1、城市轨道交通 U 型梁预制施工关键技术 郭剑 中铁十四局集团第五工程有限公司 摘 要： 针对 U 型梁预制施工的技术难点和出现的问题, 依托青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程, 通过分析 U 型梁施工的每个主要工序, 研究了 U 型梁预制过程中裂缝及外观问题出现的原因, 提出了 U 型梁预制的施工工艺和关键技术。在预制梁工程中首次应用“喷砂打磨”技术处理模板基面, 率先提出完善的 U 型梁混凝土分区浇筑工艺, 发明了 U 型梁的喷淋养护系统及方法, 制定了 U 型梁预应力张拉技术。研究成果成功保证了 U 型梁的预制质量和外观美观, 为今后 U 型梁的预制生产提供了可靠工程经验。关键词： 城市轨道交通
2、; U 型梁; 预制施工; 关键技术; 作者简介：郭剑 (1978-) , 男, 高级工程师, 主要从事桥梁施工技术管理工作。收稿日期：2017-02-18基金：中国铁建股份有限公司 2013 年度科技研究开发计划课题 (13-C12) Key Technologies of Prefabrication for U-shaped Beams in Urban Rail TransitGuo Jian China Railway 14th Bureau Group 5th Engineering Co.Ltd.; Abstract： Aiming at the technical diffic
3、ulties and problems of U-shaped beams prefabrication, the causes of cracks and appearance problems of U-shaped beams were studied and key construction technologies of the prefabrication of U-shaped beams were proposed by analyzing main procedures of the prefabrication, based on Qingdao Blue Silicon
4、Valley urban rail transit project. Sand blasting was firstly used to handle template surface in prefabricated beam engineering. Concrete partition casting process of U-shaped beams was put forward, the integrated spray curing system and its method were invented, and the pre-stressed tension technolo
5、gy of U-shaped beams was proposed. The results of research were successfully applied to ensure the quality and appearance of U-shaped beams, which would provide reliable engineering experience for the prefabrication of U-shaped beams.Keyword： urban rail transit; U-shaped beam; prefabrication constru
