轨道交通用u型梁预制关键技术

论文摘要： U型梁重量为常规简支箱梁的1/3左右，其腹板结构本身可有效阻隔轮轨噪音，代替桥上栏板和部分声屏障，可防止车辆脱轨后倾覆，更安全，桥梁总体建筑效果更为纤细，与现有轨道交通结构相比，u型梁适用于载客量大、行驶速度更快、高效、安全的一种新型的预应力混凝土轨道桥梁结构，因U型梁具有预制、安装施工效率高、列车运行隔音良好等优点，已经逐步成为轨道交通桥梁系统的重要组成部分。

本工程为北京市轨道交通22号线30m预应力混凝土u型梁，采用预应力先张结构、长线台法施工还是第一次，在预制场平面布置、生产工艺组织、先张拉台座设计、大T位预应力张拉施工、模型设计、混凝土浇筑、预应力梁吊装、静载试验等关键技术问题需要攻克。我们结合国内同行业实践经验，对轨道交通用u型梁预制工艺（尤其针对关键、特殊工序）进行了系统的研究，提升先张法预制梁施工技术水平，促进新材料，新工艺，新技术的发展，提高生产过程中的施工质量、降低施工成本，在桥梁预制行业全面推广。

关键词：预制u型梁  先张法   制梁控制

一、 引言

随着城市轨道交通的快速发展，为满足乘客的舒适性需求，降低地铁噪音，降低施工成本，更安全的桥梁。综合考虑U型梁结构目前被认为是适用于载客量大、行驶速度更快、运行高效、安全的一种新型的预应力混凝土轨道桥梁结构，因U型梁具有预制、安装施工效率高、列车运行隔音效果好等特点，已经逐步成为国内大城市轨道交通桥梁系统的重要组成部分。

长线台法生产轨道交通用u型梁国内还是首次，以下问题需要重视：

1.采用长线台座先张法生产施工还是首次，国内没有成熟经验可借鉴。由于张拉力较大，张拉台座经济性及安全性需要考虑。

2.钢绞线数量较多，分层布置、每根钢绞线张拉力控制精度要求高，避免构件受力不均匀，放张过程中钢绞线应力对模型压缩变形大，容易破坏模型结构。

3.模型利用螺栓进行底模与侧模的固定和拆卸，模型装卸效率低下。

4.U型梁为薄壁构件，在吊装过程中需注意梁体稳定和受力平衡，避免构件受力开裂等问题。

5.芯模为半封闭式无底结构，混凝土浇筑过程中混凝土容易从梁底板上方挤出需解决梁体底板超厚、腋角振捣不到位出现蜂窝及外观质量问题。

本文以北京轨道交通22号线、官庄路口至河北省三河市齐新庄车站，此线路共计20公里，全部为高架桥段u型预应力混凝土梁为研究对象，从基于长线先张法入手解决上述问题，优化施工方法。

一、预制u型梁结构概述

预应力混凝土U型梁类似于字母u、上部开口的薄壁预制构件，作为城市轨道交通桥梁结构体系中的下承式预应力混凝土桥梁结构，单孔梁长30m、宽5.570m、最薄处厚0.280m、预应力筋布置为单束单根一字布置，单根钢绞线张拉力为19.5T，84根钢绞线，共计张拉力1638T。梁体由底板、腹板、顶部翼缘板组成，其截面形式如U型、表面积大、梁体为薄壁结构，底板四角设有下凸形混凝土支座板，最薄处混凝土厚度为0.28m。腹板为半圆弧结构，高1.6m、既作为受力结构又具有声屏障作用，U梁体顶部翼缘板两侧均为T形不对称结构。

二、主要施工工艺流程

    轨道交通用u型预制梁主要施工工艺为，模型清理、钢筋绑扎、钢绞线、侧模、端模安装，预应力钢绞线张拉、混凝土浇筑、梁体养护、预应力放张、钢绞线切割、移梁存储等主要工序。

