京唐鐵路潮白新河特大橋節(jié)段預(yù)制膠拼法建造關(guān)鍵技術(shù)研究

施 威,邢 雨,謝遠(yuǎn)超,周岳武

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司橋梁院,天津 300308)

引言

使用節(jié)段預(yù)制拼裝法建造橋梁，是先將橋梁整體“化整為零”為預(yù)制節(jié)段，然后運(yùn)送至橋位處施加預(yù)加應(yīng)力“集零為整”成整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)節(jié)段間接縫形式的不同，節(jié)段拼裝法可以分為干接法、濕接法和膠接法。其中干接法由于耐久性及抗震性能存在缺陷，已逐漸被淘汰；而膠接法相對(duì)濕接法具有施工工期短、美觀環(huán)保、后期收縮徐變小等特點(diǎn)，逐漸成為節(jié)段預(yù)制橋梁的發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。

目前國內(nèi)連續(xù)梁橋的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)主要應(yīng)用在公路市政橋梁中，在鐵路連續(xù)梁中應(yīng)用只有1966年竣工的成昆鐵路舊莊河1號(hào)橋(24+48+24) m和孫水河5號(hào)橋(32.3+64.4+32.3) m，1997年竣工的石長鐵路湘江特大橋主跨(61.65+7×96+61.65) m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，和2017年竣工的鄭阜鐵路(40+56+40) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，其中鄭阜鐵路為高速鐵路。

為切實(shí)貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，推動(dòng)我國鐵路橋梁建造技術(shù)科技進(jìn)步，提高橋梁設(shè)計(jì)施工質(zhì)量與水平，縮短橋梁施工工期，提升環(huán)保、可持續(xù)建橋理念，提高橋梁標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化施工裝備能力，對(duì)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制膠拼核心技術(shù)進(jìn)行深入研究，并形成我國鐵路自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大跨度節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁建造成套技術(shù)具有重要意義。課題選擇北京至唐山鐵路潮白新河特大橋DK101+167.09～DK102+173.94段進(jìn)行節(jié)段預(yù)制膠拼法建造應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

北京至唐山鐵路DK101+167.09～DK102+173.94區(qū)間采用(48+80+48) m連續(xù)梁+16-40 m簡支梁+(48+80+48) m連續(xù)梁跨越潮白新河河堤路和河槽，節(jié)段預(yù)制膠拼法建造。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)設(shè)計(jì)速度：350 km/h。

(2)線路情況：雙線，曲線，最小曲線半徑5 500 m，正線線間距5.0 m。

(3)軌道型式：CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度738 mm。

(4)環(huán)境類別及作用等級(jí)：一般大氣條件下無防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級(jí)為T2。

(5)設(shè)計(jì)使用年限：正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命為100年。

(6)地震烈度：8度，地震動(dòng)峰值加速度0.2g。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 立面布置

80 m連續(xù)梁梁長為177.5 m，計(jì)算跨度為(47.9+80+47.9) m，邊支座中心線距離梁端0.85 m。主梁截面型式為單箱單室變高度連續(xù)箱梁，采用C55混凝土，中支點(diǎn)截面中心處梁高6.635 m，跨中及邊跨等高段截面中心處梁高3.635 m，梁底下緣除等高段外按1.8次拋物線變化。中跨跨中段等高段長31.0 m，邊跨等高段長24.0 m，梁端設(shè)0.25 m長的懸臂板以滿足施工時(shí)操作空間的需要。箱梁頂寬12.6 m，底寬6.7 m。箱梁頂板厚0.37 m，邊支點(diǎn)局部加厚到0.62 m；底板厚從等高段的0.4 m按照1.8次拋物線變化至中支點(diǎn)1 m；腹板厚0.48～0.7～0.9 m，邊支點(diǎn)0.6 m，按折線變化。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)處設(shè)橫隔板。立面布置如圖1所示。

跨度40 m簡支梁梁長40.6 m，計(jì)算跨度為38.9 m，支座中心線距離梁端0.85 m。截面類型為單箱單室直腹板等高度箱梁，為方便節(jié)段預(yù)制，節(jié)省模板，并獲得較好的橋梁整體協(xié)調(diào)感，箱形截面外輪廓與80 m連續(xù)梁等高段一致。截面中心處梁高3.635 m，跨中頂板厚30 cm，底板厚28 cm，腹板厚40 cm，梁端頂板、底板、腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚，分別為70，70 cm和105 cm。