6、ction; key technology; Received： 2017-02-181 引言随着城市的发展, 城市道路拥堵、雾霾问题愈加严重, 发展城市轨道交通愈加成为解决城市交通问题的最根本、最有效的措施, 也成为中国未来经济发展的重要增长点。薄壁开口 U 型梁结构是一种新型的大跨度预应力混凝土结构, 由槽型梁结构发展而来, 多采用预制法生产。U 型梁具有外形美观、能降低整体结构高度、降噪和减震效果好、断面空间利用率高、行车安全、施工制作工艺比较先进新颖、结构混凝土轻薄、成本相对较低及综合性能优于传统梁型等特点及优势, 被认为将是轨道交通特别是城市轨道交通高架桥系统的主要结构形式, 在国际
7、上已得到广泛应用。对预制梁的施工工艺, 国内外专家学者已进行了大量研究。单鸿俊、刘凤茹、蒋金洋等1-3针对纤维混凝土的设计应用与施工工艺进行了研究与试验;梁润、陈三彪、郑海波、王纯玉等4-7介绍了预制 T 梁的施工关键技术及外观质量控制的方法, 梁润还研究了预制 T 梁的开裂问题;吴小冬、周勇政、匡明等8-10讨论了预制箱梁的施工质量控制方法, 以及施工难点与对策;韦理仁、游祖群等11-12对墩、塔柱的浇筑施工关键技术进行了研究;曾庆响、徐礼华、沈建良等13-15对传统简支梁的预制施工工艺进行了讨论。由于国内轨道交通 U 型梁的建设刚刚起步, U 型梁在我国尚处于推广应用阶段, 对 U 型梁的
8、相关研究较少, 针对 U 型梁预制的质量及外观控制方法, 目前仍多借鉴于传统梁型。但 U型梁的薄壁开口结构形式的特殊性、纤维混凝土材料的应用, 其预制施工工艺必然与传统简支梁不同, 为了保证结构安全, 亟需对 U 型梁预制施工技术及遇到的问题进行研究。本研究依托青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程, 介绍了 U 型梁在本工程预制施工过程中的难题, 分析了 U 型梁预制过程中裂缝及外观问题出现的原因, 提出了U 型梁的预制关键技术, 形成了一整套 U 型梁的预制施工工艺与处理方法。2 工程概况青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程为青岛轨道交通配套项目, 又名青岛地铁 11 号线, 连接青岛主城区与蓝色硅谷核心区
9、, 全长 58.4 km, 全线以高架敷设方式为主。桥梁上部结构全部采用新型预制 U 型梁设计, 共约 2 900 片。预制 U 型梁的主跨径为 30 m, 梁高 1.8 m, 梁宽以 5.32 m 为主 (另有 5.42 m、5.52 m) , 腹板、底板厚均为 0.26 m。主跨径 5.32 m 宽预制 U 型梁的跨中断面布置如图1 所示。梁体采用掺量为 0.9 kg/m、强度等级为 C55 的聚丙烯纤维混凝土;普通钢筋采用 HRB400 钢筋;预应力筋采用标准 1 860 MPa 级 15.2 高强度低松弛钢绞线;U 型梁外模、内模及底模均为定做钢模板, 底模及外模为固定式, 与台位11
10、 配置;内模为活动式, 全自动液压伸缩, 与外模 23 配置。图 1 5.32 m 宽预制 U3880 型梁断面布置 (单位:mm) 下载原图3 U 型梁预制难点与传统箱梁、T 型梁相比, U 型梁属于新型梁结构, 其结构形式和生产材料均较特殊, 目前国内对 U 型梁的性能及施工工艺的研究相对缺乏。针对本项目中 U型梁的预制生产, 存在如下难点:(1) U 型梁的种类繁多, 有 2 种主要断面形式, 还有渐变截面, 同时 U 型梁的长度种类亦较繁多, 这导致了 U 型梁模具设计和施工组织的困难。(2) U 型梁的安全性和耐久性要求更高 (设计主体结构要求 100 年) , 这就对混凝土材料有了
11、更高的要求;另外, U 型梁中除防迷流筋外的其余钢筋均不得焊接, 这对钢筋绑扎的位置、间距和保护层厚度控制也极为严格。(3) U 型梁的纵向荷载主要由预应力承担, 但 U 型梁本身属于薄壁开口结构 (厚度仅为 260 mm) , 梁体受力不均极易产生开裂, 因此对后张预应力的施工质量要求较高, 对每根预应力索的应力控制也非常严格。(4) U 型梁具有外观美观的特点, 混凝土表面色差和光洁度的要求很严格, 这就对混凝土配比设计及施工、模板设计制作、产品保护及整修等均带来较大挑战。由此可见, U 型梁的预制具有难点多、借鉴经验少的特点。针对 U 型梁预制现有的一系列问题, 现场技术人员结合以往的经
