铁路客运专线箱梁预制场主要
土建结构物设计
张立青(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)摘 要 铁路客运专线后张法预应力箱梁截面大,重量大,标准高,除少量现浇和移动模架施工外,大部分需在现场的预制场内进行预制。结合2006年～2008年笔者主持和参与的国内数十个客运专线箱梁预制场的设计经验,对预制场的主要土建结构物(制梁台座、存梁台座、轮轨式搬梁机走行轨道基础等)的设计原理、标准、要点及注意事项进行阐述。
关键词 铁路大型临时工程 客运专线预制场 土建结构物
中图分类号 U445.47 文献标识码 A 文章编号 1009-4539(2008)增-0283-04
1 概述
客运专线预制场建设与制梁工程经验表明,现
场预制梁有诸多因素影响预制箱梁的质量、安全和效率,但预制场土建结构的设计和施工则是最为直接和关键的。
根据预制场土建结构物使用频率、破坏后果的严重程度,可将其分为主要结构物和一般结构物。预制场主要结构物包含制梁台座、存梁台座、移梁小车轨道基础、搬(提)梁机走行轨道基础等。预制场主要结构物宜采用以概率理论为基础的极限状态设计法,以可靠指标度量结构的可靠度,采用以分项系数的设计表达式进行设计,本文针对预制场主要结构物进行叙述。
2mm以内。故制梁台座的设计除了满足强度的要
2 制梁台座设计
制梁台座是制梁区内为箱梁生产提供平台的混凝土结构物,箱梁生产在制梁台座上完成模板支拆、钢筋骨架安装、混凝土浇筑及养护、预应力筋(预)初张拉等工序。在预制场主要结构中制梁台座的使用率最高,制梁台座是预制场土建结构物设计的重点。
参考《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》关于箱梁预制有关规定,箱梁不均匀变形需控制在
收稿日期:2008-07-01
求外,尚需满足对刚度的要求,另外尚应考虑施工可行性,如制梁台座应留出底模板调整及蒸养装置操作的空间等。
制梁台座设计应根据不同地基上采取不同基础形式,从我们设计经验来看,一般地基和基础决定其上部结构形式。根据上部结构的不同制梁台座可分为格构式和连续墙式等两种结构形式。2.1 格构式制梁台座2.1.1 设计思路
对于采用桩基形式的制梁台座,由于桩与上部结构形成整体结构,桩基对上部结构的刚度有较大贡献,采用桩基的制梁台座可采用上部自身刚度较小的结构。格构式制梁台座不但节省钢筋混凝土量,且方便施工人员进出台座、调整底模及安装箱梁蒸养管道等施工操作。
格构式制梁台座由纵梁、纵梁横系梁、地基板、纵梁端头板、立柱、连续墙和桩基组成组成,纵梁、地基板和立柱组成连续刚构梁,结构形式如图1所示。2.1.2 设计计算
制梁台座计算可分两种工况:箱梁浇注完毕尚未张拉为第一工况;初张拉完毕提梁之前为第二工况。第一工况荷载基本均布于制梁台上,第二工况荷载较集中于制梁台两端。应分别对两种工况下制梁台座建立模型进行构件内力和地基反力计算,在计算中可将制梁台座视为桩梁结构建立空间结构模
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型;求得各构件的弯矩、剪力与轴力分别进行钢筋配置,同时可求出各单桩的荷载,进行基桩的设计。在图1中的制梁台座采用了桩径较小的CFG桩作为桩基础,这样既充分利用CFG桩的刚性,又大幅提高上部格构结构的刚度,具有较高经济性,此法在郑西赵庄梁场得到首次应用并得到推广。
载高度集中作用于台座两端,在设计过程中需采取切实构造措施,如将台座端部分设置沉降缝将端部分与中部分隔离。此种形式制梁台座设计在采用移梁小车移梁的梁场应用广泛,如武广廊田河、西瓜地梁场。一个典型的移梁小车制梁台座如图3所示。
