场地, 既节约了场地, 又提高了现场管理水平, 有利于文明施工, 对环保建设和文明生产起到了积极的推动作用。

3) 由于钢筋焊接网一般采用CRB550钢筋, 表层没有氧化铁皮的保护, 在空气中裸露易产生氧化现象, 所以存放时需要用苫布盖好, 或者运送到现场后尽快使用。

4) 截至2015年12月, 全国高铁运营里程1.9万km, 其中应用CRB550钢筋焊接网的里程约8 000km, 使用焊接网用量达到60万t左右。高铁和快铁轨枕使用CRB550钢筋桁架超过11 500km, 用量60万t以上。“十三五”规划新建铁路2.3万km, 基本实现相邻城市间形成1~2h交通圈, 未来高铁的发展势头良好, 钢筋焊接网的市场将得到进一步拓展。