董傳新 杜振華 徐 領(lǐng)
(1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司, 上海 200071; 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 武漢 430063)
高速鐵路具有運(yùn)能大、能耗低、成本低、占地少、污染小、安全性高、全天候等一系列優(yōu)勢(shì), 是交通運(yùn)輸行業(yè)不可或缺的一種交通方式,在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障民生、解決人們?nèi)粘3鲂械确矫嫫鸬搅酥匾淖饔?。但高速鐵路建設(shè)、施工、運(yùn)營(yíng)、維修等過(guò)程中有廢氣、廢渣、噪音等的產(chǎn)生,在可持續(xù)發(fā)展上仍有發(fā)展空間,綠色科技仍需進(jìn)一步加強(qiáng)和深化[1]。
節(jié)段預(yù)制拼裝法是將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為若干節(jié)段塊,在工廠里或橋位附近的預(yù)制場(chǎng)內(nèi)成型后,運(yùn)至橋位現(xiàn)場(chǎng),利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)將各節(jié)段組拼為整體結(jié)構(gòu)的一種施工方法。通俗地說(shuō),是“將天上的澆筑工作請(qǐng)到車間”的一種施工方法[2],具有施工速度快、施工質(zhì)量好、徐變變形小、工廠化和機(jī)械化程度高、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)高速鐵路大量采用標(biāo)準(zhǔn)跨度24 m、32 m的整孔預(yù)制架設(shè)簡(jiǎn)支箱梁,符合工業(yè)化和綠色建造的需求。但截止目前,連續(xù)梁還是大量采用支架現(xiàn)澆或掛籃懸灌法施工,橋位現(xiàn)場(chǎng)工作量大,工業(yè)化和預(yù)制裝配化程度較低。因此,在鐵路連續(xù)梁中,推廣應(yīng)用節(jié)段預(yù)制拼裝法對(duì)提高整個(gè)鐵路橋梁的工業(yè)化和綠色建造水平具有重要的意義。
自20世紀(jì)90年代后期以來(lái),節(jié)段預(yù)制拼裝法建造技術(shù)在鐵路、公路、市政、軌道交通等領(lǐng)域逐漸應(yīng)用開(kāi)來(lái)。上海滬閔二期高架橋工程、上海新瀏河大橋、廣州城市軌道交通4號(hào)線、廈門BRT[3]、廈門集美大橋、蘇通大橋引橋、上海長(zhǎng)江大橋引橋、泉州灣跨海大橋引橋、蕪湖長(zhǎng)江二橋引橋、港珠澳大橋香港接線高架橋等均采用了節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)。2014年竣工的黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是國(guó)內(nèi)首座采用節(jié)段膠拼法建造的大跨度簡(jiǎn)支梁[4],2017年竣工的鄭阜高速鐵路周淮特大橋(40+56+40) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁是國(guó)內(nèi)首座采用節(jié)段預(yù)制膠拼法建造的高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁[5]。京唐高速鐵路潮白新河特大橋(48+80+48) m雙線無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁也采用了節(jié)段預(yù)制膠拼法建造技術(shù)[6]。
連云港至徐州鐵路是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道橫向“陸橋通道”的組成部分,是“十三五”江蘇省開(kāi)工建設(shè)的首個(gè)鐵路項(xiàng)目。其中東海特大橋(32+48+32) m無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用了節(jié)段預(yù)制膠拼法建造。
主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1)鐵路等級(jí):高速鐵路。
(2)設(shè)計(jì)速度:350 km/h。
(3)線路情況:線路縱坡-5.0‰,雙線,線間距5.0 m。
(4)軌道形式:CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道,軌道結(jié)構(gòu)高度738 mm。
(5)環(huán)境類別及作用等級(jí):一般大氣條件下無(wú)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)T2。
(6)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。