图1 格构式制梁台座结构形式图3 采用移梁小车运梁的特殊制梁台座
2.2 连续墙式制梁台座
2.2.1 设计思路
3 存梁台座设计
3.1 存梁台座设计概述
连续墙式制梁台座上部结构相对于格构式刚度大,设计计算也较格构式简单。对于利用天然地基或浅层地基处理的制梁台座,若采用上部结构刚度较弱的格构式制梁台座,难以保证自身变形的要求,因此对于采用天然地基或浅层地基处理的制梁台座,采用上部结构刚度强的连续墙式为宜,此种形式制梁台座在甬台温河头梁场、武广樟市梁场都有成功应用。一个典型的连续墙式制梁台座结构形式如图2所示。
图2 连续墙式制梁台座
2.2.2 设计计算
同工况分析和计算流程与格构式制梁台座计算
相同。2.3 其它形式制梁台座
制梁台座设计除需考虑地基和基础形式外,尚需考虑移梁设备的影响。如采用移梁小车移梁时制梁台座不仅需满足前述的第一、第二两工况,尚需满足顶梁千斤顶顶升箱梁第三种工况,此工况下的荷284
存梁台座为存梁区内为箱梁提供存储功能的结构物,布置于箱梁的两端。箱梁生产在存梁台座上完成终张拉、压浆、封锚、养生和检查等工序,必要时需完成支座安装和箱梁防水层、保护层制作等。根据技术要求,为保证存放时不对梁体造成损坏,存梁台座基础四支点不均匀沉降需小于2mm。因此为减小基础的不均匀沉降,存梁台座应具有较大的刚度。3.2 工况及荷载分析
只具有存梁功能的存梁台座所受荷载较为简单,主要承担箱梁自重和其他施工荷载作用。各种荷载静态的、高度集中作用于存梁台座支承垫石上。
对兼具移梁小车轨道基础功能的存梁台座,则应全面考虑多工况作用,应对移梁、顶落梁、存梁各种工况进行具体分析,对不同部分结构取对该部结构最不利工况为控制工况进行计算。此种形式台座有三种工况:重载移梁小车走行为第一工况;顶升落梁但梁尚未落于支承垫石上为第二工况;顶落梁完毕,梁体支撑于支承垫石上为第三工况。第一工况的荷载为移动荷载;第二工况的荷载为静态荷载,分布于存梁台座的移梁小车走行轨道上;第三工况的荷载为静态荷载,高度集中分布于支承垫石上。应分别对三种工况下存梁台座进行构件内力计算和地基反力计算。
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3.3 不同基础形式的存梁台座设计
按存梁台座基础形式可分为CFG桩基础、桩基
础、无筋扩展基础存梁台座。3.3.1 无筋扩展基础存梁台座
无筋扩展基础存梁台座适用于地质情况较好的地基,地基承载力值要求较高(一般要求地基承载力特征值大于180kPa),地基均匀且压缩模量较大。在选用此种基础形式时要求存梁台座下地基不需处理或稍微表层处理即可满足存梁台座对承载力和地基沉降的要求。采用无筋扩展基础形式的存梁台座只适用于只具单独存梁功能的存梁台座。此种形式存梁台座在各线预制场均有应用,如石太阳泉北梁场、哈大宽城梁场等。
无筋扩展基础存梁台座由支承垫石、扩展基础台阶组成,无筋扩展基础存梁台座结构形式见图4,在设计时按无筋扩展基础计算。
图5 柱下条形基础存梁台座 3.3.3 桩基础存梁台座
桩基础存梁台座适用于地质情况不良且分布较
厚,在经济技术比较后,采用其他地基处理在经济上不如桩基或者无法采用复合地基处理情况下的地基,另对预制场有双层存梁等特殊要求的情况下也可选用桩基础形式,如郑西偃师二号梁场、洛河梁场等。
桩基础存梁台座桩端宜采用系梁连接,若确有技术保证可不采用系梁,但须保证存梁台座的不均匀沉降在规定允许范围之内。桩基础存梁台座由桩基、系梁、支承垫石组成。
以某32m箱梁存梁台座(挖孔桩)为例,其结构形式见图6,设计时按桩梁结构计算。
图4 无筋扩展基础存梁台座
3.3.2 柱下条形基础存梁台座
柱下条形基础存梁台座适用于岩石、卵碎石地
