鐵路節段預制膠接拼裝簡支箱梁的技術特點和優勢

高明昌

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

鐵路節段預制膠接拼裝簡支箱梁的技術特點和優勢

高明昌

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

黃陵—韓城—侯馬鐵路芝水溝特大橋主橋采用19孔64 m和2孔48 m節段預制膠接拼裝簡支箱梁，突破了我國多年來常規采用的濕接縫節段預制拼裝橋梁的限制。本文結合芝水溝特大橋節段預制膠接拼裝簡支箱梁設計、施工，闡述了節段預制現場拼裝梁的分類和應用情況、構造特點、設計特點、工藝特點及優勢所在，可對后續節段拼裝橋梁的設計和施工起到指導性作用。

節段預制 膠接拼裝 技術特點 優勢

膠接縫形式的節段拼裝梁在國外起源很早，并且有了很大的發展，已經成為節段拼裝橋梁的主要結構形式，有相關的設計施工指南為依據。在我國，對預制節段拼裝預應力混凝土橋梁的研究應用始于20世紀60年代，鐵路橋梁最近一次采用膠拼技術是90年代初石長線湘江大橋跨度96 m的連續梁橋［1］，之后由于材料、技術及設備等原因再沒有應用。

近年來國內軌道交通和公路行業也對膠接縫節段拼裝橋梁進行了少量的試點，但沒有開展系統的研究，沒有形成成熟的工法和設計施工規范。黃陵—韓城—侯馬鐵路芝水溝特大橋主橋采用19孔64 m和2孔48 m節段預制膠接拼裝簡支箱梁，突破了我國鐵路橋梁多年來常規采用的濕接縫節段預制拼裝的限制，是中國鐵路總公司鑒定中心、工管中心、科技管理部確定的試點工程。

1 芝水溝特大橋概況

芝水溝特大橋黃—韓—侯鐵路位于北塬至芝陽新建雙線段落內，橋址處地貌為黃土溝壑區，溝谷深切，溝梁交錯，主溝呈“U”形，常年流水(平時水量較小)。橋址處設計流量Q1%=788 m3/s。橋高84 m，為全線高橋之一。

橋址范圍內地層簡單，主要為第四系黃土、二疊系中統砂巖夾泥巖，岸坡穩定，無斷裂構造及不良地質，工程地質條件較好。橋址區地震動峰值加速度為0.10g，相當于地震基本烈度Ⅶ度，反應譜特征周期為0.45 s。

大橋跨越芝水溝主溝、支溝，橋型方案的選擇及孔跨布置受線路條件及地形、地質條件控制。設計采用(1×48+1×64+1×48+18×64)m預應力混凝土簡支箱梁+(6×32+1×24)m簡支T梁方案，橋全長1 598.98 m，其中64 m和48 m簡支箱梁采用移動支架造橋機節段預制膠接拼裝法施工。

2 節段預制拼裝橋梁分類及應用

節段預制拼裝施工方法根據接縫形式不同，大致分為濕接縫、干接縫和膠接縫三種。

濕接縫指預制梁段拼裝時，兩相鄰梁段預留一定的空間，通過綁扎鋼筋和現澆混凝土的形式把預制節段連成整體的接縫;干接縫指不涂任何粘結材料而直接相拼的接縫;膠接縫指預制梁段接縫涂以環氧樹脂膠后拼接的接縫。

干接縫由于其在受力性能、抗震性能及耐久性方面的嚴重缺陷和不足［2］，在一定程度上限制了其發展，國內外應用較少。

濕接縫拼裝施工簡支箱梁技術研究起步較早，早在上世紀90年代，鐵一院在靈武支線黃河大橋上首次設計采用移動支架造橋機節段拼裝48 m簡支箱梁，之后我國多條客運專線、客貨共線鐵路橋梁上大量采用單線、雙線和多線大跨度節段預制濕拼簡支箱梁，并積累了大量的設計施工經驗。

對于膠接縫節段預制拼裝建橋技術，在國外已非常成熟，為節段拼裝橋梁的主要施工方法。國內在鐵路、公路及城市軌道交通行業已對膠接縫節段預制拼裝施工橋梁進行了一些試點，但仍然缺乏相應的成套技術和科研試驗資料。

