鐵路節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡支箱梁的技術(shù)特點和優(yōu)勢

高明昌

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

鐵路節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡支箱梁的技術(shù)特點和優(yōu)勢

高明昌

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

黃陵—韓城—侯馬鐵路芝水溝特大橋主橋采用19孔64 m和2孔48 m節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡支箱梁，突破了我國多年來常規(guī)采用的濕接縫節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的限制。本文結(jié)合芝水溝特大橋節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡支箱梁設(shè)計、施工，闡述了節(jié)段預(yù)制現(xiàn)場拼裝梁的分類和應(yīng)用情況、構(gòu)造特點、設(shè)計特點、工藝特點及優(yōu)勢所在，可對后續(xù)節(jié)段拼裝橋梁的設(shè)計和施工起到指導(dǎo)性作用。

節(jié)段預(yù)制 膠接拼裝 技術(shù)特點 優(yōu)勢

膠接縫形式的節(jié)段拼裝梁在國外起源很早，并且有了很大的發(fā)展，已經(jīng)成為節(jié)段拼裝橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式，有相關(guān)的設(shè)計施工指南為依據(jù)。在我國，對預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，鐵路橋梁最近一次采用膠拼技術(shù)是90年代初石長線湘江大橋跨度96 m的連續(xù)梁橋［1］，之后由于材料、技術(shù)及設(shè)備等原因再沒有應(yīng)用。

近年來國內(nèi)軌道交通和公路行業(yè)也對膠接縫節(jié)段拼裝橋梁進行了少量的試點，但沒有開展系統(tǒng)的研究，沒有形成成熟的工法和設(shè)計施工規(guī)范。黃陵—韓城—侯馬鐵路芝水溝特大橋主橋采用19孔64 m和2孔48 m節(jié)段預(yù)制膠接拼裝簡支箱梁，突破了我國鐵路橋梁多年來常規(guī)采用的濕接縫節(jié)段預(yù)制拼裝的限制，是中國鐵路總公司鑒定中心、工管中心、科技管理部確定的試點工程。

1 芝水溝特大橋概況

芝水溝特大橋黃—韓—侯鐵路位于北塬至芝陽新建雙線段落內(nèi)，橋址處地貌為黃土溝壑區(qū)，溝谷深切，溝梁交錯，主溝呈“U”形，常年流水(平時水量較小)。橋址處設(shè)計流量Q1%=788 m3/s。橋高84 m，為全線高橋之一。

橋址范圍內(nèi)地層簡單，主要為第四系黃土、二疊系中統(tǒng)砂巖夾泥巖，岸坡穩(wěn)定，無斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)，工程地質(zhì)條件較好。橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

大橋跨越芝水溝主溝、支溝，橋型方案的選擇及孔跨布置受線路條件及地形、地質(zhì)條件控制。設(shè)計采用(1×48+1×64+1×48+18×64)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁+(6×32+1×24)m簡支T梁方案，橋全長1 598.98 m，其中64 m和48 m簡支箱梁采用移動支架造橋機節(jié)段預(yù)制膠接拼裝法施工。

2 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁分類及應(yīng)用

節(jié)段預(yù)制拼裝施工方法根據(jù)接縫形式不同，大致分為濕接縫、干接縫和膠接縫三種。

濕接縫指預(yù)制梁段拼裝時，兩相鄰梁段預(yù)留一定的空間，通過綁扎鋼筋和現(xiàn)澆混凝土的形式把預(yù)制節(jié)段連成整體的接縫;干接縫指不涂任何粘結(jié)材料而直接相拼的接縫;膠接縫指預(yù)制梁段接縫涂以環(huán)氧樹脂膠后拼接的接縫。

干接縫由于其在受力性能、抗震性能及耐久性方面的嚴(yán)重缺陷和不足［2］，在一定程度上限制了其發(fā)展，國內(nèi)外應(yīng)用較少。

濕接縫拼裝施工簡支箱梁技術(shù)研究起步較早，早在上世紀(jì)90年代，鐵一院在靈武支線黃河大橋上首次設(shè)計采用移動支架造橋機節(jié)段拼裝48 m簡支箱梁，之后我國多條客運專線、客貨共線鐵路橋梁上大量采用單線、雙線和多線大跨度節(jié)段預(yù)制濕拼簡支箱梁，并積累了大量的設(shè)計施工經(jīng)驗。