(7)施工方法:節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝法施工。
(8)地震烈度:8度,地震動(dòng)峰值加速度0.2g。
東海特大橋(32+48+32)m連續(xù)梁全長(zhǎng)113.5 m,邊支座中心線距離梁端0.75 m,梁縫分界線至梁端0.10 m。邊支座橫橋向中心距4.50 m,中支座橫橋向中心距4.50 m。防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0 m,橋梁寬12.6 m,橋梁總寬12.9 m。
主梁截面為單箱單室等高度斜腹板截面,采用C55混凝土,截面中心處梁高3.035 m;箱梁頂寬12.6 m,底寬5.5 m,頂板厚分別為38.5 cm、63.5 cm,腹板厚分別為48 cm、70 cm、90 cm,底板厚分別為40 cm、60 cm。全橋共設(shè)4道橫隔梁,中支點(diǎn)處設(shè)置厚1.9 m的橫隔梁,邊支點(diǎn)處設(shè)置厚1.05 m的端隔梁。隔板設(shè)有孔洞,供檢查人員通過(guò)。
梁體節(jié)段劃分要考慮設(shè)計(jì)問(wèn)題(如跨度、施工方法等),還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件(如節(jié)段運(yùn)輸能力及吊裝能力等)綜合確定。本橋共劃分為40個(gè)預(yù)制節(jié)段,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)2.8 m,其余節(jié)段長(zhǎng)2.4 m、3.0 m、3.25 m,中墩墩頂節(jié)段重 1 433 kN,邊墩墩頂梁段 1 244 kN,其余節(jié)段最大吊重為919 kN,中跨跨中合龍段長(zhǎng)1 m,采用濕接縫。節(jié)段劃分如圖1所示。
圖1 (32+48+32) m節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁節(jié)段劃分(cm)
本橋接縫采用膠接縫。剪力鍵是膠接縫截面的重要組成部分,主要起輔助定位和提供抗剪能力的作用,常采用密齒型剪力鍵,其構(gòu)造尺寸參照AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》要求辦理。剪力鍵在截面上的布置力求均勻,并盡量避開(kāi)縱向預(yù)應(yīng)力管道,剪力鍵尺寸、位置應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化,以便于端模板的設(shè)計(jì)和重復(fù)利用,節(jié)省模板投入。
環(huán)氧樹脂膠在拼裝過(guò)程中主要起到潤(rùn)滑和調(diào)節(jié)定位的作用,固化后可以對(duì)拼接縫起到密封防水、防止預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕的作用。單面涂膠時(shí),涂抹厚度不大于3 mm,固化所需壓應(yīng)力按0.3 MPa控制。施工時(shí)需要結(jié)合實(shí)際溫度選擇相應(yīng)的產(chǎn)品,在可施膠時(shí)間范圍內(nèi)完成環(huán)氧樹脂膠的涂抹,并及時(shí)施加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力施工完后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清孔,防止孔道被固化后的環(huán)氧樹脂膠堵塞,影響后期預(yù)應(yīng)力穿束和灌漿。
節(jié)段預(yù)制拼裝的工法多樣,大體上可分為逐跨拼裝法、懸臂拼裝法和漸進(jìn)式吊裝法等,每種工法又有多種設(shè)備可供選用。以懸臂拼裝法為例,拼裝設(shè)備可選用橋面吊機(jī)、履帶吊、汽車吊、架橋機(jī)、龍門吊等多種設(shè)備,采用架橋機(jī)施工時(shí)又可采用逐節(jié)段對(duì)稱懸拼、小節(jié)段預(yù)制大節(jié)段懸拼、半聯(lián)滿跨懸拼等多種方法。各種設(shè)備及工法的特點(diǎn)不同,拼裝過(guò)程中的受力特點(diǎn)各不相同,對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束布置也不同,必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及設(shè)備投入情況,確定拼裝方案后才能開(kāi)展設(shè)計(jì)。