3 節段預制膠接拼裝梁的構造特點

3.1 接縫處縱向普通鋼筋、混凝土不連續

這是節段預制膠接拼裝結構區別于整體現澆結構或濕接縫節段拼裝結構的基本特征。

3.2 接縫涂抹環氧密封膠

該材料在節段拼裝橋梁結構中具有以下作用:

1)密封及防水，為體內預應力提供防腐保護。

2)彌補預制混凝土接縫面輕微不平整現象。

3)環氧樹脂粘結劑未固化前為粘稠狀態，拼接時因環氧粘結劑的潤滑作用使剪力鍵滑進定位，便于拼裝時節段定位準確［3］。

3.3 接縫面設置剪力鍵

為有效地承受及傳遞接縫上的剪力，并能使節段拼裝連接方便、準確，膠接縫節段拼裝橋梁需要在接縫面設置剪力鍵。剪力鍵構造尺寸詳見圖1。

圖1 剪力鍵構造尺寸示意

腹板上的剪力鍵應盡量在腹板全高度布置，布置范圍約為梁高的75% ;頂板內剪力鍵由多個長條形鍵塊組成，主要用于傳遞橋面接縫上的荷載引起的剪力，有助于節段拼裝時鑲嵌對接定位;底板內剪力鍵，也由多個長條形鍵塊組成，主要用于節段拼裝時鑲嵌對接定位。為了美觀，腹板剪力鍵在箱梁外側留出一定距離;為方便膠體順利擠出梁體，腹板剪力鍵在箱梁內側設為通縫，頂、底板剪力鍵在頂板頂面和底板頂面設置擠膠槽口。為了便于剪力鍵吻合、表面涂膠能被擠動，并具有足夠的抗剪能力，剪力鍵采用梯形或圓角梯形截面，高度應大于混凝土最大骨料粒徑的2倍且不小于35 mm;剪力鍵的高度與其平均寬度比為1∶2。

3.4 接縫處力的傳遞途徑

接縫處依靠剪力鍵及預應力產生的摩擦力傳遞剪力，靠預應力產生的壓應力傳遞彎矩，離散的節段通過預應力及剪力鍵形成整體。

3.5 線路設計需要考慮的問題

節段梁的制作采用匹配施工，線形控制比較復雜，對設計施工要求較高，為便于設計施工，線路設計要避免平曲線與豎曲線重合，從而避免復雜的空間梁段。

4 節段預制膠接拼裝梁的設計特點

由于接縫處鋼筋和混凝土不連續，因此，節段預制膠接拼裝結構較節段預制濕接拼裝結構或整孔現澆結構具有較為鮮明的設計特點。

4.1 預應力度高

按鐵路橋規抗裂安全系數計算公式為［4］

式中:σc為扣除預應力損失后混凝土的預壓應力;fct為混凝土的抗拉極限強度;σ為計算荷載在截面受拉邊緣混凝土產生的正應力;γ為考慮混凝土塑性的修正系數，γ=2S0/W0，S0為面積矩，W0為對檢算的受拉邊緣的換算截面抵抗矩。

由于膠接縫梁環氧膠與混凝土粘結能力小于整體混凝土抗拉強度，一般偏安全地忽略膠與混凝土粘結抗拉強度，即fct=0，于是抗裂安全系數計算公式簡化為

由式(2)可以看出膠接縫節段拼裝梁其抗裂安全系數即為預應力度，因抗裂安全系數Kf≥1.2，即膠接縫節段拼裝梁膠接縫處預應力度≥1.2，亦即在荷載作用下受拉側的剩余預壓應力≥0.2σ。

由此可見，膠接縫梁需要配備較多的預應力提供儲備壓應力以彌補接縫邊緣抗拉強度的降低，故膠接縫節段拼裝橋梁預應力度大于濕接縫節段拼裝梁或整體梁預應力度。

在系統研究環氧膠與混凝土粘結抗拉強度后，可按粘結抗拉強度95% 保證率相應減小預應力度［5］。

4.2 強度、剛度折減

根據AASHTO《節段式混凝土橋梁設計與施工指南》［6］，彎曲強度及剪切強度均進行折減?？箯潖姸劝?.95折減，抗剪強度按0.9折減。由于強度和剛度折減，梁高較整體現澆或濕接縫拼裝梁有所增加。

