環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑在節(jié)段預制拼裝橋梁中的應用

吳世曾，張文鋒，楊 靖，陳興波

（重慶市市政設計研究院，重慶市400020）

0 引 言

橋梁節(jié)段預制拼裝技術(shù)已經(jīng)在歐美國家以及東南亞地區(qū)得到廣泛應用，國內(nèi)節(jié)段預制拼裝技術(shù)也日漸成熟，自90 年代以來建成了上海新瀏河大橋、上海滬閔高架二期、廣州地鐵6 號線，如圖1 所示，另外蕪湖長江二橋、虎門二橋、鄭州四環(huán)路也采用節(jié)段預制拼裝技術(shù)施工。節(jié)段預制拼裝箱梁梁端均為工廠預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場由架橋機吊裝施工，節(jié)段間的接縫需要刮涂粘結(jié)劑使節(jié)段箱梁粘結(jié)為一體。本文結(jié)合華巖隧道西延伸段項目，如圖2 所示，介紹了環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑在節(jié)段預制拼裝箱梁上的應用，為節(jié)段預制拼裝橋梁的設計以及施工提供一定參考。

圖1 廣州地鐵6 號線

1 華巖隧道西延伸段項目工程概況

華巖隧道西延伸段項目是重慶市快速路網(wǎng)的重要組成部分，是西出中梁山的一個重要通道，該項目是重慶市首次采用節(jié)段預制拼裝工藝的橋梁項目，該項目高架段起點樁號為K5+725.596，終點樁號為K7+457.722，全長1731.7 m，其中K6+007.722～K6+577.722 以及K6+787.722～K7+177.722 段采用節(jié)段預制拼裝箱梁，跨徑布置為9 聯(lián)3×30 m 連續(xù)箱梁加1 聯(lián)4×30 m 連續(xù)箱梁組成，如圖3 所示，上部結(jié)構(gòu)均采用雙幅布置，節(jié)段箱梁采用填充型環(huán)氧涂覆鋼絞線體外索結(jié)構(gòu)[1]。

圖2 華巖隧道西延伸段

圖3 華巖隧道西延伸段斷面布置（單位：cm）

2 粘結(jié)劑作用

階段預制拼裝箱梁的接縫之間采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑填充。

常用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑分為A、B 兩種組分，其中A 類通常為環(huán)氧樹脂，B 類為固化劑，為改善某些性能，滿足不同用途還可以加入增韌劑、稀釋劑、促進劑、偶聯(lián)劑等輔助材料。環(huán)氧樹脂主要具有以下作用[2，3]：

（1）潤滑作用： 節(jié)段箱梁拼裝時箱梁截面上的凸鍵要嵌入凹鍵內(nèi)，截面涂膠后環(huán)氧樹脂膠為黏稠狀態(tài)，膠的潤滑作用有利于截面的凸鍵順利滑入凹鍵進行梁段定位。

（2）粘結(jié)作用： 節(jié)段箱梁通過環(huán)氧樹脂膠在預應力作用的幫助下粘結(jié)成一個整體。節(jié)段箱梁接縫原則上在各種工況作用下均應處于受壓狀態(tài)，環(huán)氧樹脂膠的粘結(jié)抗拉作用并未得到充分利用，但粘結(jié)作用使接縫的抗剪能力有了很大提高。

（3）防水密封作用：環(huán)氧粘結(jié)劑填充接縫，可以使體內(nèi)索的預應力管道起到良好的密封作用，有利于真空輔助灌漿施工，還可以防潮防滲，提高體內(nèi)索的耐久性能。

（4）協(xié)調(diào)變形作用：環(huán)氧樹脂膠的抗拉、抗壓性能以及彈性模量均不小于常規(guī)橋梁使用的C50混凝土，可有效傳遞鋼束張拉產(chǎn)生的壓應力以及主梁彎矩、剪力造成的彎剪應力。

3 環(huán)氧粘結(jié)劑性能

3.1 基本力學性能鑒定

現(xiàn)階段國內(nèi)并沒有針對橋梁用拼接膠的相關規(guī)范標準，在建或已建成的節(jié)段預制拼裝項目多參照建筑行業(yè)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》（GB 50728—2011）的要求或FIP（國際預應力協(xié)會）《關于分段施工中環(huán)氧粘合劑驗收試驗及認定標準的建議》標準[4，5]。

膠體的基本力學性能鑒定標準主要包括以下幾種：

（1）膠體本身的力學性能：主要有抗拉、抗壓強度、彈性模量以及伸長率。

（2）膠體的粘結(jié)能力：主要有鋼對鋼拉伸抗剪強度、鋼對鋼粘結(jié)抗拉強度、抗沖擊剝離強度以及鋼對混凝土正拉粘結(jié)強度。

按照《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定基礎規(guī)范》（GB 50728—2011）的規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)用的膠粘劑，宜按其基本性能分為A 級與B 級膠；對重要結(jié)構(gòu)、懸挑構(gòu)件、承受動力作用的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，應采用A 級膠[4]；華巖隧道西延伸段項目節(jié)段箱梁作為主要承重構(gòu)件，所采用的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑均要滿足A級膠的要求。

3.2 長期使用性能鑒定

長期使用性能是結(jié)構(gòu)膠粘劑必須具備的質(zhì)量特征, 因為膠粘劑絕大多數(shù)都是由高分子材料組成，在長期應力的作用下會產(chǎn)生應力松弛和蠕變，粘結(jié)強度也會隨時間的推移而降低，塑性變形也會增加，因此對膠體長期使用性能鑒定的重要性不亞于膠體的基本性能以及粘結(jié)能力。但是耐久性試驗耗時較長，在實際工程應用中較難實現(xiàn)。故規(guī)范《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》（GB 50728—2011）在多次組織論證并進行驗證性試驗的基礎上,提出以下耐久性鑒定指標[4]：