四、生产线平面布置及张拉台座设置

由于北京市轨道交通22号线工程预应力筋布置为多根一字布置，设计要求采用先张法张拉预制工艺。采用自持式钢结构模型，模型重量较大、经济性不高、模型重量大安拆施工部方便。综合成本考虑，U型梁预制采用先张长线台座法施工。张拉台座采用一字型布置，每个台座同时可张拉3片梁，张拉台座总长度为105m，每个梁端设置2个张拉横梁，分别为底板预应力钢绞线上层张拉横梁，底板下层预应力钢绞线张拉横梁。预应力钢绞线张拉采用南北双向对称张拉。预应力钢绞线放张施工工艺，每个张拉台座锚固端安装有4个液压千斤顶，每台千斤顶内部安装有位移、压力传感器、通过自动检测上传给控制系统，每台液压千斤顶的最大张拉力为1500 KN, 行程1000 mm。

长线台座法先张法工艺设计首先要考虑张拉台座的设计，每片梁由84根φ15.2预应力钢绞线组成，单根钢绞线张拉力为19.95T，安全系数为1.5，台座承受总张拉力为19.5*84*1.5=2457T。由于该梁张拉力较大，在张拉持力端设定混凝土固定锚固台座，并考虑张拉台座的抗滑移和抗倾覆安全性。采用重力式台座每个锚固台座端需要混凝土1000方，需要挖深基坑、渣土运输、混凝土灌注等大量工作，经济性差。为满足台座抗倾覆要求和经济效果，经设计验算、经济比选，每个台座锚固端采用8根φ80长15m钻孔灌注桩来增加锚固台座的锚固力，整个台座底部浇筑厚度0.3m混凝土底板，既作为台座压杆又作为混凝土硬化工作面，减少整个台座锚固端混凝土用量，经过验算整个混凝土台座基础与重力式锚固台座相比较减少结构50%混凝土用量，并增加台座抗滑移效果，降低生产成本、增加结构安全与稳定性。

五、施工中的难点及解决措施

5.1张拉关键工艺

预应力钢筋采用的为15.2钢绞线，单根长度105m、长度较长、钢绞线下料精度用定长加工设备难以满足，为保证梁体的每根预应力钢绞线受力在误差范围内满足规范要求，预应力施工采用单个25t的穿心式千斤顶对预应力钢绞线逐根张拉应力找均，两侧钢绞线张拉横梁整体自动张拉配合施工的方式。为满足钢绞线张拉施工精度，预应力钢绞线的张拉施工过程分预应力初张拉、钢绞线单根找匀和预应力终张拉三个阶段，即先进行预应力钢绞线双向整体初张拉、消除多余松弛部分预应力钢绞线长度，然后利用单个穿心式千斤顶进行预应力单根找匀，找匀后利用预应力张拉横梁及自动张拉系统进行预应力钢绞线双向整体终张拉。

主要采取如下措施。张拉横梁上的钢绞线工具夹片逐个检查、确认是否安装到位→预力钢绞线预紧好后，逐一检查钢绞线位置，与其它无关物件是否碰撞→启动液压泵站顶推两侧张拉横梁进行初张拉，两侧位移一致，保证张拉油缸及张拉横梁位移统一，消除部分松弛钢绞线后，再用25t 千斤顶逐根预紧进行单根找匀。通过上述施工工艺控制钢绞线初期应力，使应力控制在精度要求的范围内，找匀后用张拉横梁进行整体张拉，张拉过程之中以应力控制为主，伸长值进行校核。

若整个张拉施工过程中，每端千斤顶位移不一致偏差较大，可能张拉横梁偏心受力造成横梁倾覆、扭曲，形成安全事故。为防止出现上述问题，采用在千斤顶上安装位移传感器，对4个张拉横梁位移进行实时监测。超高压油泵控制中心智能控制八台1500t 千斤顶，进油和回油均通过电磁阀精确控制，利用位移传感器、压力传感器进行油缸伸长量及压力控制，通过调节油泵出油速度达到两侧钢绞线张拉横梁的八个油缸平衡。当几个传感器位移值发生较大偏差时仪器会自动报警进行自动修正。

放张过程中，为防止放张速度过快造成梁体应力集中部分混凝土及模型结构破坏，采用分级放张施工工艺。张拉台座两端油缸通过控制柜自动控制实现两端同步放张。具体步骤为：控制两端液压油缸伸长值及张拉力应力，两端张拉力同步放松10%—30%—60%—100%，每步放张时间间隔10分钟。放张间隔时间严格控制，横梁两侧放张速度应位移一致，保证梁体预应力持荷受力均匀。放张完成后梁端两侧外露部分钢绞线采用手动式砂轮切割机切断，并做好防腐防护。

