等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁無濕接縫逐跨拼裝技術(shù)

蘇偉，周岳武，張悅，左家強(qiáng)

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

節(jié)段預(yù)制膠拼梁是利用預(yù)應(yīng)力鋼絞線的預(yù)壓力將預(yù)制節(jié)段拼裝成整體，節(jié)段間整個(gè)接觸面涂抹環(huán)氧樹脂膠密封。該工藝于20世紀(jì)60年代在法國誕生，目前已經(jīng)在包含我國公路、市政、軌道交通等領(lǐng)域的世界范圍橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用［1-4］。膠拼梁在我國鐵路橋梁應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代的成昆鐵路舊莊河1號橋和孫水河5號橋［5］，1997年竣工的石長鐵路湘江特大橋再次得到應(yīng)用，從2014年竣工的黃韓侯鐵路芝水溝大橋后逐步得到推廣，2017年建成的鄭阜鐵路周淮特大橋是我國第1座高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁［6］。因其在施工速度、建設(shè)質(zhì)量以及環(huán)保等方面的優(yōu)點(diǎn)，目前在連徐、京唐等高速鐵路連續(xù)梁項(xiàng)目中推廣應(yīng)用［7-9］。

1 工程概況

新建鄭州—濟(jì)南高速鐵路設(shè)計(jì)速度350 km/h，設(shè)計(jì)活載為ZK荷載。根據(jù)黃河防洪評價(jià)批復(fù)意見，長清黃河特大橋邊灘范圍跨度不應(yīng)小于55 m，為減小施工對環(huán)境的影響，181號墩—247號墩間（改DK38+497.87—改DK42+193.87）采用22聯(lián)3×56 m等跨預(yù)制膠拼預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨越黃河邊灘，膠拼連續(xù)梁橋長3.7 km，為目前國內(nèi)鐵路最大規(guī)模的預(yù)制拼裝連續(xù)梁項(xiàng)目。

梁體位于2.0‰的縱坡上，橋位處曲線半徑5 500 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。歷年最熱月平均氣溫和最冷月平均氣溫分別為27.5、-0.4℃，歷年年平均氣溫14.7℃，年平均相對濕度66%。地震烈度Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.1g。

2 等跨連續(xù)梁孔跨布置研究

中等跨度連續(xù)梁相比同跨度的簡支梁梁高矮，與相鄰32 m簡支梁順接景觀性好，單延米圬工量少。如銀西高鐵漠谷河2號特大橋56 m（計(jì)算跨徑53.8 m）節(jié)段預(yù)制膠拼簡支梁［10］，梁高5.1 m，單延米混凝土用量為14.8 m3。

四跨及其以上一聯(lián)連續(xù)梁，由于溫度跨度較大，需要設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器，為避免橋上設(shè)置大量軌道伸縮調(diào)節(jié)器故主要研究兩跨一聯(lián)連續(xù)梁和三跨一聯(lián)連續(xù)梁。

為實(shí)現(xiàn)梁部采用100%預(yù)制拼裝的方案，兩跨一聯(lián)連續(xù)梁相比三跨一聯(lián)連續(xù)梁在施工工藝上實(shí)現(xiàn)起來相對容易，可通過1次或者多次對稱懸臂拼裝（見圖1）。

圖1 兩跨一聯(lián)連續(xù)梁對稱懸臂拼裝示意圖

假定單跨跨度長l，作用在梁部的荷載為均布荷載，荷載集度q，EI為梁的抗彎剛度。對簡支梁、兩跨一聯(lián)連續(xù)梁和三跨一聯(lián)連續(xù)梁受力進(jìn)行對比分析，結(jié)構(gòu)圖式見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)圖式

各結(jié)構(gòu)主要受力及變形見表1。

表1 各結(jié)構(gòu)受力及變形

從受力來看，兩跨一聯(lián)連續(xù)梁的支點(diǎn)負(fù)彎矩與簡支梁的最大正彎矩一樣，是三跨一聯(lián)連續(xù)梁支點(diǎn)彎矩的1.25倍，但其邊跨跨中彎矩只有三跨的0.875倍。梁端轉(zhuǎn)角及變形，兩跨一聯(lián)連續(xù)梁均較三跨一聯(lián)連續(xù)梁小，分別為三跨的0.884倍和0.770倍。

綜上所述，兩跨一聯(lián)和三跨一聯(lián)連續(xù)梁均可采用?？紤]到兩跨一聯(lián)連續(xù)梁相較于三跨一聯(lián)連續(xù)梁支點(diǎn)負(fù)彎矩更大，受力更為不利，對預(yù)應(yīng)力布置、構(gòu)造設(shè)計(jì)影響更大，因此在本項(xiàng)目采用三跨一聯(lián)連續(xù)梁的布置形式。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁計(jì)算跨度為（55.075+56+55.075）m，邊支座中心線距離梁端0.85 m，梁長167.85 m，單側(cè)梁縫0.075 m。采用等高預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，截面中心梁高4.215 m，高跨比1/13.3。主梁立面布置見圖3。

