高速鐵路(40+56+40) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制膠拼法建造技術(shù)研究

張 雷，季偉強(qiáng)，蘇 偉，周岳武

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308)

20世紀(jì)60年代，建成于法國巴黎塞納河上的Choisy-Le-Roi橋，是第一座采用節(jié)段預(yù)制膠接拼裝技術(shù)的橋梁，該橋首次采用了長線法預(yù)制節(jié)段澆筑施工工藝[1]。在我國，節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)用較早，如1965年建設(shè)的河南省五陵衛(wèi)河公路橋(25+50+25) m，1966年竣工的成昆鐵路舊莊河1號橋(24+48+24) m和孫水河5號橋(32.3+64.4+32.3) m[2]，但由于工程條件的限制，該技術(shù)在后續(xù)工程中未得到很好的推廣應(yīng)用。隨著我國橋梁技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代后期以來，節(jié)段預(yù)制拼裝法建造技術(shù)在公路、市政、軌道交通等領(lǐng)域逐漸應(yīng)用開來。鐵路領(lǐng)域也有部分應(yīng)用，如2014年竣工的黃韓候鐵路芝水溝大橋，以及目前正在建設(shè)中的拉林鐵路貢嘎特大橋、銀西客專莫谷河2號特大橋、田桓鐵路謝家崴子太子河特大橋、鄭許鐵路等，但這些都是跨度在48～64 m之間的簡支梁，只有1997年竣工的石長鐵路湘江特大橋是主跨(61.65+7×96+61.65) m的單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁[3]。

與連續(xù)梁支架現(xiàn)澆和掛籃懸臂澆筑等傳統(tǒng)工法相比，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在[4-5]：橋梁上部結(jié)構(gòu)節(jié)段預(yù)制和下部結(jié)構(gòu)的施工可同時進(jìn)行，且采用流水施工，箱梁的預(yù)制和安裝可以分開進(jìn)行，相互不干擾，施工速度快，工期縮短；梁體的預(yù)制工廠化，施工質(zhì)量好；節(jié)段箱梁的養(yǎng)護(hù)時間較長，成橋以后梁體的徐變和預(yù)應(yīng)力損失較??；工廠化預(yù)制和機(jī)械化施工提高了現(xiàn)代化橋梁的建設(shè)水平；有利于橋位處的環(huán)保，減少了對橋下現(xiàn)有交通的影響。

1 項目概況

新建鄭州至阜陽高速鐵路是國家高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，地處河南東南部、安徽西北部，設(shè)計速度350 km/h，設(shè)計活載為ZK荷載。其中周淮特大橋163～172號墩(DK146+548.69～DK146+961.79)間采用3聯(lián)(40+56+40) m無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線連續(xù)梁跨越新運河及兩岸大堤，梁體位于1.5‰和-6.5‰的縱坡上，采用節(jié)段預(yù)制膠接拼裝法建造。橋位處曲線半徑10 000 m，線間距5.0 m。CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度738 mm。地震烈度6度，地震動峰值加速度0.05g。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主梁立面布置如圖1所示。主梁截面形式為單箱單室變高度連續(xù)箱梁，采用C55混凝土。中支點截面中心處梁高4.335 m，跨中及邊跨等高段截面中心處梁高3.035 m，梁底下緣除等高段外按1.8次拋物線變化。中跨跨中等高段長37.0 m，邊跨等高段長31.0 m，梁端設(shè)0.25 m長的懸臂板以滿足施工時操作空間的需要。針對節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁受力及施工特點，相對常規(guī)懸臂澆筑梁，增加了其跨中和邊跨等高段長度，不僅方便施工，節(jié)省模板費用，且立面視覺效果較好。箱梁頂寬12.6 m，底寬6.7 m。箱梁頂板厚0.37 m，邊支點局部加厚到0.62 m；底板厚從等高段的0.4 m變化至中支點0.8 m；腹板厚0.5 m～0.82 m～0.92 m，按折線變化。全橋在端支點、中支點處設(shè)橫隔板。

