随着桥梁建设预制化、快速化、批量化的施工发展, 预应力I型组合梁因其施工速度快、质量控制好且经济性强等特点, 非常适用于短跨、多幅、等截面梁桥的建设。同时, 由于预应力I型组合梁构造简单、整体性能较好, 且材料节约等特点, 在中小跨径桥梁施工中有其独特优势^[1,2]。一般的铁路桥梁多采用等跨布置, 且相对于公路桥梁跨径较小, 预应力I型组合梁对铁路桥而言有着较好的适用性。

传统的I型预应力混凝土梁在施工过程中需在桥下搭设支架、封闭交通, 同时存在工期较长、底模材料消耗较大等问题^[3,4]。本文以泰国东海岸北柳—十九溪—景开铁路复线工程为背景, 对该项目中的I型预应力混凝土梁桥面板的设计优化与施工技术进行相关探讨, 提出“预制+现浇”叠合I型梁桥面板的优化方法, 并对该类型的I型梁桥面板受力进行分析, 并在实际工程中予以应用。

泰国东海岸北柳—十九溪—景开铁路复线工程位于泰国北柳府和北标府之间, 采用泰国当地标准设计, 路线全长23.78km, 共7座铁路桥。工程设计为客运、货运共线行驶, 铁路客运时速为160km, 货运时速为120km, 钢轨型号为UIC54, 轨距1m。

本项目新建桥梁跨越河流情况较多, 且河流有水土保护要求, 地区地势低洼、雨水较多、基础极差, 造成施工困难;部分梁桥上跨交通道路, 施工过程中不能封锁道路, 施工桥下净空要求严格;地处热带季风气候, 雨季时间长、雨量大, 项目施工工期紧。为保证快速、有序完成泰国铁路复线项目铁路桥梁工程建设, 提升泰国铁路复线项目桥梁施工质量及效率, 选择适宜的设计优化方案和施工方案具有至关重要的意义。

本项目I型梁采用的跨径分为16.5m和25m, 本文以25m跨I型梁为例进行分析。采用4榀25m跨I型梁作为主梁, 梁高1.42m, 梁间距1.27m, 在梁的端部和1/3位置处设有横隔板连接I型梁, 桥面板宽6m、厚0.30m, 如图1所示。

在泰国北柳府—景溪府铁路复线项目中, 项目工期紧, 且很多后张预应力简支Ι型梁桥在河水中间, 拆除底模较困难, 针对本项目Ι型梁桥面板施工中的难题, 采用“预制+现浇”叠合的桥面板设计优化方案。

根据分析, 将桥面板结构合理划分为预制和现浇2部分, 即消除应力钢丝预制板部分和桥面板现浇部分。首先对预制部分进行设计, 使得其能承受在施工过程中产生的恒载和活载, 根据2榀Ι型梁的间距情况, 合理控制消除应力钢丝预制板的厚度。然后为使得预制板不仅作为现浇部分的底模, 同时还作为桥面板永久结构的一部分, 参与桥面板结构整体受力, 在预制板顶面设置纵向抗剪弯筋连接件, 与桥面板现浇部分紧密结合在一起。25m I型梁桥面板设计优化如图2所示, 消除应力钢丝预制板结构如图3所示。

泰国的铁路预应力混凝土桥梁设计标准选用AREMA (美国铁路工程协会标准) ^[5]和ACI规范^[6]进行相关设计, 列车荷载UIC-20^[7]如图4所示。

承载力极限状况荷载组合:1.4DL+1.7 (LL+I) ;正常使用极限状况荷载组合:1.0DL+1.0 (LL+I) 。

冲击系数:I=60%, L_s≤4m;I=125/L_s^0.5 (%) , 4m<L_s≤39m;I=20%, L_s>39m, 其中, DL为恒载, LL+I为包含冲击系数的活载, L_s为桥梁跨径。

恒载包含混凝土自重和轨道质量, 混凝土重度取24.5kN/m³, 轨道单位重 (UIC-60) 为0.6kN/m, 则SDL=10.00kN/m²。铁路桥梁结构设计采用UIC-20列车荷载。

由于面板的预制和现浇部分在计算过程中视为整体, 为了对整个面板进行受力分析, 需对面板截面进行换算^[8], 如图5, 6所示。

梁间距为1.27m, 预制板厚取0.07m, 现浇面板厚取0.17m。故对于预制板, b_p=0.35m, h_p=0.07m;而现浇板b_e=0.35m, h_t=0.17m。

换算截面后, 复合截面换算截面面积A_c=677.9cm², 下形心轴距离y_bc=10.7cm, 上形心轴距离y_tc=5.7cm, 抗弯惯性矩为I_c=28 184cm⁴。

构件受力情况如表1所示, 预应力部件内部应力情况如表2所示。

正弯矩验算要求满足以下条件:A·M_n>M_u且A·M_n>1.2M_cr或1.33M_u, 根据计算分析, 叠合板M_u=181kg·m, M_cr=1 659kg·m, 而A·M_n=1 730kg·m, 故完全满足要求。同理, 负弯矩验算中, M_u=-572kg·m, A·M_n=2 342kg·m, 叠合板极限状态下受力良好。

