城際鐵路64 m節(jié)段預(yù)制膠接箱梁關(guān)鍵技術(shù)研究★

吳慧彥，雷玉輝

(陜西西閻城際鐵路有限公司，陜西 西安 710054)

節(jié)段預(yù)制膠接拼裝建橋技術(shù)，在國外已比較成熟，逐漸成為節(jié)段拼裝橋梁的主要施工方法[1]。在國內(nèi)，目前現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)膠接縫拼裝尚無明確的設(shè)計(jì)規(guī)定，雖然近年來公路及城市軌道交通行業(yè)已對(duì)節(jié)段預(yù)制膠接拼裝施工橋梁進(jìn)行了一些試點(diǎn)，但目前相應(yīng)的成套技術(shù)研究試驗(yàn)資料還是不盡完善。

黃韓侯鐵路芝水溝特大橋64 m和48 m預(yù)應(yīng)力混凝土膠接縫節(jié)段預(yù)制拼裝簡(jiǎn)支箱梁試點(diǎn)建設(shè)成功實(shí)施完成[2]。目前膠接技術(shù)已在田桓鐵路、拉林鐵路、銀西高鐵、鄭阜客專等鐵路橋梁中應(yīng)用。

為推動(dòng)城際鐵路橋梁建造技術(shù)科技進(jìn)步，提倡綠色環(huán)保理念，推廣膠接縫節(jié)段拼裝建造技術(shù)[3]，形成城際鐵路自主知識(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)，盡快與國際接軌，通過涇河特大橋試點(diǎn)開展的節(jié)段預(yù)制膠接拼裝設(shè)計(jì)、施工及配套科研工作顯得尤為迫切和必要。

1 項(xiàng)目概況

閻機(jī)城際鐵路涇河特大橋全橋長(zhǎng)2 258.9 m，最大橋高50 m，中心里程：DK48+589，橋址處百年設(shè)計(jì)流量Q1%=15 400 m3/s，位于渭河沖積平原區(qū)，地形平坦開闊?？卓缡綐樱?9-32 m簡(jiǎn)支箱梁+19-64 m簡(jiǎn)支箱梁+1-32 m簡(jiǎn)支箱梁，跨越?jīng)芎又骱硬鄄捎?4 m節(jié)段拼裝簡(jiǎn)支箱梁，為城際鐵路最大跨度預(yù)制膠接法拼裝箱梁。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)鐵路等級(jí)：城際鐵路。2)正線數(shù)目：雙線，線間距4.6 m。3)速度目標(biāo)值：250 km/h。4)軌道：有砟軌道。5)設(shè)計(jì)荷載：ZK活載，其中橋面板、橫梁等橫向計(jì)算采用ZK特種活載。

2 19-64 m節(jié)段拼裝簡(jiǎn)支梁方案

2.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

梁體采用單箱、單室等高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。梁高5.80 m，梁長(zhǎng)66.3 m，梁頂寬12.45 m，底寬6.7 m，箱梁端部支點(diǎn)位置橫向支座間距5.2 m，梁高5.8 m。采用C60混凝土預(yù)制[4]。箱梁結(jié)構(gòu)尺寸如圖1,圖2所示。

2.2 預(yù)制梁段劃分

節(jié)段箱梁計(jì)算跨度64 m，每跨奇數(shù)分塊，跨中不設(shè)接縫，對(duì)稱布置[5]。預(yù)制梁段長(zhǎng)度分3.3 m，4.5 m，4.9 m三種，分為15個(gè)梁段，有14個(gè)接縫，共計(jì)285個(gè)節(jié)段。最重梁段達(dá)250 t，梁體總重2 743 t。

2.3 剪力鍵設(shè)計(jì)

箱梁剪力鍵的抗彎強(qiáng)度按美國《AASHTO節(jié)段混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》取0.95折減系數(shù)[6]，折減后抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2；抗剪強(qiáng)度按美國規(guī)范取0.90折減系數(shù)，折減后抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)不小于1.2；抗裂安全系數(shù)不小于1.2，按不考慮接縫處混凝土拉應(yīng)力計(jì)算[7]。

