高速鐵路模上浮病害治理探究
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摘要：通過調查發現，箱梁因內模上浮造成的病害較為普遍。為降低箱梁內模上浮現象的發生，對箱梁混凝土灌注過程中模具受力情況進行分析，設計制作了防止內模上浮的工裝。工裝應用情況驗證了對箱梁內模上浮治理效果良好，箱梁跨中梁面超高現象得到很好控制。
預應力混凝土箱梁結構占新建高速鐵路橋梁的90％以上，因此箱梁的設計、施工、質量保證體系等每一工作環節的精心落實對高速鐵路的安全運營都具有重要的意義。在箱梁預制過程中，箱梁尺寸精度最難控制的問題之一是內模的固定。箱梁腹板混凝土薄而高，而內模又是一個整體，混凝土在澆筑、振搗過程中對內模的作用力（浮力）非常大而使其上浮［1－2］。箱梁內模上浮容易造成箱梁底板混凝土過厚、頂板厚度不足、梁面超高，同時很容易使箱梁兩側腹板厚度不一致。其中，梁體頂板厚度不足，容易造成橋面的承載力不足，形成重大安全隱患；而頂面超高需要對其進行打磨處理，需投入大量的人力、物力，造成箱梁頂板質量缺陷和成本浪費。高速鐵路預應力箱梁生產中，控制箱梁內模使其保持正確位置這一問題始終困擾著梁場、一直難以解決，國內對這方面的研究較少，模板生產廠家也沒有可靠實用的措施。本文介紹了一種實踐中研發的新型內模固定工裝，防止箱梁內模出現上浮，為高質量、高標準的箱梁生產提供了有力保障。
1梁體上浮病害統計
1．1測量方案
為保證測量結果能真實有效地反映內模上浮情況，將箱梁底板底到頂板底的距離作為測量對象。根據梁體構造特點，除兩端外，梁體內部數據均需要通過泄水孔進行測量。跨度31．5m預制無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁（通橋（2016）2322A－II－1）底板泄水管共16個，沿梁體縱向中線左右對稱布置，距梁體跨中分別為1m、5m、9m和11．7m。結合梁體最易出現內模上浮的位置，本次每孔梁測點選取8個點，分別為跨中4個泄水孔處以及距跨中9m的4個泄水孔處，測點位置如圖1所示。
1．2測量數據收集
理論標準段底板底到頂板底距離為2750mm。本次箱梁內模上浮測量分3個批次，各批均為40片梁，共計120片梁，批次1底板至頂板高度平均值統計見圖2。由于內模上浮，120片箱梁的底板底到頂板底距離都超出了標準值2750mm，內模最小上浮值4．75mm、最大上浮值28．25mm、平均上浮值16．00mm，內模上浮現象比較普遍。
2箱梁內模上浮原因分析
混凝土澆筑過程中內模板所受浮力為箱梁模板上浮的主要原因。在模板等結構設計中，混凝土浮力常常被忽略，然而在施工中，由于混凝土浮力引起的模具、預埋件及鋼筋等上浮現象屢見不鮮。而由于混凝土的特殊性質，混凝土不是全流態、自身的粘結力能抵消部分浮力、早期澆筑的混凝土會發生初凝等因素，故公式F浮＝G排＝ρgV排并不適用于混凝土浮力的計算［3］。模板浮力計算采用側壓力原理，P＝γh。式中：P為對模板的最大側壓強（kN／m2）；γ為混凝土的重力密度（kN／m3）；h為混凝土側壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度（m）。內模板斷面如圖3所示，受力簡圖如圖4所示。下斷面S1兩側倒角中部的側壓強P1＝γH1＝24．5kN／m3×1．97m＝48．265kN／m2。中斷面S2兩側倒角中部的側壓強P2＝γH2＝24．5kN／m3×0．91m＝22．295kN／m2。下導面長度L1＝0．5831m，下側與水平線夾角α的余弦值cosα＝0．8575；中斷面導面長度L2＝1．876m，中斷面導面與豎直線夾角β的正弦值sinβ＝0．2425。模板浮力F浮＝PS＝（P1L1cosα＋P2L2sinβ）×33．2m（模具長）×2（兩側）＝2275．97kN［4］。模板重量G重＝550kN。合力F合＝F浮－G重＝1726kN。內模承受合力1726kN（方向向上），需采取必要措施防止內模上移。