基或经过复合地基处理后的地基,要求其地基承载力特征值较高(一般需要超过300kPa),地基压缩模量较大,故较小接地面积可充分利用地基高承载力和地基刚度;采用柱下条形基础形式的存梁台座适用于只具有存梁功能的存梁台座,亦适用于兼具移梁小车轨道基础的存梁台座。此种形式存梁台座在郑西灞河三号梁场、哈大沈北梁场等均有应用。
柱下条形基础存梁台座由支承垫石、条形基础梁组成。
在实际工程设计中,存梁台座采用柱下条形基础时,除地基本身为基岩或者卵石地基,对于地基采用CFG桩复合地基形式(或其他可大幅提高地基承载力的地基处理形式),处理后地基承载力可以达到300kPa以上。以某32m箱梁存梁台座为例,其结构形式见图5,设计时按弹性地基梁(板)结构计算。
图6 挖孔桩基础存梁台座
4 轮轨式搬梁机走行轨道基础设计
搬梁机是预制场主要机械之一,搬梁机分为轮
轨式和轮胎式。本文主要针对轮轨式搬梁机轨道基础设计进行叙述,轮胎式搬梁机走行通道为地基处理设计范围,在此不予叙述。轮轨式搬梁机轨道基础是预制场内为轮轨式搬梁机提梁、转向变轨、移梁、落梁过程提供走行轨道的结构物基础。在设计过程中轨道基础的基本要求是:基础不均匀变形不大于2mm,在轨道基础设计为刚度控制整个轨道基础的设计。
轮轨式搬梁机轨道基础根据地质条件的不同可选用桩梁、复合地基弹性地基梁和筏板基础等形式。
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4.1 受力机理和计算模型的建立
4.2.2 复合地基弹性地基梁(墙下条基)搬梁机轨
搬梁机走行轨道基础有三种工况:第一为搬梁机空载走行状态;第二为搬梁机重载提梁走行状态;第三为搬梁机空载变轨时,液压油缸接地的状态。对于作业(搬梁机重载走行)方向上的轨道基础,采用第二工况控制计算;因搬梁机是空载变轨,故对变轨区的轨道基础来说,应采用第一工况控制计算;对于变轨区平交段轨道基础应分别采用三种工况进行计算,取其中最不利状态为控制工况。对桩梁式搬梁机轨道基础,轨道基础为连续刚构结构;基桩将全部荷载转加于地基上;在模型建立上,可将轨道基础视为连续刚构结构,荷载为搬梁机(重载)移动荷载,基桩可模拟为柱,计算得结构内力和基桩反力。
对复合地基弹性地基梁模型建立上,将轨道基础视为弹性地基梁结构,荷载为钢轨传递下的搬梁机(重载)移动荷载,边界模拟为土弹簧单元,计算得结构内力和土弹簧反力。
对筏板轨道基础,轨道基础为筏板结构,承受搬梁机走行移动荷载;筏板将全部荷载转加于地基上;在模型建立上,可将轨道基础视为弹性地基板结构,荷载为搬梁机(重载)大车移动荷载,弹性地基板的边界模拟为土弹簧单元,计算得结构内力和土弹簧(地基)反力。4.2 轮轨式搬梁机走行轨道基础设计4.2.1 桩梁形式搬梁机走行轨道基础
桩梁形式轨道基础适用于地质情况不良且分布较厚,在经济技术比较后,采用其他地基处理方法在经济上不如桩基情况下的地基。桩基对上部结构刚度有提高作用,但采用桩基础,与弹性地基梁相比,其截面弯矩要大,因此轨道基础截面的高度较高。此种形式轨道基础在郑西北留梁场等有应用。桩梁形式轨道基础结构形式一般如图7所示。
道基础 墙下条基搬梁机轨道基础适用于岩石、卵碎石或复合地基,其地基承载力要求较高(一般要求其地基承载力特征值超过300kPa),地基基床系数和压缩模量较大。较小基础接地面积可充分利用地基的高承载力和刚度。此种形式的地基对上部的轨道基础刚度贡献较小,为保证地基梁的变形满足搬梁机走行的要求,在设计上要使地基梁具有足够的刚度。如在郑西线赵庄梁场、哈大新铁岭梁场等采用轮轨式搬梁机的预制场有所应用。一个典型的复合地基墙下条基搬梁机轨道基础如图8所示。
图8 复合地基弹性地基梁搬梁机轨道
4.2.3 筏基搬梁机轨道基础
对于地基情况较好(承载力较大,要求其地基