接縫面剪力鍵按密鍵形式布置，剪力鍵采用梯形[8]，鍵頂寬5 cm，鍵根部寬15 cm，鍵高5 cm。擠膠槽口深1 cm，寬2 cm。剪力鍵布置和空間計(jì)算模型見圖3，圖4。

為保證剪力鍵質(zhì)量，在箱梁預(yù)制中使用振動(dòng)混凝土攪拌站，創(chuàng)造性地將混凝土振動(dòng)攪拌技術(shù)應(yīng)用于箱梁節(jié)段的預(yù)制上，能有效提高剪力鍵混凝土強(qiáng)度和耐久性。

2.4 節(jié)段拼裝施工方法

箱梁采用節(jié)段預(yù)制拼裝法施工，接縫采用膠接縫而非濕接縫[9]。在SPZ型2700tA3移動(dòng)支架造橋機(jī)上整孔組拼，整孔張拉預(yù)應(yīng)力施工。施工質(zhì)量控制及安全防護(hù)是本工程的難點(diǎn)。

2.4.1 節(jié)段拼裝主要工藝

1)節(jié)段運(yùn)輸及吊裝。

梁場(chǎng)250 t龍門吊機(jī)吊裝節(jié)段到輪胎式運(yùn)輸車，運(yùn)梁車運(yùn)梁至造橋機(jī)尾部，造橋機(jī)上的回轉(zhuǎn)天車通過縱移、升降、旋轉(zhuǎn)，將節(jié)段擺放到設(shè)計(jì)位置，所有節(jié)段全部吊裝就位后開始涂膠拼裝。

2)節(jié)段梁定位。

a.首節(jié)段的調(diào)整及固定。

首節(jié)段是整孔梁的起點(diǎn)，首節(jié)段的線型直接控制著整孔梁的線型，故在其安裝時(shí)，首先精確定位首節(jié)段。

預(yù)制時(shí)在梁頂埋設(shè)好高程控制點(diǎn)以及中線控制點(diǎn)，計(jì)算出實(shí)際安裝所需的坐標(biāo)。拼裝時(shí)通過測(cè)量調(diào)整使6個(gè)控制點(diǎn)準(zhǔn)確就位。

通過梁底三維定位小車將首節(jié)段調(diào)整到設(shè)計(jì)位置，然后將首節(jié)段與橋墩和已成梁固定。

b.其余節(jié)段調(diào)整。

以首個(gè)節(jié)段的標(biāo)高為標(biāo)準(zhǔn)，在其余節(jié)段定位過程中利用6點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行線型控制。

3)涂膠施工。

接縫面涂膠時(shí)應(yīng)自上而下，快速均勻進(jìn)行。厚度控制在3 mm，且不出現(xiàn)斷膠現(xiàn)象。

4)拼裝。

拼裝時(shí)，調(diào)整節(jié)段的標(biāo)高和中線位置，安裝精軋螺紋鋼，用4臺(tái)100 t穿心千斤頂同時(shí)施力。

5)臨時(shí)張拉。

臨時(shí)張拉一是固定節(jié)段，保證在永久預(yù)應(yīng)力張拉前，節(jié)段之間不會(huì)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)；二是提供膠體凝結(jié)所需的壓力。為此還特殊加工制作了鋼錨塊，安裝在節(jié)段頂?shù)装孱A(yù)留孔洞起臨時(shí)張拉支座作用。

接縫面涂膠過程中，提前做好臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉準(zhǔn)備工作。精軋螺紋鋼、張拉千斤頂、張拉油泵準(zhǔn)備到位。張拉工作在環(huán)氧膠尚未凝結(jié)前開始。

6)預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿束與張拉。

為提高穿鋼絞線的效率，采用卷揚(yáng)機(jī)牽引穿束。預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和規(guī)范進(jìn)行。