2.2 節(jié)段劃分

梁體節(jié)段劃分須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件決定，受控于節(jié)段運(yùn)輸能力及吊裝能力，該項(xiàng)目采用橋上運(yùn)輸方案。80 m連續(xù)梁預(yù)制節(jié)段長度有3.0，3.5，4.0，4.75，5.0 m共5種，全聯(lián)共42個(gè)預(yù)制節(jié)段和1個(gè)2.0 m長的跨中現(xiàn)澆合龍段。其中0號(hào)段重3 470 kN，0號(hào)段隔板及隔板范圍的頂板在橋位后澆筑，預(yù)制部分重2 100 kN，其余預(yù)制節(jié)段最大吊重1 910 kN。

圖1 (48+80+48) m連續(xù)梁立面布置(單位：cm)

1孔40 m簡支梁共9個(gè)預(yù)制節(jié)段，兩端各設(shè)1個(gè)長4.55 m的預(yù)制節(jié)段，其余7個(gè)預(yù)制節(jié)段長度均為4.5 m，節(jié)段最大吊重為1 640 kN。

2.3 連續(xù)梁0號(hào)段

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

本項(xiàng)目在采用掛籃懸臂澆筑的(48+80+48) m連續(xù)梁0號(hào)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×1.9 m的尺寸增加為1.75 m(寬)×2.8 m(高)；

(2)減小支座橫向間距，中墩支座橫向間距由5.8 m減小至4.9 m，減小加靴構(gòu)造。

通過以上兩點(diǎn)優(yōu)化，0號(hào)段吊重由3 860 kN減小為3 470 kN，共減輕390 kN，減幅10.1%。兩種0號(hào)段施工方案所采用的中支點(diǎn)截面對(duì)比如圖2所示。

圖2 (48+80+48) m連續(xù)梁預(yù)制0號(hào)段結(jié)構(gòu)優(yōu)化(單位：cm)

采用MIDAS/FEA 軟件建立0號(hào)段局部應(yīng)力分析模型，確保受力滿足要求。

2.4 剪力鍵

剪力鍵的作用主要是提供抗剪能力和節(jié)段拼裝定位，其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(duì)接定位；底板剪力鍵主要用于協(xié)助節(jié)段拼裝對(duì)接定位。

綜合既有國內(nèi)外規(guī)范及既有工程，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2.5 cm)，選用5 cm；

(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，腹板剪力鍵頂寬5 cm，根部寬15 cm；

(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，頂、底板剪力鍵頂寬5，10 cm或20 cm，根部寬15，20 cm或30 cm；

(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。

2.5 梁端懸臂構(gòu)造

為滿足梁端預(yù)應(yīng)力張拉空間需要，在連續(xù)梁與簡支梁梁端均設(shè)置懸臂構(gòu)造，如圖3所示。

圖3 梁端節(jié)段懸臂構(gòu)造(單位：cm)

梁端懸臂構(gòu)造范圍內(nèi)的邊跨頂板預(yù)應(yīng)力，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，以減小在懸臂構(gòu)造范圍上預(yù)應(yīng)力錨槽尺寸。

2.6 連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力連接器

采用全體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，(48+80+48) m節(jié)段預(yù)制拼裝梁使用了部分預(yù)應(yīng)力連接器， 在待拼裝的相鄰預(yù)制節(jié)段中提前預(yù)埋一段喇叭狀的異形波紋管，喇叭狀異形波紋管的端部也設(shè)置約束圈，以取代連接器保護(hù)罩的作用?，F(xiàn)場(chǎng)拼接時(shí)，連接體直接插入預(yù)埋在相鄰預(yù)制節(jié)段的異形波紋管內(nèi)，并設(shè)一環(huán)形密封墊圈，以保證密封性能，且方便施工。如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力連接器異形波紋管安裝示意

3 連續(xù)梁拼裝方案及預(yù)應(yīng)力布置

3.1 拼裝方案

(48+80+48) m連續(xù)梁所有節(jié)段均采用預(yù)制拼裝時(shí)，分別對(duì)下述2種拼裝方案進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)方案1

具體拼裝順序?yàn)椋簶蚨諆蓚?cè)一次平衡懸臂拼裝3對(duì)預(yù)制節(jié)段，再拼裝邊跨不平衡段，最后中跨現(xiàn)澆合龍。這種方案可以理解為“小節(jié)段預(yù)制、大節(jié)段拼裝”的一種拼裝方式。1聯(lián)連續(xù)梁典型拼裝工序示意如圖5所示。

圖5 典型拼裝工序示意

(2)方案2

方案1中橋墩兩側(cè)一次平衡懸臂拼裝3對(duì)預(yù)制節(jié)段，方案2與方案1的區(qū)別只是將一次平衡懸臂拼裝3對(duì)預(yù)制節(jié)段改為一次懸臂拼裝1對(duì)預(yù)制節(jié)段，其余均相同。