最近的預(yù)制梁場(chǎng)距離本橋橋位約2.5 km,無(wú)限高及限寬點(diǎn),具備在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)制造后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼裝的條件。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘和方案研討,最終選用短線法預(yù)制、滿跨上行式架橋機(jī)逐節(jié)段拼裝的施工方案。節(jié)段在簡(jiǎn)支梁預(yù)制場(chǎng)預(yù)制、養(yǎng)護(hù)、匹配,借由社會(huì)道路和施工便道運(yùn)輸運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)對(duì)稱懸臂拼裝。簡(jiǎn)支梁預(yù)制場(chǎng)根據(jù)短線匹配預(yù)制的特點(diǎn)進(jìn)行改擴(kuò)建。
現(xiàn)場(chǎng)拼裝主要施工步驟如下:
(1)搭設(shè)中墩及邊墩墩旁支架,拼裝架橋機(jī),吊裝0號(hào)塊,精調(diào)后墩梁臨時(shí)固結(jié);拼裝架橋機(jī),架橋機(jī)中支腿轉(zhuǎn)移至0號(hào)塊頂面,拆除中墩墩旁支架。
(2)吊裝1號(hào)和1′號(hào)節(jié)段進(jìn)行試拼,試拼合格后,安裝節(jié)段斷面孔道處密封圈,涂抹環(huán)氧樹脂膠,張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力,單側(cè)涂膠,厚度2~3 mm,涂膠前對(duì)箱梁斷面進(jìn)行打磨洗凈和干燥處理,涂膠后至環(huán)氧樹脂膠固化前對(duì)膠接縫進(jìn)行覆蓋,防止雨淋和暴曬。
(3)待環(huán)氧樹脂膠固化后穿鋼絞線,張拉永久預(yù)應(yīng)力鋼束,并及時(shí)進(jìn)行孔道壓漿。
(4)重復(fù)步驟(2)~(3),依次懸拼2~8、2′~8′節(jié)段,并張拉相應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼束。
(5)現(xiàn)澆中跨合龍段,待合龍段混凝土強(qiáng)度及彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%且混凝土齡期不小于 5 d后張拉并錨固中跨合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束并及時(shí)進(jìn)行壓漿。
(6)拆除中墩臨時(shí)固結(jié)體系,轉(zhuǎn)化為永久支座。利用架橋機(jī)同步吊裝兩邊跨9號(hào)節(jié)段,膠拼、臨時(shí)張拉、待環(huán)氧膠完全固化后,張拉相應(yīng)永久鋼束并及時(shí)壓漿。
(7)對(duì)邊墩墩旁托架進(jìn)行預(yù)壓,預(yù)壓合格后,在托架上拼裝邊跨10、11號(hào)節(jié)段。
最大懸臂施工階段和邊跨9號(hào)節(jié)段懸拼階段為整個(gè)施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)最高的階段。最大懸臂施工階段控制中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)的設(shè)計(jì),應(yīng)注意避開(kāi)大風(fēng)惡劣天氣,減少橋面不對(duì)稱堆載,并通過(guò)控制節(jié)段預(yù)制尺寸誤差等措施來(lái)減小不平衡彎矩,降低風(fēng)險(xiǎn)。節(jié)段懸拼過(guò)程中,在相應(yīng)節(jié)段永久預(yù)應(yīng)力筋張拉前,節(jié)段重量應(yīng)全部由架橋機(jī)承受,待永久預(yù)應(yīng)力張拉完成后方可脫鉤。若節(jié)段吊桿力控制不到位,節(jié)段自重傳遞至已成型結(jié)構(gòu)上,會(huì)造成已施工接縫開(kāi)裂。以9號(hào)節(jié)段懸拼為例,此時(shí)結(jié)構(gòu)受力體系為伸臂梁體系,9號(hào)節(jié)段自重會(huì)在中跨跨中上緣產(chǎn)生拉應(yīng)力,拉應(yīng)力最大值約2.9 MPa,極易造成中跨跨中接縫處開(kāi)裂,必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的張拉和脫鉤順序進(jìn)行施工。
本項(xiàng)目的主要特點(diǎn)為:
(1)該項(xiàng)目是我國(guó)高速鐵路首座采用短線法節(jié)段預(yù)制、懸臂拼裝的連續(xù)梁項(xiàng)目,線形控制要求較高。
(2)邊跨均為預(yù)制節(jié)段,無(wú)濕接縫及現(xiàn)澆段,僅在中跨跨中設(shè)置濕接縫用于調(diào)整懸拼線型,避免邊跨設(shè)置支架進(jìn)行現(xiàn)澆施工。
(3)采用滿跨上行式架橋機(jī)進(jìn)行雙T構(gòu)同步懸臂膠拼施工,避免了頂推移動(dòng),提高了施工功效,降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。
(4)邊跨節(jié)段預(yù)制節(jié)段在墩旁托架上進(jìn)行拼裝,取消了落地支架,既節(jié)省了支架地基處理費(fèi)用,又對(duì)高墩及不便于搭設(shè)落地支架情況下的節(jié)段懸拼進(jìn)行了有益探索。