2.4.2 造橋機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

造橋機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1)增改了結(jié)構(gòu)新穎的回轉(zhuǎn)天車，確保節(jié)段移動(dòng)靈活及任意角度的旋轉(zhuǎn)。天車走行部分采用變頻調(diào)速技術(shù)，在梁段的起升、移運(yùn)、回轉(zhuǎn)、橫移等過程中，能夠運(yùn)行平穩(wěn)、對(duì)位準(zhǔn)確、操作靈活方便。節(jié)段可在空中任意調(diào)整位置，保證順利安裝。

2)造橋機(jī)采用上行式桁架結(jié)構(gòu)，節(jié)段采用懸吊支撐方式[10]。首末孔可直接架設(shè)，不用其他輔助工程和設(shè)備，且不受墩寬和梁寬限制，可滿足最大64 m不同跨度雙線簡(jiǎn)支梁節(jié)段拼裝。

3)雙承重梁、變截面桁架結(jié)構(gòu)形式，既可以滿足大跨度、大噸位簡(jiǎn)支箱梁的承重要求，還可以保證縱橫向整體穩(wěn)定性。

4)造橋機(jī)兩跨邁步過孔。造橋機(jī)通過前、中、后支腿支撐在混凝土橋墩或既有混凝土梁上，過孔時(shí)通過自動(dòng)倒運(yùn)支腿。邁步式過孔，操作安全靈活。

5)運(yùn)梁車實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，可作為造橋機(jī)后支點(diǎn)小車用于過孔，運(yùn)梁車自帶動(dòng)力，主要功能是從預(yù)制梁場(chǎng)運(yùn)送梁段至造橋機(jī)，同時(shí)也可以在造橋機(jī)前移過孔時(shí)當(dāng)做后支點(diǎn)小車。

6)建立梁段懸吊體系、調(diào)梁信息系統(tǒng)。每個(gè)吊桿配置測(cè)力傳感器，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)測(cè)試每個(gè)吊桿受力大小。通過吊桿上配置的穿心千斤頂調(diào)整吊桿受力，同時(shí)還能完成梁段標(biāo)高的微調(diào)，使梁段精確就位。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

膠拼梁梁高及預(yù)應(yīng)力度較相同跨度濕拼梁增大，梁高增加的混凝土量約為1.6%，預(yù)應(yīng)力增加約5%。由于預(yù)應(yīng)力度提高，主拉應(yīng)力降低，可取消豎向預(yù)應(yīng)力，但要增加環(huán)氧膠費(fèi)用。另外，膠拼梁無需在支架上現(xiàn)澆混凝土，節(jié)省工序和混凝土養(yǎng)生時(shí)間[11]。

膠拼梁的施工工藝較濕拼梁復(fù)雜，但機(jī)械設(shè)備利用率高，從單純工程量比較，兩者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)基本相當(dāng)。但膠拼梁工期大大縮短，由此引起的管理費(fèi)、人員、機(jī)械設(shè)備窩工及租賃折舊費(fèi)用則大為減少，經(jīng)濟(jì)效益大為增加。當(dāng)橋梁為控制性工程時(shí)，提前竣工通車帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益則更為巨大。

64 m簡(jiǎn)支膠拼箱梁每延米造價(jià)約為6.98萬元，而64 m T構(gòu)每延米造價(jià)約為7.73萬元。膠拼梁比濕拼梁和同等跨度連續(xù)梁在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。但節(jié)段拼裝梁一般要在10孔以上才能顯示出其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，單純少量孔數(shù)沒有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3 膠接工藝

膠接縫處涂刷環(huán)氧密封膠，為避免孔道堵塞，需在孔道處采取處理措施，確保密封性能，這是膠接拼裝箱梁的關(guān)鍵技術(shù)[12]。對(duì)節(jié)段之間膠縫所用無溶劑型雙組分觸變性橋梁專用環(huán)氧黏結(jié)劑，委托第三方進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

環(huán)氧膠在節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)中具有密封及防水作用，可彌補(bǔ)預(yù)制混凝土接縫面輕微不平整現(xiàn)象，同時(shí)起到潤(rùn)滑作用。環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑未固化前為黏稠狀態(tài)，拼接時(shí)因環(huán)氧黏結(jié)劑的潤(rùn)滑作用使剪力鍵滑進(jìn)定位，便于拼裝時(shí)節(jié)段定位準(zhǔn)確。