由上述受力分析可知, 采用7cm厚的消除应力钢丝预制板能满足结构安全需求, 复合面板及预应力I型梁应力状态良好, 结构受力合理。

通过对该工程铁路桥梁结构的理论分析和对既有线桥梁面板施工情况的观察及泰国市场其他项目的考察分析, 对比3种Ι型梁桥面板施工方案:传统吊模法^[9]、底模托架法^[10]和“预制+现浇”叠合桥面板。3种方案的优选和经济技术对比分析如表3所示。方案2和方案3的施工示意如图7, 8所示。

通过对以上3种方案的经济、技术、安全、施工周期、环保等综合性比选分析, 传统吊模法施工周期长、现场作业难度大, 而底模托架法对底模铺设材料消耗大, 同时影响施工工期。综合分析, “预制+现浇”叠合桥面板法在施工质量、施工工期、技术经济性上都有较大优势, 在完成优化设计的基础上, 该方法能达到最佳的综合效益。

结合I型梁桥面板的设计优化方案和现场实际情况分析, 研究采用与设计优化相对应的“预制+现浇”叠合的施工方案。施工总体流程为:I型梁安装→横隔板施工→预制板安装→面板支架、模板安装→面板钢筋绑扎→混凝土施工→端横梁及剩余面板施工。

安装时, 采用人工与吊车配合进行。搭接板安装前, 测量人员先检查I型梁顶标高, 并标记搭接板安装位置, 以节省吊装、调整时间, 同时也有利于质量控制。搭接板安装时注意接触面凿毛处理, 拼接缝接触严密不留间隙。搭接板安放平稳, 如有晃动使用砂浆找平。搭接位置如图9所示。

边梁支架经过承载力计算后, 在加工场内加工完成, 验收合格后运至现场堆存准备安装, 边梁支架构成如图10所示;由∟10×7组成, 与I型梁预埋螺栓孔连接, 间距1m设置1个, 底模纵向分配梁铺设采用方钢□75×45, 间距0.3m, 底模采用10mm木模板。安装前, 检查I型梁上预埋螺栓孔, 并清理干净。采用人工与吊车配合进行支架安装。

按照图纸对模板进行调整, 并将其调装到位。模板的连接构件调集到位, 所有搭设脚手架的钢材调集到位。为保证设计钢筋正确放置和灌注混凝土质量, 应注意与横隔梁内预埋钢筋连接的质量, 保证其连接的牢固性, 同时注意两侧电缆槽钢筋预留。

控制混凝土的配合比、坍落度 (宜控制在1cm) 及各种外加剂。浇筑混凝土过程中, 应注意观察边跨支架, 以防模板加固不牢固而变形或漏浆。混凝土浇筑完成时, 注意横坡控制。

混凝土强度符合要求后, 用吊车与人工配合拆除侧模;面板底模和支架须等混凝土强度达到设计强度后方可拆除 (按照规范要求, 养护7d后方可拆除底模支架) ;模板拆除应遵循先支后拆、自上而下的原则。

1) 浇筑完成后, 尽快收浆;待混凝土初凝后对顶面采用保水土工布进行覆盖并洒水养护。

2) 拆模后采用保水土工布缠绕覆盖并洒水养护, 设专人负责养护且保证在养护期内土工布始终处于湿润状态, 养护时间≥14d, 混凝土的养护用水应与拌合用水相同。

以泰国东海岸北柳—十九溪—景开铁路复线工程为依托, 本文提出“预制+现浇”叠合I型梁桥面板设计优化方案。对采用“预制+现浇”叠合板的25m预应力混凝土I型梁桥面板受力状态进行分析, 对比分析优化方法与传统施工工艺的特点, 并阐述该优化方法施工关键技术要点, 可得出以下结论。

1) 采用“预制+现浇”叠合板优化的I型梁桥能有效适用于桥下交通繁忙、无法中断交通、工期紧等不利条件。该方法施工措施材料消耗少, 结构安全, 同时避免高空搭设支架模板, 降低施工风险。

2) 通过对“预制+现浇”叠合I型梁桥面板的受力状态进行分析, 25m I型组合梁的消除应力钢丝预制板采用7cm厚能有效满足结构安全需求, 复合面板及预应力I型梁应力状态良好, 结构受力合理。

3) 对比分析“预制+现浇”叠合优化方案与传统吊模法、底模托架法的特点, “预制+现浇”叠合桥面板法在施工质量、施工工期、技术经济性上都有较大优势, 在完成优化设计的基础上, 该方法能达到最佳的综合效益。

4) “预制+现浇”叠合的施工方案技术要点在于搭接板安装和钢筋绑扎。在施工过程中重点要求注意接触面凿毛处理, 表面平整, 同时在浇筑混凝土时应保证抗剪连接钢筋定位准确。