由于需要滿足剪力鍵的布設(shè)空間，(48+80+48) m連續(xù)梁不可避免需要采用預(yù)應(yīng)力連接器，以便充分利用預(yù)應(yīng)力管道位置。方案一拼裝3對(duì)節(jié)段才張拉一次永久預(yù)應(yīng)力，施工速度快，而且節(jié)段之間預(yù)應(yīng)力錨槽、連接器布置少，但該方案也是一次拼裝多個(gè)預(yù)制節(jié)段，存在天車脫鉤轉(zhuǎn)換為橋機(jī)節(jié)段吊桿受力的過程，因此施工工藝控制要求比方案2高；方案2拼裝1對(duì)節(jié)段張拉一次永久預(yù)應(yīng)力，因此施工速度相比方案1慢，且節(jié)段之間預(yù)應(yīng)力錨槽、連接器布置更多，但施工過程中，不存在節(jié)段換勾的過程，方便施工控制。兩種施工方案的特點(diǎn)詳見表1。綜合考慮，本項(xiàng)目采用方案1。

表1 (48+80+48) m連續(xù)梁兩種拼裝方案對(duì)比

3.2 布束特點(diǎn)

頂、底板預(yù)應(yīng)力布置時(shí)，均需留出頂、底板剪力鍵的尺寸空間。同時(shí)，為均勻布置腹板剪力鍵，相比采用掛籃懸臂澆筑施工或支架現(xiàn)澆施工，腹板預(yù)應(yīng)力筋豎向間距更大，中支點(diǎn)處下面幾層腹板預(yù)應(yīng)力筋距離截面頂?shù)木嚯x也更大。在支點(diǎn)附近剪力較大的部分截面均布設(shè)有斜向腹板預(yù)應(yīng)力束，以利于膠接縫截面的抗剪。

頂板及中跨底板預(yù)應(yīng)力基本采用22-7φ5 mm和25-7φ5 mm兩種較大規(guī)格的鋼束，以減少預(yù)應(yīng)力根數(shù)，滿足剪力鍵布置空間需求；腹板束采用19-7φ5 mm。為滿足施工過程和運(yùn)營狀態(tài)膠接縫混凝土壓應(yīng)力儲(chǔ)備滿足要求，在中支點(diǎn)下緣布置2束19-7φ5 mm的永久預(yù)應(yīng)力鋼束。

由于(48+80+48) m連續(xù)梁在平衡懸臂拼裝過程中一次拼裝3對(duì)預(yù)制節(jié)段，懸臂施工過程中形成3次穩(wěn)定的T構(gòu)，每個(gè)懸臂T構(gòu)階段張拉對(duì)應(yīng)階段預(yù)應(yīng)力、拆除吊桿。平衡懸臂過程中張拉少部分底板鋼束以及下彎的腹板束，避免施工過程中頂板束張拉引起膠接縫截面底部出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)檢算

4.1 模型簡介

采用MIDAS/CIVIL軟件建立有限元模型，模型分為主梁、造橋機(jī)、吊桿三部分，均按實(shí)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(duì)部分頂、底板預(yù)應(yīng)力鋼束要求同時(shí)張拉，并伴隨預(yù)應(yīng)力張拉，及時(shí)拆除節(jié)段吊桿。

分別對(duì)運(yùn)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(yùn)梁小車、全聯(lián)過節(jié)段運(yùn)梁小車、成橋過全線簡支箱梁運(yùn)梁車施工過程等7種工況逐一進(jìn)行檢算。下述為運(yùn)營狀態(tài)主要計(jì)算結(jié)果情況。

4.2 剛度及徐變變形

梁體剛度按0.9進(jìn)行折減，梁體跨中靜活載作用下最大撓度30.7 mm，撓跨比為1/2 609；邊跨最大撓度10.8 mm，撓跨比為1/4 453；最大梁端轉(zhuǎn)角0.669‰，均滿足規(guī)范要求。

預(yù)制節(jié)段存梁時(shí)間不小于30 d，梁體殘余徐變變形值為：邊跨3.8 mm，中跨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(duì)較小，有利于高速鐵路行車的舒適性。

4.3 應(yīng)力計(jì)算

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。膠接縫截面建設(shè)、運(yùn)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(yùn)營階段混凝土壓應(yīng)力儲(chǔ)備不小于1.0 MPa，施工階段混凝土壓應(yīng)力儲(chǔ)備不宜小于0.5 MPa。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 運(yùn)營狀態(tài)膠接縫截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