3內模抗上浮裝置設計
目前箱梁生產內模（構造如圖5所示）采用下桁架滑導、油缸頂升技術，內模入模后采用油缸預頂就位、絲杠固定的措施控制內模相對位置，沒有專用的防內模上浮裝置。此種狀態下內模在混凝土灌注時受混凝土浮力影響產生上浮現象，且越到跨中情況越嚴重。內模上浮對梁體不論從實體質量還是到外觀質量都有很大影響。為控制內模上浮，保證箱梁整體質量和受力狀態，設計了內模防上浮連接裝置［5］，包括防上浮拉桿、內模支腿自動鎖緊結構以及底模加強連接部分。
3．1防上浮拉桿
內模與底模之間依次為頂升裝置、內模支腿扁擔梁和內模支腿。內模與內模支腿扁擔梁之間為油缸固定，頂升油缸頂升到位后上下導梁之間位置固定不會進一步伸長。頂升裝置的下導梁與內模支腿扁擔梁之間采用防上浮拉桿連接裝置，一端固定可旋轉，另外一端采用螺母鎖緊。連接裝置結構見圖6。
3．2內模支腿固定裝置
內模扁擔梁與底模板之間采用內模支腿固定裝置連接（如圖6所示）。在底模板支腿連接位置開孔并在四周進行加固處理，內模支腿下端設計為倒T型結構，使用時支腿插入底模板后旋轉90°完成自動鎖緊，取代了操作人員進入底模板下進行上螺栓的操作，扁擔梁與支腿間采用螺栓緊固。
3．3制梁臺座基礎加強固定
將內模浮力通過底模板傳導到制梁基礎，需要加強底模板與基礎連接。由于內模上浮跨中位置位移最大，在跨中位置處進行底模板加強固定，在制梁臺座基礎跨中處設置6個固定預埋件（見圖7），橫橋向兩排，各3個，橫橋向間距1．4m，順橋向間距1．0m。預埋件與對應底模之間采用鋼結構連接件進行連接，進一步加強固定。
4效果檢驗
分別測量40片梁采用措施前后內模跨中位置相對于固定基準點的標高數據，對數據進行分析確定措施效果。
4．1對比測量數據統計
本次共計測量40片梁的上浮情況，底板底到頂板底之間高度數據如圖8所示。（1）上浮量對比：采取防上浮裝置后內模平均上浮8．4mm，相比采用防上浮裝置前上浮量（16mm）減小接近一半，其中最大為20．75mm，最小為1．5mm。（2）上浮區間對比：按照每5mm一個區間進行對比，具體如表1所示。未采取措施前加權平均上浮數值：（3×10＋13×15＋11×20＋13×25）mm／40＝19．25mm。采取措施后加權平均上浮數值：（1×0＋9×5＋15×10＋10×15＋3×20＋1×25）mm／40＝10．75mm。由對比數據可以看出：使用裝置后上浮量明顯降低，本裝置可以較好的減少內模上浮。
4．2可行性驗證
采用BIM建模導入midasFEA軟件對內模板進行有限元分析，模板受到合力作用時，建立內模底部結構模型，將內模頂部固定，分析結果如圖9所示。內模中部變形0．01mm，角部最大變形量為5．5mm；事實上內模有各個方向的液壓撐桿約束，變形會很小。通過BIM軟件模擬，增加防上浮裝置可以有效控制內模上浮量，而模具變形情況也很小。
5結論
本文針對鐵路箱梁生產過程中內模上浮控制進行試驗研究，對箱梁模具工裝在原有基礎上進行了改造，得到結論如下：（1）通過設計自動鎖止工具，增加防上浮拉桿，加強底模板與制梁臺座基礎連接，將混凝土上浮力直接傳遞到制梁臺座中，拆模時通過自動落鎖工具完成拆除動作，避免了工人鉆到模具底部進行操作。（2）采用防上浮裝置后，平均上浮量減小近一半。此防上浮技術，可有效防止箱梁澆筑時內模上浮，并且具有操作簡單、造價低等特點，為國內同類型產品的內模上浮問題提供了成熟有效的解決方案。對于其他精度要求比較高的混凝土預制構件的生產也有一定參考作用。
參考文獻
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［3］李明輝．混凝土上浮力研究［J］．山西建筑，2011（08）：95－96．
［4］李友誼，彭興國，楊凱，等．對現澆混凝土浮力的研究［J］．四川水力發電，2017（10）：18－20，32．
［5］葛尊偉，黃衛青，彭遠揚，等．預制小箱梁內模上浮的防治工藝研究［J］．交通科技，2017（02）：84－86．
作者:白一凡 單位:中鐵十四局集團房橋有限公司