圖1 1/2主梁立面布置(單位：cm)

2.1 節(jié)段劃分

梁體節(jié)段劃分須結(jié)合現(xiàn)場施工條件決定，受控于節(jié)段運輸能力及吊裝能力。該項目采用橋上運輸方案，預(yù)制節(jié)段長度有3.0，4.0，4.25，4.5 m共4種，全聯(lián)共32個預(yù)制節(jié)段和1個1.0 m長的跨中現(xiàn)澆合龍段，0號段重1 987 kN，其余預(yù)制節(jié)段最重1 592 kN。

2.2 0號段結(jié)構(gòu)設(shè)計

0號段由于有隔板及加靴構(gòu)造，且板厚較厚，一般比其余節(jié)段要重，往往成為施工控制因素，而且0號段的施工直接影響后期節(jié)段的拼裝質(zhì)量。

本項目在采用掛籃懸臂澆筑的(40+56+40) m連續(xù)梁0號段基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下兩方面優(yōu)化：

(1)增大進(jìn)人孔尺寸，由1.5 m×1.5 m增加為1.75 m(高)×2.3 m(寬)；

(2)減小支座橫向間距，中墩支座橫向間距由5.8 m減小至4.5 m，取消加靴構(gòu)造。

通過以上兩點優(yōu)化，0號段吊重由2 288 kN減小為1 987 kN，共減輕302 kN，減幅13.2%。兩種0號段施工方案所采用的中支點截面對比如圖2所示。采用ANSYS軟件建立0號段局部應(yīng)力分析模型，確保受力滿足要求。

圖2 預(yù)制0號段結(jié)構(gòu)優(yōu)化(單位：cm)

2.3 剪力鍵

剪力鍵主要包括腹板剪力鍵、頂板剪力鍵、底板剪力鍵以及腹板與頂板、底板結(jié)合區(qū)剪力鍵，其作用主要是提供抗剪能力和定位，其中腹板剪力鍵主要承受與傳遞接縫截面在正常受力情況下的剪力；頂板剪力鍵主要用于傳遞接縫位置橋面荷載引起的剪力，并協(xié)助節(jié)段拼裝對接定位；底板剪力鍵主要用于協(xié)助節(jié)段拼裝對接定位。

綜合既有國內(nèi)外規(guī)范及既有工程[6-7]，確定本橋剪力鍵主要布置原則如下：

(1)剪力鍵采用傾角45°梯形截面，高度不小于混凝土最大粗骨料粒徑的2倍(其中混凝土最大粗骨料粒徑不大于25 mm)，選用50 mm；

(2)腹板剪力鍵采用密鍵形式，在腹板全高度范圍均勻布置，布置區(qū)間不小于梁高的75%；剪力鍵的橫向?qū)挾炔恍∮诟拱鍖挾鹊?5%，且靠箱內(nèi)側(cè)邊設(shè)置；

(3)頂、底板剪力鍵采用較大的疏鍵，無砟軌道梁，在無砟軌道板范圍內(nèi)宜布設(shè)頂板剪力鍵；

(4)位于剪壓區(qū)的腹板與頂板、底板結(jié)合區(qū)，若無體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束通過也設(shè)置剪力鍵。

剪力鍵布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 梁端懸臂構(gòu)造

簡支梁采用節(jié)段預(yù)制拼裝法建造時，為解決梁端預(yù)應(yīng)力張拉空間的問題，可采用預(yù)應(yīng)力單端張拉、高位張拉后落梁或設(shè)置梁端懸臂構(gòu)造等措施。

連續(xù)梁采用節(jié)段預(yù)制拼裝法建造時，同樣存在梁端預(yù)應(yīng)力張拉空間的問題?？v向預(yù)應(yīng)力在非梁端側(cè)單端張拉已經(jīng)不再可能；由于連續(xù)梁梁體較重，而且是超靜定結(jié)構(gòu)，高位張拉后落梁也比較困難；因此，在梁端設(shè)置懸臂構(gòu)造顯得尤為必要。本項目梁端懸臂構(gòu)造如圖4所示。