12、验, 从混凝土原材料、混凝土浇筑顺序、养护方式、预应力张拉、封锚等多方面进行试验和研究, 最终成功解决了 U 型梁预制中的问题, 并形成一套 U 型梁预制关键技术与施工工艺。4 预制 U 型梁施工工艺与关键技术4.1 钢筋骨架的绑扎与吊装钢筋弯制前须调直, 进行表面清洁。对规格、尺寸、形状不同的钢筋, 严格按照钢筋的弯制步骤, 先进行划线、试弯, 合格后方可成批弯制, 确保钢筋的弯钩或弯折符合设计和规范要求。钢筋骨架的绑扎在专用胎卡具上进行, 严格按照胎卡具上预留的钢筋槽放置钢筋, 定位金属波纹管。为控制钢筋骨架变形, 在两层钢筋间设架立筋, 点焊固定。钢筋保护层的垫块采用高性能细石砼制成,
13、按照菱形均匀布置, 数量不得少于 4 个/m;保证各部位保护层的厚度及最小净保护层符合设计要求, 且绑扎铁丝的尾段不得伸入保护层内。完成的钢筋骨架如图 2 所示。图 2 完成后的钢筋骨架 下载原图钢筋骨架采用专门吊具吊装, 吊装时严禁急速升降和快速行走制动, 保证钢筋骨架不会发生变形及扭曲。同时, 须保证预应力管道位置不发生偏移, 避免受到损坏。4.2 模板处理关键技术模板处理是砼浇筑前非常重要的步骤。对模板基面的处理以及模板脱模剂的选择, 对 U 型梁的外观质量控制起到重要作用。(1) 模板基面的处理率先在预制梁工程中采用“喷砂打磨”技术对模板进行处理, 消除了因模板颜色不一致等产生的色差及
14、棒印, 使模板的总体颜色一致。(2) 脱模剂选用脱模剂若厚薄不均, 模板底色被映射到混凝土上, 就会形成色差, 严重影响混凝土的外观质量。本工程选用柴油机油=14 作为脱模剂, 模板处理时保证表面脱模剂的均匀稳定和足够厚度使其能起到模板与混凝土隔离的效果。处理并涂抹脱模剂后的模板基面如图 3 所示。图 3 处理并涂抹脱模剂后的模板基面 下载原图另外, 模板拼装应严格检查, 保证尺寸符合设计要求;拼缝要逐条清理并用双面胶密封, 禁止漏浆;顶面混凝土浮浆须清理干净, 保证顶面混凝土收面时线条平顺。拆模时, 严格按照“拆除端模卸掉紧固件拆内模撑杆液压装置收起侧板龙门吊吊出”的顺序进行;内模吊出后放在
15、内模支架上进行修整和清理。4.3 预埋件安装关键技术U 型梁预制采用先进的地铁预埋件技术, 实现快速标准化施工。预埋件主要包括支座板、横向抗震挡块、轨道预埋钢筋、配电箱预埋件、声屏障、疏散平台及扶手预埋钢板、槽道、吊装孔等, U 型梁拆模后的预埋槽道等如图 4 所示。图 4 U 型梁预埋槽道示意 下载原图预埋件安装是 U 型梁施工过程中关键的步骤, 关乎 U 型梁的正常使用。安装预埋件时, 须严格保证预埋件的安装误差满足设计要求, 保证预埋件安装牢靠。预埋件及预埋孔洞的中心位置和尺寸误差均不得大于 10 mm, 预埋件中心位置误差不得大于 3 mm, 支座板应保持平整, 安装后四个支座板相对高
16、差不超过 2 mm, 支座板平整度不得超过 1 mm。4.4 混凝土浇筑工艺与关键技术在严格检查并保证预埋件、钢筋骨架、砼垫块等的数量、位置准确无误后, 方可进行混凝土浇筑。为保证 U 型梁质量, 率先提出“先底板后腹板、水平分层、纵向分段”的 U 型梁混凝土分区浇筑工艺进行混凝土逐层逐段浇筑, 如图 5 所示, 每段 6 m, 两侧腹板对称浇筑。振捣以插入式振动棒为主、附着式振动棒为辅。为避免层间混凝土形成色差, 浇筑时应严格控制层间砼布料的时间间隔, 保证总浇筑时间在 5 h 内。图 5 U 型梁浇筑布置 下载原图U 型梁混凝土分区浇筑工艺的提出, 能减少对腹板模板及基面的污染, 缩短浇筑