對于膠接縫節(jié)段預(yù)制拼裝建橋技術(shù)，在國外已非常成熟，為節(jié)段拼裝橋梁的主要施工方法。國內(nèi)在鐵路、公路及城市軌道交通行業(yè)已對膠接縫節(jié)段預(yù)制拼裝施工橋梁進行了一些試點，但仍然缺乏相應(yīng)的成套技術(shù)和科研試驗資料。

3 節(jié)段預(yù)制膠接拼裝梁的構(gòu)造特點

3.1 接縫處縱向普通鋼筋、混凝土不連續(xù)

這是節(jié)段預(yù)制膠接拼裝結(jié)構(gòu)區(qū)別于整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)或濕接縫節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)的基本特征。

3.2 接縫涂抹環(huán)氧密封膠

該材料在節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)中具有以下作用:

1)密封及防水，為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力提供防腐保護。

2)彌補預(yù)制混凝土接縫面輕微不平整現(xiàn)象。

3)環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑未固化前為粘稠狀態(tài)，拼接時因環(huán)氧粘結(jié)劑的潤滑作用使剪力鍵滑進定位，便于拼裝時節(jié)段定位準(zhǔn)確［3］。

3.3 接縫面設(shè)置剪力鍵

為有效地承受及傳遞接縫上的剪力，并能使節(jié)段拼裝連接方便、準(zhǔn)確，膠接縫節(jié)段拼裝橋梁需要在接縫面設(shè)置剪力鍵。剪力鍵構(gòu)造尺寸詳見圖1。

圖1 剪力鍵構(gòu)造尺寸示意

腹板上的剪力鍵應(yīng)盡量在腹板全高度布置，布置范圍約為梁高的75% ;頂板內(nèi)剪力鍵由多個長條形鍵塊組成，主要用于傳遞橋面接縫上的荷載引起的剪力，有助于節(jié)段拼裝時鑲嵌對接定位;底板內(nèi)剪力鍵，也由多個長條形鍵塊組成，主要用于節(jié)段拼裝時鑲嵌對接定位。為了美觀，腹板剪力鍵在箱梁外側(cè)留出一定距離;為方便膠體順利擠出梁體，腹板剪力鍵在箱梁內(nèi)側(cè)設(shè)為通縫，頂、底板剪力鍵在頂板頂面和底板頂面設(shè)置擠膠槽口。為了便于剪力鍵吻合、表面涂膠能被擠動，并具有足夠的抗剪能力，剪力鍵采用梯形或圓角梯形截面，高度應(yīng)大于混凝土最大骨料粒徑的2倍且不小于35 mm;剪力鍵的高度與其平均寬度比為1∶2。

3.4 接縫處力的傳遞途徑

接縫處依靠剪力鍵及預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力傳遞剪力，靠預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力傳遞彎矩，離散的節(jié)段通過預(yù)應(yīng)力及剪力鍵形成整體。

3.5 線路設(shè)計需要考慮的問題

節(jié)段梁的制作采用匹配施工，線形控制比較復(fù)雜，對設(shè)計施工要求較高，為便于設(shè)計施工，線路設(shè)計要避免平曲線與豎曲線重合，從而避免復(fù)雜的空間梁段。

4 節(jié)段預(yù)制膠接拼裝梁的設(shè)計特點

由于接縫處鋼筋和混凝土不連續(xù)，因此，節(jié)段預(yù)制膠接拼裝結(jié)構(gòu)較節(jié)段預(yù)制濕接拼裝結(jié)構(gòu)或整孔現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)具有較為鮮明的設(shè)計特點。

4.1 預(yù)應(yīng)力度高

按鐵路橋規(guī)抗裂安全系數(shù)計算公式為［4］

式中:σc為扣除預(yù)應(yīng)力損失后混凝土的預(yù)壓應(yīng)力;fct為混凝土的抗拉極限強度;σ為計算荷載在截面受拉邊緣混凝土產(chǎn)生的正應(yīng)力;γ為考慮混凝土塑性的修正系數(shù)，γ=2S0/W0，S0為面積矩，W0為對檢算的受拉邊緣的換算截面抵抗矩。