圖3 剪力鍵斷面分布及結(jié)構(gòu)尺寸示意(單位：cm)

圖4 梁端節(jié)段懸臂構(gòu)造(單位：cm)

梁端懸臂構(gòu)造范圍內(nèi)布置有頂板預(yù)應(yīng)力時，為方便預(yù)制節(jié)段模板制作，避免在鋼模上留鋼筋孔，可采用下述2種處理辦法。

(1)梁端懸臂構(gòu)造范圍內(nèi)的邊跨頂板預(yù)應(yīng)力，如果適合在箱室內(nèi)單端張拉，則采用單端張拉，懸臂構(gòu)造范圍上預(yù)應(yīng)力錨槽滿足鋼束穿束空間即可，盡可能減小在懸臂構(gòu)造范圍上預(yù)應(yīng)力錨槽尺寸。

(2)端模上不開鋼筋孔，在模板內(nèi)側(cè)鋼筋端部預(yù)埋鋼筋套筒，預(yù)應(yīng)力張拉完后，鋼筋通過套筒連接。

3 節(jié)段拼裝

3.1 節(jié)段拼裝造橋機(jī)

采用TPZ80/2500型造橋機(jī)，包括承重梁、支腿、回轉(zhuǎn)天車、懸吊裝置和縱移過孔裝置，如圖5、圖6所示。該造橋機(jī)可滿足于跨度64 m及以下的雙線簡支梁節(jié)段拼裝和跨度不超過80 m的雙線連續(xù)梁節(jié)段拼裝，滿掛懸拼節(jié)段總重25 000 kN，天車最大起重額2 000 kN。適應(yīng)最小曲線半徑2 500 m，最大線路縱坡3%。

TPZ80/2500型造橋機(jī)采用上行懸掛、兩跨邁步縱移式總體方案，主要由主桁框架系統(tǒng)、支承體系、吊梁天車、懸掛體系、縱移過孔裝置、移動掛架等部分組成。

造橋機(jī)天車的橫移油缸(圖7)可使天車橫向調(diào)節(jié)箱梁，并在吊梁上設(shè)置可調(diào)節(jié)懸吊孔配合調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)曲線梁曲線拼裝。

圖5 TPZ80/2500型造橋機(jī)及臨時支墩支架立面示意

圖6 TPZ80/2500型造橋機(jī)斷面示意(單位：mm)

圖7 造橋機(jī)天車橫移油缸

3.2 節(jié)段拼裝方案

節(jié)段拼裝方法一般有逐跨拼裝、平衡懸臂拼裝以及混合式拼裝。拼裝設(shè)備可采用造橋機(jī)、橋面吊機(jī)或浮吊等，有時甚至在滿布支架上拼裝，其中造橋機(jī)有上行式和下行式兩種，下行式節(jié)段拼裝造橋機(jī)一般需要額外配置其他起吊設(shè)備。

(40+56+40) m連續(xù)梁節(jié)段最大重力(0號段)為1 987 kN，除跨中合龍段采用現(xiàn)澆外，其余所有節(jié)段均采用預(yù)制拼裝。為提高施工效率，綜合整孔拼裝及懸臂拼裝工法的施工特點，創(chuàng)造性地采用一次半聯(lián)滿掛的施工工藝。主要施工步驟如下：