17、时间间隔, 减少每段浇筑的距离, 杜绝了 U 型梁外观色差及施工缝的产生, 同时帮助提升 U 型梁的预制质量。4.5 U 型梁喷淋养护关键技术因 U 型梁属于异形结构, 截面特殊, 底板、腹板很薄, 对梁体质量要求很高。为保证 U 型梁的质量, 实现及时、准确、全面的养护, 本项目提出了 U 型梁喷淋养护方法, 设计生产了 U 型梁新型一体式喷淋养护系统 (实际效果见图 6) 。喷淋养护时, 以保证混凝土表面湿润度为准, 一般情况下, 白天 12 h 养护一次, 晚上 4 h 养护一次, 喷淋养护不得少于 14 d。当采用自然养护时, 除满足上述要求外, 还应保证混凝土强度增长符合规范和设计要
18、求。图 6 U 型梁一体式自动喷淋养护系统 下载原图U 型梁喷淋养护系统及方法有效地解决了传统养护方式的随机性和重复性差、耗时长、人工劳动强度大、养护精度差等问题, 对预制 U 型梁实现了及时可靠的养护, 避免了 U 型梁裂缝的产生, 提高了 U 型梁质量。4.6 U 型梁预应力张拉工艺与关键技术本研究预制 U 型梁的预应力筋采用 75 、强度级别为 1 860 MPa 的标准型低松弛钢绞线, 锚具采用低回缩锚具。(1) U 型梁预应力张拉关键技术考虑 U 型梁结构形式的特殊性, 本研究制定了 U 型梁预应力张拉技术。U 型梁预应力张拉时, 须两端两侧同时对称张拉 (即四台张拉千斤顶同时工作)
19、 , 以防受力不均导致梁体开裂。U 型梁初张拉在梁体砼强度达到设计强度的 80%后进行, 初张拉应力达到 0.2 con, 初张拉后梁体方可吊至存梁区;在梁体砼强度和弹性模量达到设计值且龄期不小于 7 d 时, 方可对钢绞线进行终张拉至设计要求。张拉时采用应力应变 (张拉力和伸长值) 双控原则, 张拉力大小以油压表的读数为准, 以钢绞线的伸长值为校核。实际张拉伸长值与理论伸长值的误差应控制在6%范围内, 若误差超过 6%, 须将钢绞线松开, 重新张拉。终张拉结束后, 须持荷 5 min, 密切关注油压和钢绞线伸长量, 每端钢绞线回缩量应控制在 6 mm 以内;出现油压下降时, 须补压。严格控制
20、预应力张拉的施工质量, 严禁钢绞线超张拉, 全梁的断丝、滑丝总数不得超过预应力钢丝总数的 0.5%, 且单束钢绞线内的断丝不得超过一丝, 也不得在梁体的同一侧。(2) 管道压浆施工工艺预应力钢绞线终张拉结束后, 宜在 48 h 内进行管道真空压浆。管道压浆时, 采用连续式压浆泵, 同一管道压浆应在正温下一次完成。严格保证管道压浆料的质量, 低碱硅酸盐或普通硅酸盐水泥强度等级不低于 42.5 级, 相关掺料须满足规范要求。搅拌后的水泥浆水胶比不得超过 0.34, 不得泌水, 流动度介于1422 s 之间, 抗压强度不得低于 35 MPa。水泥浆自搅拌结束至压入管道的间隔时间不得超过 40 min
21、。压浆前, 清除管道内杂物及积水, 保证管道真空度在-0.06-0.10 MPa 之间;压浆时, 水泥浆在不超过 0.60 MPa 压力下, 经 2.5 mm2.5 mm 滤网压入管道;待浆体注满管道后, 在 0.500.60 MPa 压力下保持 2 min, 并保证水泥浆体积收缩率小于 1%, 以确保浆体饱满密实。管道出浆口应装三通管, 确认出浆浓度与进浆浓度一致后, 方可封闭保压, 并尽早封端。(3) 封端封端前, 须将锚穴混凝土表面全部凿毛, 设置钢筋网片, 锚垫板表面和锚环外侧清理干净, 对锚具、锚垫板表面及外露钢绞线作聚氨酯防水处理, 并确保管道无漏浆;封端砼采用 C55 补偿收缩混