圖3 1/2主梁立面布置

主梁截面形式為單箱單室斜腹板箱梁，跨中及中支點(diǎn)橫斷面見圖4。箱梁頂寬12.6 m，底寬5.5 m，懸臂長2.95 m。箱梁頂板厚0.38 m，邊支點(diǎn)局部加厚到0.63 m；底板厚0.4 m，支點(diǎn)位置局部加厚到0.6 m；腹板厚0.5~0.7~0.9 m，按折線變化，邊支點(diǎn)處0.8 m。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)處設(shè)橫隔板，橫隔板設(shè)孔洞，供檢查人員通過。主梁采用C60混凝土，單聯(lián)梁混凝土用量為2 260 m3。

圖4 典型位置主梁橫斷面

3.2 節(jié)段劃分

梁體節(jié)段劃分須結(jié)合節(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，預(yù)制節(jié)段長度主要有4.5 m和4.8 m 2種，設(shè)有隔板的0號段和梁端節(jié)段分別長3.5 m和3.775 m，節(jié)段質(zhì)量分別為197.8 t和172.4 t，其余預(yù)制節(jié)段最大質(zhì)量178.8 t，每聯(lián)梁37個(gè)預(yù)制節(jié)段，全橋共814個(gè)預(yù)制節(jié)段，不設(shè)濕接縫及現(xiàn)澆合龍段。

3.3 剪力鍵布置

接縫面剪力鍵形狀為傾角45°梯形截面，高度5 cm；腹板剪力鍵采用密鍵布置形式，頂寬5、10 cm，根部寬15、20 cm；頂、底板剪力鍵采用較大的疏鍵，頂、底板剪力鍵頂寬5、10 cm或20 cm，根部寬15、20 cm或30 cm，無砟軌道板范圍內(nèi)盡可能布設(shè)頂板剪力鍵。

3.4 梁端節(jié)段

梁端節(jié)段頂部設(shè)0.25 m長的懸臂板以滿足施工時(shí)操作空間需要，懸臂范圍內(nèi)的邊跨頂板預(yù)應(yīng)力采用單端張拉，以減小在懸臂構(gòu)造范圍上預(yù)應(yīng)力錨槽尺寸，保障懸臂板的整體受力；底部支座位置局部設(shè)0.15 m長的懸臂塊，既能滿足梁端支座布置需要，又不妨礙拼裝過程中節(jié)段錯(cuò)位的空間需求。梁端節(jié)段結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 梁端節(jié)段結(jié)構(gòu)示意圖

4 拼裝方案及預(yù)應(yīng)力布置

4.1 拼裝方案

分別對下述2種拼裝方案進(jìn)行對比分析。

（1）方案1：一次半聯(lián)滿掛拼裝。

與鄭阜鐵路周淮特大橋拼裝工藝同樣［6］，具體拼裝順序?yàn)椋阂宦?lián)連續(xù)梁分2次拼裝，最后在中跨跨中現(xiàn)澆合龍。一聯(lián)連續(xù)梁典型拼裝工序示意見圖6。

圖6 一次半聯(lián)滿掛拼裝示意圖

（2）方案2：無濕接縫逐跨拼裝。

為提高標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化作業(yè)程度，減少現(xiàn)場工作量，提高施工效率和施工質(zhì)量，研究采用無濕接縫逐跨拼裝工藝，接力拼縫位置設(shè)置在每孔1/4跨反彎點(diǎn)處，施工誤差通過支撐墊石的錨栓孔以及砂漿墊層厚度來調(diào)整。主要施工步驟見圖7，步驟②中的0號段拼裝時(shí)和其他節(jié)段一樣吊掛在橋機(jī)上。

圖7 逐跨拼裝施工步驟示意圖

方案1減少了節(jié)段拼裝過程中的鋼束張拉過程，避免了節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力錨槽，線形控制相對簡單，但由于設(shè)置了跨中現(xiàn)澆合龍段，現(xiàn)場工作量更大。方案2全梁無任何濕接縫及現(xiàn)澆合龍段，能減少現(xiàn)場作業(yè)量，提高作業(yè)效率和施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了梁部的100%預(yù)制拼裝，但線形控制要求更高。2個(gè)方案都是一次拼裝多個(gè)預(yù)制節(jié)段，均存在天車脫鉤轉(zhuǎn)換為橋機(jī)節(jié)段吊桿受力的過程。2種施工方案對比見表2。綜合考慮，項(xiàng)目采用方案2。

表2 （48+80+48）m連續(xù)梁2種拼裝方案對比

4.2 預(yù)應(yīng)力布置

設(shè)計(jì)全部采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，為滿足剪力鍵的布置需求，應(yīng)用了較大規(guī)格的預(yù)應(yīng)力型號，頂、底板預(yù)應(yīng)力型號主要為22-7φ5 mm和25-7φ5 mm，腹板束采用17-7φ5 mm和22-7φ5 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，底板通長接力設(shè)置了2根預(yù)應(yīng)力鋼束。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。一聯(lián)梁縱橋向預(yù)應(yīng)力用量為117.84 t，預(yù)應(yīng)力含量52.1 kg/m3。