根據模型梁試驗，節段膠拼梁極限狀態表現為彎曲破壞的特征，且接近整體梁的破壞形態。梁體實測豎向抗彎剛度比計算剛度偏小約10% ，計算抗彎剛度時應適當折減。

一般橋梁僅對斜截面進行抗剪驗算，而節段拼裝膠接橋梁由于接縫處鋼筋和混凝土不連續，還需要驗算接縫面正截面抗剪強度。接縫面正截面抗剪強度與預應力彎起效應(預剪力)、截面正應力及剪力鍵布置有關。對于簡支梁來說，預剪力、摩擦力、剪力鍵抗剪力所占比重大致如圖2所示。

圖2 接縫面抗剪比重示意

4.4 結構耐久性要求高

接縫處耐久性是制約膠接縫節段拼裝梁耐久性的關鍵環節。一般可從構造、材料、工藝等幾方面采取措施。

1)構造措施:①合理布置預應力使各截面處于全截面受壓狀態，研究合理的剪力鍵的布置形式和構造，提高梁體抗壓、拉、剪能力;②接縫面孔道連接處設計合理的構造;③接縫面箱梁內外涂抹聚氨酯防水涂料，作為二次保護，防止紫外線、水汽對環氧接縫腐蝕，提高耐久性。

2)材料保障:①采用高性能混凝土;②選擇物理、化學性能優越的環氧密封膠;③采用環氧涂層鋼絞線、成孔材料采用塑料波紋管;④控制灌漿材料水灰比，摻入阻銹劑。

3)工藝措施:①通過試驗采取可靠的施工工藝，接縫面平整，相互密貼;②采用真空壓漿技術，保證壓漿密實度。

4.5 箱梁接縫處普通鋼筋加強布置

1)箱梁支點附近剪力較大及剪彎共同作用區段，節段接縫邊的豎向鋼筋(箍筋)應予加強，并保證其兩端錨固可靠。設計中可按照每個接縫面兩側各60 cm范圍內預制梁段腹板箍筋(間距≤8 cm)加強處理，如圖3(a)所示。

2)為避免接縫開展后頂板和頂、腹板結合處混凝土局部壓碎，幫助頂、腹板結合區混凝土截面傳遞剪力，并提供必要的延性，箱梁跨中區段(具體范圍根據設計計算確定)接縫兩側頂板內應設置固定于頂板上、下層縱向分布鋼筋的豎向扣筋。接縫兩側頂板與腹板結合區內應設置固定于腹板箍筋的封閉箍筋，如圖3(b)所示。

再取變異概率根據種群情況自適應調整，其余參數均取相同。其適應度成長曲線對比見圖6，最終尋優路徑對比見圖7，其中自適應調整變異概率遺傳算法適應度成長較快，最終穩定于5.2左右，收斂效率稍有提高。

3)接縫兩側底板與腹板結合區內應設置固定于腹板箍筋的封閉箍筋，如圖3(c)所示。

圖3 箱梁接縫處加強鋼筋

5 施工工藝特點

5.1 節段預制方法

節段預制分長線法和短線法。長線法預制臺座占用場地面積大，臺座基礎成本高，但易于線性控制。短線法預制臺座短，各節段需匹配試拼裝，線形控制復雜，施工成本低，技術要求高。

5.2 節段拼裝時接縫面施加臨時預應力

根據節段拼裝要求，節段涂膠后至環氧膠固化前，需要對節段環氧膠接縫施加臨時預應力，以保證接縫全截面受力均勻，臨時預應力拆除順序和時間應滿足整個施工階段接縫不出現拉應力為原則。接縫面臨時預壓應力≥0.3 MPa，最大≤0.6 MPa。

5.3 端模設計復雜，平整度和剛度要求高

端模由鋼板做面板，并設豎、橫向加勁與型鋼桁架連成整體，還需根據不同剪力鍵的布置進行調整。后續梁段利用已預制好的梁段端頭作為端頭模板，涂刷隔離劑使新舊混凝土易于分離。兩個梁段分離后，采用鋼刷及清水將隔離劑清理干凈，以免影響環氧樹脂膠與混凝土的粘結效應。