22、凝土, 浇筑时加强振捣, 防止砼不密实出现空鼓现象;封端砼浇筑后, 覆盖塑料薄膜, 自然养护, 保持砼表面充分湿润, 相对湿度小于 60%时, 自然养护不少于 14 d;封端砼养护结束后, 对底腹板梁端作 1.5 mm 聚氨酯涂料防水处理, 防水处理后 U 型梁如图 7 所示。图 7 封锚后的 U 型梁 下载原图5 结论本研究依托青岛蓝色硅谷轨道交通工程 U 型梁的预制生产过程, 介绍了 U 型梁在预制施工过程中的难题, 分析了 U 型梁预制过程中裂缝及外观问题出现的原因, 提出了相应的有效解决措施, 制定了 U 型梁预制生产的施工工艺与关键技术, 主要得到以下结论:(1) 由于结构形式的特殊
23、性、纤维混凝土材料的大量应用, U 型梁的预制具有难点多、借鉴经验少、难度大的特点。(2) 模板基面的处理以及脱模剂的选择, 对 U 型梁的外观质量控制起到重要作用。为解决混凝土表面的色差问题, 首次提出了应用于预制梁的模板基面“喷砂打磨”处理技术, 并选用柴油机油=14 作为 U 型梁脱模剂。(3) 本研究提出了 U 型梁的喷淋养护方法, 并设计生产了 U 型梁新型一体式自动喷淋养护系统, 有效地解决了传统养护方式的随机性和重复性差、耗时长、人工劳动强度大、养护精度差等问题, 实现了及时、准确、全面的养护, 保证U 型梁的预制质量。(4) 研究提出了“先底板后腹板、水平分层、纵向分段”的 U
24、 型梁混凝土分区浇筑工艺, 浇筑混凝土时在腹板与底板交接处作高频振捣, 并严格控制总浇筑时间不超过 5 h, 保证了 U 型梁的浇筑质量, 避免了施工缝等缺陷的产生, 改善了 U 型梁的外观色差等问题。(5) 本研究制定了“两侧两端同时对称张拉”的 U 型梁预应力张拉技术, 有效规避了 U 型梁因腹板和底板很薄带来的开裂问题, 保证了 U 型梁的质量。(6) 实践证明, U 型梁质量和外观色差等问题均得到成功的解决, U 型梁预制施工工艺与关键技术取得了较好的应用效果, 为今后 U 型梁的预制施工提供了可靠的工程经验。参考文献1单俊鸿, 周明凯, 李北星.微膨胀聚丙烯纤维混凝土在桥面铺装中的应
25、用J.公路, 2005 (5) :143-145. 2刘凤茹, 张海文, 何唯平.聚丙烯腈纤维对铁路桥混凝土结构的高性能作用研究J.铁道建筑技术, 2005 (5) :59-61. 3蒋金洋, 孙伟, 陶建飞, 等.索塔锚固区钢纤维混凝土的工艺试验J.江苏大学学报 (自然科学版) , 2006 (5) :446-449. 4梁润.现场预制桥梁 T 梁开裂分析、处理及预防J.混凝土, 2007 (4) :85-89. 5陈三彪, 李铁军.青藏铁路 16 m 先张法预应力混凝土 T 梁预制施工技术J.铁道建筑技术, 2004 (6) :61-63. 6郑海波.50 m 后张法预应力 T 梁预制施工
26、技术研究J.混凝土, 2012 (10) :118-120, 123. 7王纯玉.后张法铁路简支 T 梁车间式预制方法研究J.铁道标准设计, 2012 (12) :43-47. 8吴小冬, 许帅军, 应世明.鹤大高速公路箱梁施工质量控制及应对措施J.公路, 2016 (6) :146-151. 9周勇政, 朱尔玉, 李学民, 等.预制混凝土箱梁快速降温的措施及效果分析J.铁道建筑, 2010 (7) :10-13. 10匡明.杭州湾大桥 50 m 整体预制箱梁施工难点与对策J.桥梁建设, 2005 (S1) :157-160. 11韦理仁, 张家伦, 陈新.混凝土塔柱施工外观质量控制技术J.世界桥梁, 2016 (2) :20-24. 12游祖群.特殊条件下矩形薄壁空心高墩墩身施工技术J.铁道建筑技术, 2009 (9) :143-147. 13曾庆响, 韩大建.预应力混凝土箱梁桥的裂缝防治研究现状J.工程力学, 2010:27 (S1) :184-188. 14徐礼华, 许锋, 曾浩, 等.CFRP 筋体外加固铁路预应力混凝土简支梁桥设计及试验研究J.工程力学, 2013, 30 (2) :89-95. 15沈建良.简支梁桥拼接施工的关键工艺研究J.重庆交通大学学报 (自然科学版) , 2006, 25 (5) :21-23.