由于拼裝方案的不對稱，預(yù)應(yīng)力盡可能對稱布置，減少因預(yù)應(yīng)力齒塊對節(jié)段類型的影響，提高預(yù)制模板的利用率。

4.3 拼裝注意事項(xiàng)

拼裝過程中，應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

（1）節(jié)段安裝完、永久預(yù)應(yīng)力張拉前，應(yīng)采取有效措施確保各節(jié)段的自重均由造橋機(jī)承受，防止未張拉永久預(yù)應(yīng)力的膠縫面受力開裂。

（2）節(jié)段間膠縫施工應(yīng)采取合理的施工工藝，預(yù)應(yīng)力張拉前，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化，并采取防暴曬、防雨（雪）措施。

（3）預(yù)應(yīng)力張拉過程中，務(wù)必確保已安裝節(jié)段的支座參與受力。

（4）節(jié)段拼裝過程中，采取有效措施避免已拼裝結(jié)構(gòu)的橋面溫差對后續(xù)待拼裝節(jié)段的不利影響，并加強(qiáng)監(jiān)控。

5 結(jié)構(gòu)檢算

建立有限元模型，分別對運(yùn)營狀態(tài)、造橋機(jī)過孔、節(jié)段運(yùn)梁等工況進(jìn)行檢算。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)拆除部分節(jié)段吊桿?？紤]曲線單側(cè)有、無聲屏障情況，二期恒載分別為145.0 kN/m和137.8 kN/m，預(yù)制節(jié)段存梁時(shí)間不小于45 d。運(yùn)營工況主要計(jì)算結(jié)果情況如下：

（1）剛度及徐變變形。梁體剛度按0.9進(jìn)行折減，靜活載作用下梁體最大撓度15.1 mm，撓跨比為1/3 647，最大梁端轉(zhuǎn)角0.867‰，均滿足規(guī)范要求。

梁體殘余徐變變形值為：邊跨3.6 mm，中跨0.7 mm。由于加載齡期較長，殘余徐變變形相對較小，有利于高速鐵路行車的舒適性。

（2）膠接縫截面應(yīng)力計(jì)算。膠接縫截面建設(shè)、運(yùn)營全過程均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，并保證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（見表3）。

表3 運(yùn)營狀態(tài)膠接縫截面應(yīng)力結(jié)果 MPa

（3）膠接縫正截面抗裂計(jì)算。膠接縫正截面抗裂計(jì)算時(shí)，對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fct按照0.3進(jìn)行折減［9］。最小抗裂安全系數(shù)為1.2，滿足規(guī)范要求。主附工況全梁膠接縫正截面抗裂安全系數(shù)情況見圖8（大于5的圖中均按照5顯示）。

圖8 主附工況膠接縫截面正截面抗裂安全系數(shù)

（4）膠接縫斜截面抗裂計(jì)算。主力工況膠接縫斜截面最大主拉應(yīng)力為1.9 MPa，主力+附加力工況膠接縫斜截面最大主拉應(yīng)力為2.1 MPa，小于0.7×3.5=2.45 MPa，滿足要求［9］。

（5）膠接縫截面抗彎強(qiáng)度計(jì)算。膠接縫截面最小計(jì)算抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)：主力工況為2.3，不小于2.1；主力+附加力工況為2.2，不小于1.9，滿足要求［9］。主附工況全梁膠接縫正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)情況見圖9。

圖9 主附工況膠接縫截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)

（6）膠接縫抗剪強(qiáng)度計(jì)算。采用基于混凝土剪-壓復(fù)合強(qiáng)度準(zhǔn)則的計(jì)算方法對膠接縫截面抗剪強(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，并結(jié)合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。膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)：主力工況為2.4，不小于2.2；主力+附加力工況為2.35，不小于2.0，滿足要求［9］。主附工況全梁膠接縫抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)情況見圖10。

圖10 主附工況膠接縫截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)

6 結(jié)論

依托新建鄭州—濟(jì)南高速鐵路長清黃河特大橋，對等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁無濕接縫逐跨拼裝技術(shù)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

（1）首次提出連續(xù)梁無濕接縫逐跨拼裝工藝，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)梁梁部預(yù)制拼裝率100%。

（2）首次在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用等跨度節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁，是目前國內(nèi)鐵路最大規(guī)模的預(yù)制拼裝連續(xù)梁項(xiàng)目。

（3）高速鐵路中等跨度等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制拼裝，可采用三跨一聯(lián)或兩跨一聯(lián)布置。

（4）拼裝過程中應(yīng)采取合理的施工工藝，嚴(yán)格控制節(jié)段安裝、預(yù)應(yīng)力張拉、節(jié)段間膠縫施工，并加強(qiáng)監(jiān)控，避免結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化。