承载力特征值大于200kPa,地基刚度和压缩模量较大)的情况,其地基不需处理或稍微表层处理即可满足搬梁机轨道基础对承载力和地基变形的要求,可以采用筏板结构以求得较高的经济性。为了节省材料,一般将基础设计成倒T形结构。本形式轨道基础在武广樟市梁场最早运用,后在福厦福清梁场、京沪北冯梁场均有成功实践。一个典型的筏板基础结构形式如图9。
图9 筏板搬梁机轨道基础
5 结束语
图7 桩梁式搬梁机轨道基础
箱梁的整个制、存、移重要工序全过程均在预制
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双层筒状钢筋混凝土空腹夹层
网壳的静力特性分析
罗九林(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)摘 要 通过对钢筋混凝土空腹夹层筒状夹层网壳结构的多种模型进行对比分析,分别讨论矢跨比、网格数N、边缘构件、表层壳板等参数变化对结构静力特性的影响。关键词 筒状夹层网壳 有限元 静力分析 计算模型
中图分类号 TU356 文献标识码 A 文章编号 1009-4539(2008)增-0287-05
钢筋混凝土空腹夹层网状筒拱和筒壳结构是在空腹夹层板的基础上提出,将以抗弯为主的空腹夹层
板,按零高斯曲率(扁壳、柱面壳、筒拱)弯曲,形成以抗压为主的空腹夹层壳与筒拱结构,它充分利用混凝土材料抗压和耐腐蚀性能,通过短柱将上、下弦连接起来,并和混凝土面板共同形成结构体系。本文主要讨论几种参数变化对结构静力特性的影响。
为b×h=600mm×700mm。荷载:加载于上弦节点大小为15kN的集中荷载;材料:C30混凝土;密
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度:2.4×103kg/m;重度:23.56kN/m;弹性模量:
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E=3×107kN/m;混凝土泊松比:v=0.2。
图1为矢跨比为1/5的筒拱结构的位移云图,其它矢跨比的类似。从图1上可以看出,竖向最大挠度不是出现在跨中位置。
1 矢跨比对静力性能的影响
矢跨比是影响网壳结构静力性能的重要因素,本节分别分析1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7、1/8等不同矢跨比对网壳在竖向荷载作用下的静力特性的影响。上、下弦截面350mm×200mm,剪力键截面为350mm×350mm,空腹高度200mm,网壳的厚度为200mm+200mm+200mm=600mm,跨度取25m,网格数取18个格。纵向15个网格。支撑条件:采用两端固支,两纵边自由,但设置有边梁,边梁尺寸
图1 F/B=1/5位移云图
收稿日期:2008-07-01
场主要结构物上进行,故主要结构物的设计在预制场中相当关键的地位。在预制场建设中,必须从设计阶段就须考虑保证主要结构物的质量。
预制场主要结构除满足上述设计要求外,要从技术上保证其经济方面的合理性,遵循合理的设计顺序。根据我们数十个预制场设计的经验来看,在预制场主要结构物设计流程上,一般是首先根据地
质情况,选择合适的地基处理和基础设计,由地基处理和基础形式决定上部土建结构的设计,最后开展主要结构物的设计工作。
参考文献
1 科技基[2004]120号 客运专线预应力混凝土预制梁暂
行技术条件[S]
铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY 2008(增)
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