環(huán)氧密封膠應(yīng)有較好的施工性能，易于涂刮而無流掛，同時(shí)具有良好的耐老化、耐強(qiáng)堿腐蝕性能，與混凝土顏色保持一致，滿足冬季低溫和夏季高溫氣候條件下拼裝施工需求。

涂膠應(yīng)采用雙面施工，接縫面兩側(cè)各涂刷1.5 mm厚，且不出現(xiàn)斷膠現(xiàn)象。環(huán)氧密封膠觸變性要求在任何溫度下，涂抹厚度超過6 mm時(shí)，無滴落、無流掛。

4 長(zhǎng)短線結(jié)合工法創(chuàng)新

長(zhǎng)線法預(yù)制臺(tái)座占用場(chǎng)地面積大，臺(tái)座基礎(chǔ)成本高，但易于線型控制。短線法預(yù)制臺(tái)座短，各節(jié)段需匹配試拼裝，線形控制復(fù)雜，施工成本低，技術(shù)要求高。

根據(jù)箱梁的結(jié)構(gòu)形式及成橋的線形特點(diǎn)，本橋采用長(zhǎng)短線結(jié)合方式，在預(yù)制場(chǎng)設(shè)置短線匹配梁段(端頭節(jié))制梁臺(tái)座和長(zhǎng)線中間節(jié)段制梁臺(tái)座相結(jié)合預(yù)制節(jié)段梁。

經(jīng)工程實(shí)踐，長(zhǎng)短線結(jié)合工法特點(diǎn)突出，更容易保證節(jié)段線形和尺寸。梁體的預(yù)制工廠化，施工質(zhì)量好，對(duì)于箱梁整體是從兩個(gè)梁端向中間節(jié)段逐節(jié)匹配澆筑至中跨合攏，累計(jì)偏差因素少，箱梁整體線形好，拼接時(shí)更容易調(diào)整。節(jié)段箱梁的養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，有利于梁體混凝土徐變，減小預(yù)應(yīng)力損失。橋梁上部結(jié)構(gòu)節(jié)段預(yù)制和下部結(jié)構(gòu)的施工可組織平行流水施工，速度快、工期短[13]。

5 信息化監(jiān)測(cè)

節(jié)段拼裝梁作為一種新的工藝、工法，預(yù)制及安裝精度控制要求極高，線形控制更嚴(yán)格，閻機(jī)城際鐵路以質(zhì)量創(chuàng)優(yōu)為核心，以技術(shù)創(chuàng)新為根本，建立智能張拉壓漿、運(yùn)架梁設(shè)備等13項(xiàng)信息化系統(tǒng)，全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。在梁體架設(shè)過程中，通過對(duì)造橋機(jī)安裝采集設(shè)備進(jìn)行安全管控，基于結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)，在運(yùn)、架設(shè)備支腿的液壓系統(tǒng)進(jìn)油路上安裝壓力傳感器來判斷支腿左右兩側(cè)受力平衡性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法對(duì)造橋機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)判定。自招標(biāo)階段就不斷強(qiáng)化橋梁施工信息化管理，加大安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息化系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用，提高項(xiàng)目安全管控能力。

6 結(jié)語

膠接節(jié)段拼裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)梁部工程工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，工序簡(jiǎn)潔，工效提高，質(zhì)量更容易保證，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。在當(dāng)前大力提倡碳中和、建造綠色工程的理念下，膠拼梁更能體現(xiàn)出優(yōu)越性[14]。涇河特大橋64 m節(jié)段膠接箱梁的成功實(shí)施，進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新和技術(shù)革新，為國內(nèi)同類城際鐵路橋梁施工積累了一整套施工工藝和經(jīng)驗(yàn)，形成了較成熟的64 m大跨度膠接節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁工藝工法。這將為后續(xù)類似項(xiàng)目提供有力的借鑒，充分發(fā)揮綠色城際鐵路的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。