注：應(yīng)力受壓為負(fù)。

4.4 膠接縫截面抗裂計(jì)算

(1)正截面抗裂計(jì)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(jì)算時(shí)，對(duì)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.9條[5]fct按照0.3進(jìn)行折減。經(jīng)計(jì)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。主力+附加力工況全梁膠接縫正截面抗裂安全系數(shù)詳見圖6。

圖6 膠接縫截面正截面抗裂安全系數(shù)曲線

(2)斜截面抗裂計(jì)算

膠接縫斜截面抗裂計(jì)算在TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的基礎(chǔ)上，抗裂性計(jì)算的主拉應(yīng)力σtp≤0.7fct。經(jīng)檢算，主力工況膠接縫斜截面最大主拉應(yīng)力為1.43 MPa，主力+附加力工況膠接縫斜截面最大主拉應(yīng)力為1.79 MPa，小于0.7×3.3=2.31 MPa，滿足要求。

4.5 膠接縫抗彎強(qiáng)度計(jì)算

膠接縫正截面抗彎強(qiáng)度計(jì)算在TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的基礎(chǔ)上，考慮0.95的強(qiáng)度折減系數(shù)[6]，且不計(jì)普通鋼筋作用。主力+附加力工況全梁膠接縫正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)詳見圖7。

圖7 膠接縫截面正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)曲線

4.6 膠接縫抗剪強(qiáng)度計(jì)算

環(huán)氧樹脂膠接縫截面抗剪承載能力折減系數(shù)取0.9[6]。采用基于混凝土剪-壓復(fù)合強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算方法[7]對(duì)膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)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TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的設(shè)計(jì)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2.12，主力+附加力工況為2.09，如圖8所示。

圖8 膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)曲線

5 主要工程數(shù)量對(duì)比

為配合節(jié)段預(yù)制拼裝工藝，相比采用掛籃懸臂澆筑施工的同跨度梁，(48+80+48) m連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制拼裝方案采用了更長的跨中及邊跨等高段，且跨中梁高相比懸臂澆筑方案有所降低，同時(shí)優(yōu)化了0號(hào)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此本項(xiàng)目一聯(lián)連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制拼裝方案的混凝土用量2 747.3 m3相比懸臂澆筑方案的2 955.0 m3要少207.6 m3。預(yù)制拼裝方案的縱向預(yù)應(yīng)力筋用量為141.4 t，比懸臂澆筑方案的125.0 t多16.4 t，對(duì)應(yīng)每立方混凝土縱向預(yù)應(yīng)力筋含量預(yù)制拼裝方案為51.5 kg/ m3，而懸臂澆筑方案只有42.3 kg/m3。預(yù)制拼裝方案的預(yù)應(yīng)力筋含量明顯要比懸臂澆筑方案高，這主要是因?yàn)椋?1)預(yù)制拼裝方案的膠接縫截面在整個(gè)施工、運(yùn)營過程中不能出現(xiàn)拉應(yīng)力，并有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備；(2)抗裂安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度折減較多；(3)下排腹板預(yù)應(yīng)力布置距離截面頂部距離大。1聯(lián)(48+80+48) m連續(xù)梁采用不同施工方案的主要工程數(shù)量詳見表3。

表3 主要工程數(shù)量對(duì)比

6 結(jié)語

北京至唐山鐵路潮白新河特大橋局部1 km區(qū)段采用節(jié)段預(yù)制膠拼法建造，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拼裝方案及預(yù)應(yīng)力布置、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)檢算以及主要工程數(shù)量等進(jìn)行了分析研究，并得出如下結(jié)論，可為類似項(xiàng)目提供參考。

(1)(48+80+48) m連續(xù)梁與40 m簡支梁相接，連續(xù)梁梁端及跨中等高段與相鄰簡支梁的梁高和外輪廓一致，能較大程度節(jié)省預(yù)制模板費(fèi)用，且全橋整體美觀、協(xié)調(diào)。

(2)預(yù)制節(jié)段之間的預(yù)應(yīng)力連接器采用喇叭狀的異形波紋管加密封圈方案，以保證密封性能，方便施工。

(3)(48+80+48) m連續(xù)梁采用一次拼裝3對(duì)預(yù)制節(jié)段，即“小節(jié)段預(yù)制、大節(jié)段拼裝” 的平衡懸臂拼裝工藝，該方案施工速度快，而且節(jié)段之間預(yù)應(yīng)力錨槽、連接器布置少。

(4)預(yù)制拼裝方案的預(yù)應(yīng)力含量比懸臂澆筑方案高。