由于膠接縫梁環(huán)氧膠與混凝土粘結(jié)能力小于整體混凝土抗拉強度，一般偏安全地忽略膠與混凝土粘結(jié)抗拉強度，即fct=0，于是抗裂安全系數(shù)計算公式簡化為

由式(2)可以看出膠接縫節(jié)段拼裝梁其抗裂安全系數(shù)即為預(yù)應(yīng)力度，因抗裂安全系數(shù)Kf≥1.2，即膠接縫節(jié)段拼裝梁膠接縫處預(yù)應(yīng)力度≥1.2，亦即在荷載作用下受拉側(cè)的剩余預(yù)壓應(yīng)力≥0.2σ。

由此可見，膠接縫梁需要配備較多的預(yù)應(yīng)力提供儲備壓應(yīng)力以彌補接縫邊緣抗拉強度的降低，故膠接縫節(jié)段拼裝橋梁預(yù)應(yīng)力度大于濕接縫節(jié)段拼裝梁或整體梁預(yù)應(yīng)力度。

在系統(tǒng)研究環(huán)氧膠與混凝土粘結(jié)抗拉強度后，可按粘結(jié)抗拉強度95% 保證率相應(yīng)減小預(yù)應(yīng)力度［5］。

4.2 強度、剛度折減

根據(jù)AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計與施工指南》［6］，彎曲強度及剪切強度均進行折減?？箯潖姸劝?.95折減，抗剪強度按0.9折減。由于強度和剛度折減，梁高較整體現(xiàn)澆或濕接縫拼裝梁有所增加。

根據(jù)模型梁試驗，節(jié)段膠拼梁極限狀態(tài)表現(xiàn)為彎曲破壞的特征，且接近整體梁的破壞形態(tài)。梁體實測豎向抗彎剛度比計算剛度偏小約10% ，計算抗彎剛度時應(yīng)適當(dāng)折減。

一般橋梁僅對斜截面進行抗剪驗算，而節(jié)段拼裝膠接橋梁由于接縫處鋼筋和混凝土不連續(xù)，還需要驗算接縫面正截面抗剪強度。接縫面正截面抗剪強度與預(yù)應(yīng)力彎起效應(yīng)(預(yù)剪力)、截面正應(yīng)力及剪力鍵布置有關(guān)。對于簡支梁來說，預(yù)剪力、摩擦力、剪力鍵抗剪力所占比重大致如圖2所示。

圖2 接縫面抗剪比重示意

4.4 結(jié)構(gòu)耐久性要求高

接縫處耐久性是制約膠接縫節(jié)段拼裝梁耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般可從構(gòu)造、材料、工藝等幾方面采取措施。

1)構(gòu)造措施:①合理布置預(yù)應(yīng)力使各截面處于全截面受壓狀態(tài)，研究合理的剪力鍵的布置形式和構(gòu)造，提高梁體抗壓、拉、剪能力;②接縫面孔道連接處設(shè)計合理的構(gòu)造;③接縫面箱梁內(nèi)外涂抹聚氨酯防水涂料，作為二次保護，防止紫外線、水汽對環(huán)氧接縫腐蝕，提高耐久性。

2)材料保障:①采用高性能混凝土;②選擇物理、化學(xué)性能優(yōu)越的環(huán)氧密封膠;③采用環(huán)氧涂層鋼絞線、成孔材料采用塑料波紋管;④控制灌漿材料水灰比，摻入阻銹劑。

3)工藝措施:①通過試驗采取可靠的施工工藝，接縫面平整，相互密貼;②采用真空壓漿技術(shù)，保證壓漿密實度。

4.5 箱梁接縫處普通鋼筋加強布置

1)箱梁支點附近剪力較大及剪彎共同作用區(qū)段，節(jié)段接縫邊的豎向鋼筋(箍筋)應(yīng)予加強，并保證其兩端錨固可靠。設(shè)計中可按照每個接縫面兩側(cè)各60 cm范圍內(nèi)預(yù)制梁段腹板箍筋(間距≤8 cm)加強處理，如圖3(a)所示。