(1)拼裝造橋機(jī)，橋機(jī)中支腿支撐在中墩臨時托架上，吊裝0號塊，精確調(diào)整并與橋墩錨固；

(2)吊裝半聯(lián)節(jié)段，全部懸掛于造橋機(jī)上，如圖8所示。

圖8 一次半聯(lián)滿掛拼裝

(3)自0號塊向兩側(cè)對稱依次涂抹環(huán)氧樹脂膠，張拉臨時預(yù)應(yīng)力，完成半聯(lián)節(jié)段膠接；

(4)穿鋼絞線、張拉部分半聯(lián)永久預(yù)應(yīng)力束，拆除1號～4號段和1′號～4′號段的吊桿；

(5)張拉剩余半聯(lián)永久預(yù)應(yīng)力束，拆除其他節(jié)段吊桿，完成半聯(lián)連續(xù)梁拼裝；

(6)造橋機(jī)縱移至下一孔位，重復(fù)上述步驟架設(shè)后半聯(lián)；

(7)現(xiàn)澆中跨合龍段，完成整體張拉。

該工法相較于節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁常用的平衡懸臂法，具有以下特點：

(1)半聯(lián)梁滿掛一次拼裝，減少了節(jié)段拼裝過程中鋼束張拉過程，加快了施工進(jìn)度；

(2)線形控制相對簡單，提高膠接縫拼接質(zhì)量；

(3)不需要在每個節(jié)段錨固鋼束，避免了節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力錨槽。

主梁施工現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 主梁現(xiàn)場施工

3.3 膠拼工藝

膠粘劑采用單側(cè)涂膠，涂抹均勻，厚度2～3 mm，覆蓋整個接縫面，不得出現(xiàn)斷膠現(xiàn)象。涂膠后至膠粘劑固化前，對膠接縫進(jìn)行覆蓋，防止雨淋、暴曬。膠接縫梁段拼裝完畢，在擠膠張拉24 h后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

3.4 施工工藝控制

采用長線法預(yù)制，底模按梁底線形一次鋪設(shè)完成，外模為可調(diào)節(jié)的整體鋼模，內(nèi)模為可調(diào)節(jié)的分塊模板。采用曲線梁曲線預(yù)制工藝。

0號段的定位控制對整個結(jié)構(gòu)的線形影響較大，施工過程中采取如下措施確保其精準(zhǔn)定位：將0號段放置于4套微調(diào)千斤頂裝置上，高程及橫向位置誤差可控制在5 mm以內(nèi)，然后下墊4個鋼支座，用8根φ32 mm螺紋鋼與橋墩錨固。

預(yù)制節(jié)段拼裝過程中存在天車脫鉤轉(zhuǎn)換為橋機(jī)節(jié)段吊桿受力的過程。相應(yīng)節(jié)段永久預(yù)應(yīng)力筋張拉前，如節(jié)段吊桿力控制不到位，節(jié)段自重可能通過剪力鍵傳遞給相鄰已拼裝節(jié)段，存在拼裝過程中膠接縫開裂的風(fēng)險。因此拼裝過程中，嚴(yán)格控制旋轉(zhuǎn)天車脫鉤轉(zhuǎn)換至節(jié)段吊桿受力的工藝，并采取有效措施確保各節(jié)段的吊桿力滿足要求，并對各吊桿受力進(jìn)行實時監(jiān)測。同時考慮旋轉(zhuǎn)天車在造橋機(jī)上移動對結(jié)構(gòu)特別是未張拉永久預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力影響。

節(jié)段拼裝質(zhì)量按照如下指標(biāo)控制：軸線偏移量不大于10 mm，橋面高程偏差不大于20 mm，相鄰節(jié)段中心線偏差不大于3 mm，相鄰節(jié)段間頂面接縫高差不大于2 mm，節(jié)段縫隙寬度(含膠)不大于2 mm，梁長偏差不小于-20 mm且不大于10 mm，合龍前兩懸臂端相對高差不大于合龍段長度的1/100且不大于15 mm。

4 結(jié)構(gòu)檢算

4.1 模型簡介

采用Midas/Civil建立有限元模型，模型分為主梁、造橋機(jī)、吊桿三部分，均按實際結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬。

為避免節(jié)段拼裝過程中膠接縫截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，對部分預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行初張拉，并伴隨預(yù)應(yīng)力張拉，及時拆除節(jié)段吊桿。