5.2设计全自动液压系统，完善模板工程的拆装设计

目前国内其他生产厂家的模型在侧模与底模的连接方式上，采用的是传统的螺栓机械式连接，其连接方式安全可靠，精度控制程度好，但是存在着模型安装及拆模时效率低下的缺点。为进一步提高生产效率，根据u梁的结构特点及制梁台座布置的特点，U型梁采用钢结构底模、型钢骨架、10mm钢板面板。外侧模与底模间采用承插口方式进行连接、液压油缸水平顶进并用螺栓进行辅助连接，底模侧面承插口内设置高密度聚乙烯密封橡胶条，外侧模通过10T螺旋千斤顶及精轧调高螺杆支撑于地面用于模型竖向尺寸调节，为增加外侧模整体稳定性并设置螺旋斜撑杆。梁体内模通过液压油缸支撑收缩，并辅以内模水平精调螺旋撑杆调节尺寸，调节精度可靠。内侧模板接连接在支架横梁上，内外侧模、支架横梁及移模支架通过螺栓连接成整体，底部安装有减速电机可以沿着钢轨移动，使内模移动到下一个张拉台位，采用此方式提高模型安拆速度，节省人工、降低成本。

端模采用侧模、底模包端模结构形式，相嵌于内模、外模、底模之间，梁长通过调整端模位置进行精确控制。为有效防止浇捣时模型拼缝漏浆现象，两侧的端模，形状与大小与 U 梁腹板相同，必须与内外模配合良好，模型间通过设置聚乙烯密封条企口进行挤压密封。为控制预应力钢绞线位置准确性，在端模中间有大量钢绞线通过，端模中间需精确开设所有预应力钢绞线孔洞位置作为分丝板准确控制钢绞线张拉形心位置。所以钢模设计制造时要考虑既能保证梁体各部尺寸，又能方便、顺利安装与拆卸。在预应力放张时考虑张拉力对模型底模的压缩，在模型中部设置快拆模型分隔缝，把模型分为两节，分隔缝宽度为10cm，在拆模时拆除底模分隔缝位置处模型，放张时模型底模沿着下部钢梁滑动向中间收缩移动，避免预应力对模型的压缩变形。

5.3薄壁混凝土浇筑、振捣施工工艺

u型梁属于薄壁构件、内模采用半封闭式模型，腹板混凝土在浇筑混凝土时，对底板混凝土进行竖向挤压，造成底板混凝土厚度超标、腹板内侧下部腋角振捣不密实，产生气泡现象影响外观质量及结构尺寸，吊装过程中容易出现受力裂纹。

根据该梁结构特点采用5部浇筑法。 5部浇筑法为：U型梁混凝土浇筑采用水平分层，纵向分段、依次循环、从一侧梁端向另一侧梁端循环连续进行浇筑，先底板、腹腋角板交界处，腹板两次水平浇筑，顶板浇筑。混凝土塌落度控制：底板砼在160mm-180mm范围之内，腹板砼在200mm-220mm范围之内。每罐新到场混凝土卸料前，必须将搅拌罐翻转2min，将罐内混凝土搅拌均匀。①先水平分层分段浇注U型梁底板混凝土，采用50型插入式振捣器，待底板混凝土初浇筑腹板混凝土时底板混凝土不在竖向挤出时再进行腹板砼浇筑。②腹板采用振捣棒为主、附着式振动器配合插入式振捣器为辅的同步振捣方式。附着式振动器位于腹板外侧模型布置、间距3.5m成品字形布置、布局合理、充分利用附着式振捣器振捣力对混凝土振捣。布料完成后使用插入式振动器震动20s-30s，采用快插慢拔方式将混凝土中气泡震动引出，后启动附着式振动器4s-5s，将强对混凝土振捣。③在浇筑上层混凝土时应插入下层混凝土10cm，保证上下层混凝土的衔接。对每一振动部位，必须振动到该部位混凝土密实为止，至混凝土停止下沉，不在冒出气泡，表面呈现平坦、泛浆。 ④锚垫板及支座钢板锚固区钢筋密集、间距狭小，应特别控制加强锚垫板位置的混凝土振捣，避免此位置蜂窝空洞，用30型插入式振捣器加强振捣。振捣棒振捣过程中应注意避让预应力钢绞线、埋件。⑤混凝土应分层分段连续浇筑，第二次浇注前，要将下层混凝土顶部的150mm厚的混凝土重新振捣以便使两次浇注的混凝土结合成密实的整体。⑥混凝土浇筑过程中，必须由专业质检人员进行检查，重点检查钢绞线断丝及松弛情况、预埋件位置、模型漏浆、涨模等情况，发现问题及时采取调整措施。一次性连续浇注的水平层的混凝土高度不超过30cm。⑦梁体混凝土浇筑完成后，对底板和腹板顶面应及时修整、抹平，待定浆后再抹第二遍并压光，特别是底板与腹板交界处混凝土平整度及厚度需要控制。