5.4 測量控制精度要求高

長短線法預制是將橋梁的設計幾何尺寸分解成若干小節段單元后在工廠加工制造，為了確保加工單元拼裝后滿足橋梁設計的幾何尺寸和線形，節段預制施工中的測量控制至關重要。

對所制作節段的幾何斷面加以控制并和理論幾何斷面進行比較，以此作為基準控制值進行定位和調整，從而獲得拼裝后正確的幾何形狀、標高和整體線形。

5.5 環氧膠技術要求

節段拼裝橋梁專用環氧膠是一種建筑類合成膠粘劑，為無溶劑型雙組分觸變性環氧樹脂膠。由A，B兩種組分按一定比例拌合而成，其中A組分為環氧基，B組分為固化劑。膠的配合比根據環境溫度和固化時間來選定。

環氧膠主要性能指標有抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、觸變性、擠壓性、濕熱老化性能、適用期，以及環氧膠與混凝土粘結抗拉強度，均應滿足FIP專用規范要求。

6 節段預制膠接拼裝梁的優勢

節段預制膠接拼裝橋梁具有外形美觀、質量保證、對交通及環境適應性好、混凝土收縮和徐變效應小、線形易于控制、行車條件好及安全、環保等明顯優勢，更為重要的優勢是能夠大幅度縮短施工工期，較濕接縫節段拼裝時間節約50% 左右，可在冬季低溫和夏季高溫條件下拼裝作業。

膠拼梁適用環境廣泛，可用于跨越繁忙的交通干線、江河湖海和艱險山區，尤其適合施工困難的山區和環境保護要求高的城市地區。另外，由于膠拼梁節段全部在預制廠生產，質量穩定可靠，現場無需現澆混凝土和養生，大量節約現場用水，特別適用于干旱缺水地區。

不可否認的是，節段預制膠拼橋梁與濕拼梁或現澆梁相比，具有整體性差、施工工藝復雜，對施工質量和耐久性要求高等缺陷。

現代橋梁工程的經濟性是由結構形式、材料用量指標、施工工期、施工費用、施工質量以及施工期間對環境和交通的影響等各種因素綜合確定的。所以節段拼裝施工方法對于多跨尤其是跨越高架道路、江海河流、深溝等高墩大跨這類橋梁較長、投資較大的工程具有相當大的競爭力。

7 結束語

節段預制膠接拼裝箱梁技術特點和優勢明顯，具有廣闊的應用前景。目前國內應用較少，后續應系統研究、制定適合于節段拼裝橋梁的設計施工規范。在今后的結構設計中應注重剪力鍵的結構設計和梁段接縫處耐久性設計。設計接縫處孔道合理的密閉措施，保證壓漿質量、選擇耐久性能好的環氧密封膠，提高梁體抗壓、拉、剪能力，是保證膠拼梁耐久性的重要措施。

［1］陳開御.節段預制拼裝式橋梁在鐵路客運專線上運用的探討［J］.橋梁建設，2007(5):52－54.

［2］李國平.干接縫節段式預應力混凝土橋梁的優勢與缺陷［J］.中國市政工程，2007(2):54－55.

［3］高哲凝.預制節段拼裝架設橋梁的耐久性分析［J］.中國水運，2007(10):70－73.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］李學斌，楊心怡，李東昇，等.節段梁環氧樹脂膠接縫抗拉強度的試驗研究［J］.鐵道建筑，2015(1):23－26.

［6］AASHTO.Guide Specifications for design and Construction of Segmental Concrete Bridge［S］.Second Edition.Washington: American Association of State Highway and Transportation Officeais，2003.

Technical features and advantages of railway assembled simply-supported box-girder with epoxy resin joints

GAO Mingchang
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Zhishuigou super－large bridge on Huangling－Hancheng－Houma Railway applies 19×64 m+2×48 m simply－supported segmental precast box－girders.These segments are assembled with epoxy resin instead of the traditional wet joint.Design and construction of Zhishuigou super large bridge are introduced in this paper.The categorization and application of precast segment，as well as its structure，design，production and advantages，are presented.These may be used as guidance for design and construction of the same type bridge.

Segmental precast;Epoxy resin joints;T echnique;Advantages

U455.469

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.12

(責任審編 孟慶伶)

1003－1995(2015)10－0060－04

2015－04－17;

2015－07－28

鐵道部科技研究開發計劃項目(2010G010－E)

高明昌(1974—)，男，高級工程師。