分別對運營狀態(tài)、半跨造橋機(jī)過孔、全聯(lián)造橋機(jī)過孔、半跨過節(jié)段運梁小車、全聯(lián)過節(jié)段運梁小車、成橋過全線簡支箱梁運梁車和架設(shè)相鄰簡支梁等7種工況逐一進(jìn)行檢算，并對施工過程主梁應(yīng)力進(jìn)行檢算。

4.2 運營狀態(tài)

(1)剛度

梁體剛度按0.9進(jìn)行折減[5]，梁體跨中靜活載作用下最大撓度17.8 mm，撓跨比為1/3 145，最大梁端轉(zhuǎn)角0.748‰，均滿足規(guī)范要求[8]。

(2)殘余徐變變形

預(yù)制節(jié)段存梁時間不小于30 d，梁體殘余徐變變形值為：邊跨下?lián)?.5 mm，中跨上拱0.9 mm。由于節(jié)段預(yù)制箱梁的加載齡期較長，殘余徐變變形相對較小，有利于高速鐵路行車的舒適性。

(3)應(yīng)力(表1)

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計。膠接縫截面建設(shè)、運營全過程均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，并按照下述原則進(jìn)行控制：在最不利荷載組合下，運營階段混凝土壓應(yīng)力儲備不小于1.0 MPa，施工階段混凝土壓應(yīng)力儲備不宜小于0.5 MPa。

表1 運營狀態(tài)膠接縫截面應(yīng)力結(jié)果 MPa

注：表中數(shù)據(jù)負(fù)為壓應(yīng)力。

(4)膠接縫正截面抗裂計算

由于普通鋼筋不連續(xù)，膠接縫兩側(cè)混凝土的抗拉性能不如整體混凝土梁，膠接縫處的抗裂性能減弱，因此膠接縫正截面抗裂計算時對TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第7.3.9條fct按照0.3進(jìn)行折減。經(jīng)計算，最小抗裂安全系數(shù)為1.22，滿足規(guī)范不小于1.2的要求。

(5)膠接縫正截面抗彎強(qiáng)度計算

環(huán)氧樹脂膠接縫截面抗彎承載能力折減系數(shù)取0.95。經(jīng)檢算，膠接縫截面最小計算抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)：主力工況為2.6，主力+附加力工況為2.39。

(6)膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)

環(huán)氧樹脂膠接縫截面抗剪承載能力折減系數(shù)取0.9。采用基于混凝土剪-壓復(fù)合強(qiáng)度準(zhǔn)則的計算方法[9]對膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行計算，考慮結(jié)構(gòu)上、下緣均布設(shè)有預(yù)應(yīng)力的情況，并參照我國現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的設(shè)計參數(shù)及平衡方程。經(jīng)檢算，膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)：主力工況為2.13(圖10)，主力+附加力工況為2.08。

圖10 主力工況膠接縫抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)

5 結(jié)語

新建鄭州至阜陽高速鐵路周淮特大橋3聯(lián)(40+56+40) m雙線無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用節(jié)段預(yù)制膠接拼裝法建造，該項目的實施填補(bǔ)了此項技術(shù)在國內(nèi)高速鐵路連續(xù)梁中應(yīng)用的空白，創(chuàng)造性地采用一次半聯(lián)滿掛的拼裝工藝，研究成果可供類似工程借鑒。

節(jié)段預(yù)制膠接拼裝法在鐵路領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將促進(jìn)我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，提高橋梁標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、工廠化生產(chǎn)水平，提高橋梁施工質(zhì)量，縮短施工工期，降低勞動成本，推進(jìn)管理智能化和信息化，降低能耗，減少揚塵，提升環(huán)保、可持續(xù)建橋理念，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，必將引領(lǐng)橋梁建設(shè)的發(fā)展方向。同時該工法貫徹了我國十三五“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，對高鐵技術(shù)走出國門具有重要的戰(zhàn)略意義，為國家“一帶一路”倡議創(chuàng)造發(fā)展新機(jī)遇。