5.4薄壁构件吊装施工工艺

本标段30m跨度U梁，混凝土方量73.1m3，理论梁重190t。U梁为薄壁开口截面，最薄处0.28m、抗开裂性能差，两侧腹板为非对称结构，吊装过程中抗扭性能差，运输及吊装需要采取特殊技术措施；传统吊装方式为在吊钩下面设置平衡吊梁，通过吊机卷扬机同步控制来实现梁体吊装稳定，但实际控制过程中，4个卷扬机控制信号容易出现传输时间差，导致4个卷扬机起升不同步，梁体受扭出现倾斜等现象。为避免U梁在吊装过程中受力不平衡、受扭倾斜碰撞，搬梁机两台起重机在吊装过程中卷扬机起升信号传输不同步等问题，在平衡梁上安装纵向整体吊具梁，平衡梁通过销轴与吊具梁连接从而实现四点起吊，过渡梁与销轴、吊具梁与销轴形成三点支撑，使U梁始终处于静定支撑状态，克服了卷扬机信号传输时间误差造成起升吊装不平衡问题，采用此方法解决U型梁薄壁构件在吊装过程中的稳定和受力平衡，避免构件受力开裂等问题。

六、结语

上述优化后的长线台座先张法预应力混凝土u型梁施工工艺，在以下几个方面特点突出：

1、通过优化设计先张长线台座，结构设计合理、技术可靠，减少整个锚固台座结构混凝土用量和钢结构模型重量，提高结构安全性和整体稳定性。该设计方案通过设计抗拔桩方式增加台座锚固性能、不仅大量降低土石方工程量、降低建造成本，还可提高生产线建设速度。

2、预应力施工采用穿心式千斤顶单根预应力钢绞线张拉预应力找均，两侧张拉横梁整体双向自动张拉配合施工的方式，通过预应力钢绞线初张拉、钢绞线单根找匀和预应力整体终张拉三个阶段，成功实现了长线台座法钢绞线张拉力的精确控制与同步放张。

3、通过设计液压模型，内外模型通过液压千斤顶进行调节，调节精度可靠。内模通过底部减速电机整体移动到下一台座，拆模方便，施工速度快，钢结构底模拼缝预留模型伸缩缝，避免放张应力对模型的压缩变形，模型结构设计合理，施工方便，安全可靠。

4、在混凝土浇筑过程中采用5部浇筑法，解决梁体顶板超厚和腋角蜂窝等问题，提高混凝土外观质量。

5、通过设计薄壁构件专用吊具，解决U型梁薄壁构件在吊装过程中的稳定和受力平衡，避免构件受力开裂等问题。

该预制技术已成功应用于北京轨道交通22号线预制施工，共计完成了1330片预制U型梁生产，获得了良好的经济效益，并保证了预制施工质量。作为国内首家采用长线台座先张法生产预制u型梁生产单位，通过施工不断地总结和完善U型梁施工的工艺技术、优化制梁场建场方案、模板结构及先张长线台座的设计，优化轨道交通时速160km/hU型梁的成套预制施工技术，确保施工科学优质，规范U梁预制施工工艺，形成解决类似工程问题，丰富我公司在轨道交通u型梁预制领域施工的经验，对今后预制生产施工该类型梁具有一定的借鉴意义。

主要参考文献：

[1]《城市轨道交通用梯形轨枕预制技术研究》，柴海云，《中国建材科技》-2016

[2]《浅谈u型梁在地铁轨道交通工程中的应用》，董婧，《建材发展导向》-2013

[3]《浅谈u型梁的预制施工与质量控制》，孙靖，《江西建材》-2015