本梁采用懸臂拼裝施工,施工階段受力與懸灌梁相同,故預(yù)應(yīng)力布置與懸灌梁一樣,采用了腹板束、頂板束和底板束。相比懸灌梁,本梁腹板束采用了19-7φ5的大規(guī)格預(yù)應(yīng)力鋼束,以減少每個(gè)腹板上的腹板束數(shù)量,便于布置腹板剪力鍵。在懸臂節(jié)段底板布置了4束12-7φ5的永久預(yù)應(yīng)力鋼束,并采用連接器接長(zhǎng),以滿足施工階段接縫壓應(yīng)力儲(chǔ)備要求。
0號(hào)節(jié)段的預(yù)制精度和定位控制對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的線形影響較大。本橋施工階段最大懸臂長(zhǎng)23 m,0號(hào)塊豎向定位角度若發(fā)生0.1°的誤差,將導(dǎo)致合攏口產(chǎn)生40 mm的豎向位移,施工時(shí)必須高度重視。0號(hào)塊的預(yù)制精度主要通過(guò)控制模板的尺寸和定位精度來(lái)保證,預(yù)制時(shí),在對(duì)應(yīng)墩頂預(yù)埋φ32 mm的精軋螺紋鋼位置預(yù)埋φ60×4 mm鋼管,待墩頂預(yù)埋精軋螺紋鋼穿過(guò)預(yù)埋鋼管后,再在墩頂進(jìn)行0號(hào)塊的精調(diào)。0號(hào)段放置于4套微調(diào)三向千斤頂裝置上,微調(diào)千斤頂下設(shè)置臨時(shí)支墩,千斤頂上加墊厚鋼板,待高程及縱橫向位置調(diào)整至誤差范圍后,與橋墩臨時(shí)錨固。臨時(shí)錨固措施在中跨合龍后拆除,拆除時(shí),先燒除臨時(shí)支墩中部的硫磺水泥砂漿,松開(kāi)錨固鋼筋,再鑿除墩頂臨時(shí)支墩混凝土。中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造及微調(diào)千斤頂平面布置如圖2所示。
圖2 中墩墩梁臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造及微調(diào)千斤頂平面布置圖(cm)
(1)箱梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)安全系數(shù)及各階段應(yīng)力控制如表1所示。
(2)參考美國(guó)AASHTO《節(jié)段混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》,環(huán)氧樹脂膠接縫截面抗彎強(qiáng)度取0.95的折減系數(shù),抗剪強(qiáng)度取0.9的折減系數(shù)[7]。
(3)撓度及梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算時(shí),梁體剛度按0.90進(jìn)行折減。整個(gè)施工過(guò)程中,環(huán)氧樹脂接縫截面壓應(yīng)力不小于0.5 MPa。運(yùn)營(yíng)節(jié)段膠接縫截面壓應(yīng)力儲(chǔ)備不小于1.0 MPa。
(4)驗(yàn)算膠接縫截面的抗裂安全系數(shù)時(shí),忽略環(huán)氧膠與混凝土的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度,僅作為抗裂性能的安全儲(chǔ)備[8]。
(1)截面受力
運(yùn)營(yíng)階段全梁控制截面和膠接縫截面的計(jì)算結(jié)果分別如表2和表3所示。
(2)梁部豎向撓度
列車豎向靜活載作用下,邊跨最大豎向位移-4.4 mm,為跨度的 1/7 272;中跨最大豎向位移 -11.7 mm,為跨度的 1/4 102。最大梁端轉(zhuǎn)角為0.466‰,均滿足規(guī)范要求。
列車豎向靜活載作用下產(chǎn)生的撓度值與0.5倍溫度引起的撓度值之和為-14.85 mm,為跨度的 1/3 232;0.63倍列車豎向靜活載作用下產(chǎn)生的撓度值與全部倍溫度引起的撓度值之和為-14.63 mm, 為跨度的 1/3 281,滿足規(guī)范要求。
表1 設(shè)計(jì)安全系數(shù)及各階段應(yīng)力控制表
(3) 工后徐變變形
節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁梁體殘余徐變變形最大值0.7 mm,懸灌施工連續(xù)梁殘余徐變變形值最大值3.8 mm。預(yù)制節(jié)段存梁時(shí)間按不小于28 d控制,遠(yuǎn)大于懸灌施工時(shí)混凝土不小于7 d的加載齡期要求。梁體徐變變形值遠(yuǎn)小于懸灌梁,為采用短線法預(yù)制和節(jié)段懸拼提供了有利的條件。
從以上計(jì)算結(jié)果可知,采用與原設(shè)計(jì)(32+48+32) m懸灌梁相同的外輪廓尺寸及梁高,可滿足節(jié)段預(yù)制拼裝法施工的需求。