2)為避免接縫開展后頂板和頂、腹板結(jié)合處混凝土局部壓碎，幫助頂、腹板結(jié)合區(qū)混凝土截面?zhèn)鬟f剪力，并提供必要的延性，箱梁跨中區(qū)段(具體范圍根據(jù)設(shè)計計算確定)接縫兩側(cè)頂板內(nèi)應(yīng)設(shè)置固定于頂板上、下層縱向分布鋼筋的豎向扣筋。接縫兩側(cè)頂板與腹板結(jié)合區(qū)內(nèi)應(yīng)設(shè)置固定于腹板箍筋的封閉箍筋，如圖3(b)所示。

再取變異概率根據(jù)種群情況自適應(yīng)調(diào)整，其余參數(shù)均取相同。其適應(yīng)度成長曲線對比見圖6，最終尋優(yōu)路徑對比見圖7，其中自適應(yīng)調(diào)整變異概率遺傳算法適應(yīng)度成長較快，最終穩(wěn)定于5.2左右，收斂效率稍有提高。

3)接縫兩側(cè)底板與腹板結(jié)合區(qū)內(nèi)應(yīng)設(shè)置固定于腹板箍筋的封閉箍筋，如圖3(c)所示。

圖3 箱梁接縫處加強鋼筋

5 施工工藝特點

5.1 節(jié)段預(yù)制方法

節(jié)段預(yù)制分長線法和短線法。長線法預(yù)制臺座占用場地面積大，臺座基礎(chǔ)成本高，但易于線性控制。短線法預(yù)制臺座短，各節(jié)段需匹配試拼裝，線形控制復(fù)雜，施工成本低，技術(shù)要求高。

5.2 節(jié)段拼裝時接縫面施加臨時預(yù)應(yīng)力

根據(jù)節(jié)段拼裝要求，節(jié)段涂膠后至環(huán)氧膠固化前，需要對節(jié)段環(huán)氧膠接縫施加臨時預(yù)應(yīng)力，以保證接縫全截面受力均勻，臨時預(yù)應(yīng)力拆除順序和時間應(yīng)滿足整個施工階段接縫不出現(xiàn)拉應(yīng)力為原則。接縫面臨時預(yù)壓應(yīng)力≥0.3 MPa，最大≤0.6 MPa。

5.3 端模設(shè)計復(fù)雜，平整度和剛度要求高

端模由鋼板做面板，并設(shè)豎、橫向加勁與型鋼桁架連成整體，還需根據(jù)不同剪力鍵的布置進行調(diào)整。后續(xù)梁段利用已預(yù)制好的梁段端頭作為端頭模板，涂刷隔離劑使新舊混凝土易于分離。兩個梁段分離后，采用鋼刷及清水將隔離劑清理干凈，以免影響環(huán)氧樹脂膠與混凝土的粘結(jié)效應(yīng)。

5.4 測量控制精度要求高

長短線法預(yù)制是將橋梁的設(shè)計幾何尺寸分解成若干小節(jié)段單元后在工廠加工制造，為了確保加工單元拼裝后滿足橋梁設(shè)計的幾何尺寸和線形，節(jié)段預(yù)制施工中的測量控制至關(guān)重要。

對所制作節(jié)段的幾何斷面加以控制并和理論幾何斷面進行比較，以此作為基準(zhǔn)控制值進行定位和調(diào)整，從而獲得拼裝后正確的幾何形狀、標(biāo)高和整體線形。

5.5 環(huán)氧膠技術(shù)要求

節(jié)段拼裝橋梁專用環(huán)氧膠是一種建筑類合成膠粘劑，為無溶劑型雙組分觸變性環(huán)氧樹脂膠。由A，B兩種組分按一定比例拌合而成，其中A組分為環(huán)氧基，B組分為固化劑。膠的配合比根據(jù)環(huán)境溫度和固化時間來選定。