（1）耐濕熱老化性能：在一般大氣環(huán)境中濕、熱的共同作用是膠體老化的主要原因。

（2）耐熱老化性能：膠體在大氣中，特別是在高溫作用下，多數(shù)易預熱氧化，產(chǎn)生降解或發(fā)生蠕變破壞，嚴重影響膠體性能。

3.3 可施工性

節(jié)段拼裝橋梁用環(huán)氧樹脂膠所涉及的主要施工性能為觸變性，膠體的觸變性是指膠體在一定的剪切速率作用下，其剪應力隨時間延長而減小的特性，在粘結(jié)工藝上具體表現(xiàn)為：攪動下，膠體黏度迅速下降，便于涂刷，停止時膠體黏度迅速增加，不會隨意流淌，可通過觸變指數(shù)來衡量膠體的觸變性。

3.4 性能要求

結(jié)合《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》（GB 50728—2011）的要求[4]以及類似項目的施工經(jīng)驗，對華巖隧道西延伸段項目環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑提出主要性能要求見表1。

4 環(huán)氧粘結(jié)劑接縫的數(shù)值分析

4.1 總體分析模型

采用Midas civil 建立空間桿系模型[6]，計算出各個梁截面在各種荷載組合下的內(nèi)力值，這些內(nèi)力值是作為下截取的局部模型上的荷載條件。取其中一聯(lián)跨徑布置為3×30 m 的標準節(jié)段箱梁在Midas 中進行整體力學模型計算，標準段箱梁為兩幅布置，取左幅計算。全橋共劃分為84 個節(jié)點，83個單元，建立的模型如圖4 所示。

在按正常使用極限狀態(tài)設計時的作用長期效應組合下跨中梁段單元13 的i節(jié)點和單元14 的j節(jié)點上的彎矩、剪力和軸力值見表2。

表1 環(huán)氧樹脂膠參數(shù)取值表

圖4 標準段箱梁計算模型

表2 單元內(nèi)力值

4.2 局部分析模型

為了分析通過環(huán)氧樹脂膠粘劑連接的混凝土梁段的應力狀態(tài)分布，選取Midas 模型中的單元13、14 在ANSYS 中建立三維實體模型進行局部分析[7]，混凝土梁段及環(huán)氧樹脂均采用結(jié)構(gòu)實體單元solid95 單元進行模擬，偏安全地忽略梁體內(nèi)的普通鋼筋。C50 混凝土的彈性模量為34500 MPa，泊松比取0.2，環(huán)氧樹脂彈性模量取1000 MPa，泊松比取0.38。

邊界條件采用簡支形式，即一端約束順橋向，橫橋向和豎向，另一端約束橫橋向和豎向。為了簡化建模的過程以及減少單元劃分數(shù)量，僅取箱梁的一半，在箱梁的中心線位置處施加對稱約束。整個模型共劃分為3372 個節(jié)點，12844 個單元，建立的三維有限元模型如圖5 所示。

圖5 帶膠接縫的節(jié)段箱梁三維實體模型

4.3 計算結(jié)果分析

將Midas 中提取的作用長期效應組合下的梁端彎矩，剪力和軸力計算結(jié)果以節(jié)點荷載的形式施加在ANSYS 三維實體模型上，得到的結(jié)構(gòu)正應力結(jié)果如圖6 所示。

圖6 節(jié)段箱梁順橋向正應力圖（單位：MPa）

如圖6 所示，在荷載長期作用下，節(jié)段箱梁在順橋向基本上受壓，壓應力主要集中在-8.46 MPa左右，部分區(qū)域在-4.25 MPa 左右，另有少部分區(qū)域達到-12.66 MPa，均在混凝土抗壓強度范圍以內(nèi)。

環(huán)氧樹脂膠結(jié)縫位于截取腹板處的膠接縫應力云圖如圖7 至圖11 所示。

圖7 膠接縫順橋向應力圖（單位：MPa）

圖8 膠接縫橫橋向應力圖（單位：MPa）

圖9 膠接縫豎向應力圖（單位：MPa）

圖10 膠接縫第一主應力圖（單位：MPa）

圖11 膠接縫第三主應力圖（單位：MPa）

腹板處膠接縫順橋向應力分布均勻，主要以受壓為主，壓應力集中在-6.93 MPa 左右；橫橋向以受壓為主，壓應力集中在-5 MPa 左右，有少部分區(qū)域受拉，拉應力集中在1.16 MPa 左右；豎向以受壓為主，壓應力集中在-5.6 MPa，部分區(qū)域壓應力在-1.4 MPa 左右，另有少部分區(qū)域受拉，拉應力在2.8 MPa 左右。第一主應力、第三主應力計算結(jié)果分別和橫橋向、順橋向結(jié)果接近，接縫應力均在環(huán)氧樹脂膠允許應力范圍以內(nèi)。

5 結(jié) 語

本文主要介紹了節(jié)段預制拼裝橋梁環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的應用，以華巖隧道西延伸段的節(jié)段預制拼裝箱梁部分例，建立了全橋整體計算模型和通過膠接縫連接的兩個梁段三維實體模型，詳細分析了節(jié)段箱梁和膠接縫處的應力分布情況，接縫在荷載作用下的應力狀況均在環(huán)氧樹脂膠允許應力范圍以內(nèi)，對節(jié)段預制拼裝梁的設計和研究提供了一定的參考。