與濕拼梁或現(xiàn)澆梁相比,節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁對(duì)施工質(zhì)量和耐久性要求更高。節(jié)段接縫及管道壓漿密實(shí)性對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝橋梁的耐久性影響最為突出。既要保證接縫截面在整個(gè)施工及運(yùn)營(yíng)階段均有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備,又要保證接縫處的密閉性和預(yù)應(yīng)力管道灌漿的密實(shí)性。特別是管道壓漿環(huán)節(jié),必須嚴(yán)格按《鐵路混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)工藝要求,采用真空輔助壓漿工藝,以提高管道灌漿的密實(shí)性。
接縫截面預(yù)應(yīng)力管道接頭采用密封墊圈+涂膠方法,可滿足管道密封性要求。密封墊圈可采用閉孔發(fā)泡聚乙烯墊圈,也可采用橡膠墊圈。同時(shí),為了進(jìn)一步提高接縫處耐久性,應(yīng)注意做好接縫處的防排水設(shè)計(jì)。接縫防水采用多重防護(hù)體系: (1)每個(gè)膠接縫沿箱梁四周內(nèi)外側(cè)各刷5 cm寬與混凝土顏色一致的聚氨酯防水涂料,防水涂料厚1.5 mm,抗拉強(qiáng)度6 MPa;(2)采用與橋面鋪裝防水層一致的材料,先在節(jié)段拼接縫處頂板涂1層,再施工整個(gè)橋面防水層。
表2 運(yùn)營(yíng)階段全梁控制截面計(jì)算結(jié)果表
表3 運(yùn)營(yíng)階段膠接縫截面計(jì)算結(jié)果表
節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁和掛籃懸臂澆筑施工連續(xù)梁的主要工程數(shù)量對(duì)比,如表4所示。
表4 主要工程數(shù)量對(duì)比表
與掛籃懸臂澆筑施工的連續(xù)梁相比,(32 +48 +32) m節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁的混凝土用量、預(yù)應(yīng)力筋及普通鋼筋含筋量均要大得多,主要原因?yàn)椋?/p>
(1)節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中壓應(yīng)力儲(chǔ)備均較懸灌梁要大。預(yù)應(yīng)力度高,接縫截面抗彎及抗剪強(qiáng)度均進(jìn)行了折減,且接縫截面抗裂性計(jì)算時(shí)未考慮環(huán)氧樹脂膠與混凝土的抗拉強(qiáng)度,主梁腹板厚度增加,預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量也有所增加。
(2)節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁在斷面附近普通鋼筋有所加強(qiáng),吊點(diǎn)位置需增設(shè)受力所需鋼筋且吊點(diǎn)數(shù)量較多,因此普通鋼筋含筋率也較懸灌梁大。
此外,節(jié)段拼接過(guò)程中還需要配套采用環(huán)氧樹脂膠、臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉臺(tái)座、精軋螺紋鋼等,且涉及到預(yù)制場(chǎng)改擴(kuò)建、施工便道加固等,雖在工期上有一定的優(yōu)勢(shì),但總體費(fèi)用偏高,需達(dá)到一定的建設(shè)規(guī)模才可體現(xiàn)出其優(yōu)越性。
目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)高速鐵路連續(xù)梁的預(yù)制裝配技術(shù)開(kāi)展的研究還較少[9],新建連云港至徐州高速鐵路東海特大橋(32+48+32) m雙線無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁是我國(guó)首座采用短線法節(jié)段預(yù)制、對(duì)稱懸臂膠拼的連續(xù)梁,是節(jié)段拼裝技術(shù)在國(guó)內(nèi)高速鐵路連續(xù)梁中的一次有益補(bǔ)充和嘗試,為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)鐵路橋梁工業(yè)化、預(yù)制裝配化建造水平積累了設(shè)計(jì)、施工和管理經(jīng)驗(yàn),研究成果可供類似工程參考。在鐵路連續(xù)梁中推廣應(yīng)用節(jié)段預(yù)制拼裝工藝,對(duì)于提高鐵路建設(shè)的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化水平,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和綠色發(fā)展具有重要的意義,應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)研究,提高其經(jīng)濟(jì)性。