環(huán)氧膠主要性能指標(biāo)有抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、觸變性、擠壓性、濕熱老化性能、適用期，以及環(huán)氧膠與混凝土粘結(jié)抗拉強度，均應(yīng)滿足FIP專用規(guī)范要求。

6 節(jié)段預(yù)制膠接拼裝梁的優(yōu)勢

節(jié)段預(yù)制膠接拼裝橋梁具有外形美觀、質(zhì)量保證、對交通及環(huán)境適應(yīng)性好、混凝土收縮和徐變效應(yīng)小、線形易于控制、行車條件好及安全、環(huán)保等明顯優(yōu)勢，更為重要的優(yōu)勢是能夠大幅度縮短施工工期，較濕接縫節(jié)段拼裝時間節(jié)約50% 左右，可在冬季低溫和夏季高溫條件下拼裝作業(yè)。

膠拼梁適用環(huán)境廣泛，可用于跨越繁忙的交通干線、江河湖海和艱險山區(qū)，尤其適合施工困難的山區(qū)和環(huán)境保護要求高的城市地區(qū)。另外，由于膠拼梁節(jié)段全部在預(yù)制廠生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場無需現(xiàn)澆混凝土和養(yǎng)生，大量節(jié)約現(xiàn)場用水，特別適用于干旱缺水地區(qū)。

不可否認(rèn)的是，節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁與濕拼梁或現(xiàn)澆梁相比，具有整體性差、施工工藝復(fù)雜，對施工質(zhì)量和耐久性要求高等缺陷。

現(xiàn)代橋梁工程的經(jīng)濟性是由結(jié)構(gòu)形式、材料用量指標(biāo)、施工工期、施工費用、施工質(zhì)量以及施工期間對環(huán)境和交通的影響等各種因素綜合確定的。所以節(jié)段拼裝施工方法對于多跨尤其是跨越高架道路、江海河流、深溝等高墩大跨這類橋梁較長、投資較大的工程具有相當(dāng)大的競爭力。

7 結(jié)束語

節(jié)段預(yù)制膠接拼裝箱梁技術(shù)特點和優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)應(yīng)用較少，后續(xù)應(yīng)系統(tǒng)研究、制定適合于節(jié)段拼裝橋梁的設(shè)計施工規(guī)范。在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注重剪力鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和梁段接縫處耐久性設(shè)計。設(shè)計接縫處孔道合理的密閉措施，保證壓漿質(zhì)量、選擇耐久性能好的環(huán)氧密封膠，提高梁體抗壓、拉、剪能力，是保證膠拼梁耐久性的重要措施。

［1］陳開御.節(jié)段預(yù)制拼裝式橋梁在鐵路客運專線上運用的探討［J］.橋梁建設(shè)，2007(5):52－54.

［2］李國平.干接縫節(jié)段式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的優(yōu)勢與缺陷［J］.中國市政工程，2007(2):54－55.

［3］高哲凝.預(yù)制節(jié)段拼裝架設(shè)橋梁的耐久性分析［J］.中國水運，2007(10):70－73.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］李學(xué)斌，楊心怡，李東昇，等.節(jié)段梁環(huán)氧樹脂膠接縫抗拉強度的試驗研究［J］.鐵道建筑，2015(1):23－26.

［6］AASHTO.Guide Specifications for design and Construction of Segmental Concrete Bridge［S］.Second Edition.Washington: American Association of State Highway and Transportation Officeais，2003.

Technical features and advantages of railway assembled simply-supported box-girder with epoxy resin joints

GAO Mingchang
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Zhishuigou super－large bridge on Huangling－Hancheng－Houma Railway applies 19×64 m+2×48 m simply－supported segmental precast box－girders.These segments are assembled with epoxy resin instead of the traditional wet joint.Design and construction of Zhishuigou super large bridge are introduced in this paper.The categorization and application of precast segment，as well as its structure，design，production and advantages，are presented.These may be used as guidance for design and construction of the same type bridge.

Segmental precast;Epoxy resin joints;T echnique;Advantages

U455.469

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.12

(責(zé)任審編 孟慶伶)

1003－1995(2015)10－0060－04

2015－04－17;

2015－07－28

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2010G010－E)

高明昌(1974—)，男，高級工程師。