鐵路膠接縫節段拼裝箱梁預應力孔道密閉性能試驗研究

高明昌

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

鐵路膠接縫節段拼裝箱梁預應力孔道密閉性能試驗研究

高明昌

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

目前國內對于節段預制膠接縫拼裝橋梁尚處于研究階段，缺乏相應的設計施工經驗，更無規范可循。黃韓侯鐵路芝水溝特大橋采用多孔跨徑48 m和64 m的節段預制膠接縫拼裝簡支箱梁，為保證箱梁孔道的密閉性和箱梁耐久性，進行了預應力孔道成孔方式和接縫密封形式試驗，依據不同的孔道成孔和密封方式組合試驗結果，最終提出了可行的密閉方案，為今后節段預制膠接縫拼裝橋梁孔道密閉措施的設計和施工提供了參考依據。

節段拼裝 膠接縫 預應力孔道 密閉性能

節段預制拼裝橋梁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形式。我國鐵路橋梁濕接縫節段預制拼裝工藝已得到大面積推廣，并積累了大量的設計和施工經驗。但濕接縫因為在節段拼裝過程中還需進行鋼筋綁扎、現澆混凝土、養生等工序，施工工序多，不利于環保，施工工期長。而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［1］，很少應用。

對于節段預制拼裝膠接縫預應力混凝土橋梁而言，在國外已成為節段拼裝橋梁的主要結構形式。在國內，上世紀六十年代成昆鐵路舊莊河一號橋、九十年代九江鐵路大橋引橋，公路及城市軌道交通行業如上海明珠線、蘇通大橋、廣州地鐵4號線等都有少量應用，但仍然缺乏成套的技術研究和科研試驗資料。現行的標準、規范對膠接縫也沒有明確的設計規定。

1 工程概述

位于陜西省境內的黃陵—韓城—侯馬鐵路芝水溝特大橋跨越芝水溝主溝與支溝，在比選大跨預應力混凝土連續梁、常用跨度簡支梁、大跨預應力混凝土簡支梁基礎上，綜合考慮投資、工期、環保、技術創新等因素，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1 598.4 m，其中64 m和48 m簡支箱梁采用節段預制膠接拼裝法施工。

本次試驗在收集國內外對膠接縫式節段拼裝預應力混凝土結構的試驗研究成果與應用情況的基礎上，利用芝水溝特大橋項目作為依托，就預應力混凝土箱梁膠接縫預應力孔道密閉性能進行試驗研究。

2 試驗研究目的及內容

2.1 試驗目的

膠接縫節段預制拼裝預應力混凝土箱梁是在預制節段接縫面涂刷環氧樹脂密封膠，再張拉臨時預應力來固定拼裝梁段，最后通過張拉永久預應力的方式形成箱梁整體。預制拼裝箱梁進行節段拼裝時，由于可能存在的偏差，相鄰節段孔道的位置會有一定的錯位，預應力孔道壓漿時，可能會發生孔道漏氣、漏漿的現象，從而難以保證預應力孔道的壓漿密實性，影響節段拼裝橋梁的耐久性。此外，施加臨時預應力時膠體也有可能被擠入孔道，造成穿束困難。因此，設計科學合理的預應力孔道接縫密封構造并進行試驗驗證成為確保結構安全的一個關鍵環節［2］。

本次試驗目的就是研究膠接縫節段預制拼裝預應力混凝土箱梁預應力孔道密封形式和密閉性能，為膠接縫節段預制拼裝預應力混凝土箱梁提供設計參考。

2.2 試驗內容

①預應力孔道成孔方式試驗;②膠接縫預應力孔道接縫的密封形式試驗;③接縫面環氧樹脂膠選型及涂膠方式試驗。

3 主要試驗方案

3.1 預應力孔道成孔方式

目前我國預應力混凝土箱梁預應力孔道成孔方式主要有預埋金屬波紋管成孔、橡膠抽拔棒成孔和塑料波紋管成孔三種方式［3］，配套壓漿工藝主要有普通壓漿模式和真空輔助壓漿工藝模式［4］。

三種管道成孔方式各具優缺點，為保證灌漿的密實性和施工的便利性、經濟性，本次試驗選用橡膠抽拔棒成孔和塑料波紋管成孔兩種預應力成孔方式。壓漿采用真空輔助壓漿工藝。

3.2 膠接縫預應力孔道接縫面密封形式

為避免壓漿漿液從接縫處漏出和梁體擠壓時膠體進入預應力孔道造成孔道堵塞，需對接縫面預應力孔道接頭采取可靠的構造處理措施。結合國內外其它橋梁試驗資料及實踐經驗，按照密閉效果好、施工方便和成本較低的原則，本次試驗選用以下兩種密封形式進行試驗研究。

1)方案1。密封墊圈+涂膠方式，接縫表面不開槽，兩接縫直接對接。密封圈尺寸:環寬10 mm，內環直徑比預應力孔道直徑大5～10 mm，厚5 mm。本方案可適用于各種預應力孔道成孔方式和位于直線、曲線上的孔道接縫面。預應力孔道接縫面密閉形式方案1見圖1。

圖1 密閉形式方案1

2)方案2。孔道口開槽+密封墊圈+涂膠方式。相鄰節段接縫面對應孔道各開一深約1 cm左右較小槽口，槽口內填塞橡膠墊圈或其他材料，起到阻止膠體進入孔道和防止壓漿時孔道漏漿作用。槽口尺寸:環寬30 mm，槽口深10 mm，槽口邊緣接縫面處倒30°角，墊圈內環直徑比預應力孔道直徑大10 mm，密封墊圈環寬25 mm，厚25 mm。本方案可適用于各種預應力孔道成孔方式和位于直線、曲線上的孔道接縫面。預應力孔道接縫面密閉形式方案2見圖2。

3.3 接縫面環氧密封膠的選擇及涂抹厚度

環氧樹脂膠的主要作用是在接縫處提供水汽密封層來防止預應力鋼束的腐蝕和防止灌漿過程中漿液在接縫處泄漏。另外，環氧樹脂膠可彌補因預制混凝土接縫面不平整而產生的應力不均衡現象，還可在拼裝過程中作為潤滑劑，連接預制件的表面，使壓應力、剪切應力在節段之間傳導。

圖2 密閉形式方案2

根據目前國內相關工程及國外對環氧樹脂密封膠使用情況，愛牢達和西卡環氧樹脂膠應用較多，愛牢達和西卡環氧樹脂膠均為雙組分室溫固化觸變型環氧膠。本次試驗采用愛牢達和西卡橋梁專用環氧密封膠作為接縫面密封及防水材料，涂抹厚度有兩種方案:①單面涂膠，涂抹厚度3 mm;②雙面涂膠，涂抹厚度2 mm。

3.4 臨時預應力

臨時預應力張拉主要有兩個作用:①固定梁段，保證在永久預應力張拉前，節段之間不會相對錯動;②提供膠體凝結所需的壓力，根據美國《AASHTO節段施工混凝土橋梁設計與施工指南》(美國洲際公路與運輸工作者協會)規定，膠接面上環氧密封膠在不小于0.28 MPa的壓力下固化效果較好［5］。

本次試驗臨時預應力采用體外束，在矩形截面兩側設置對拉孔預埋鋼板，每塊鋼板設置2個φ30 mm孔，臨時預應力采用φ25 mm預應力用精軋螺紋粗鋼筋，每個接縫面由4根精軋螺紋鋼筋共同施壓，總控制張拉力為250 kN。

3.5 永久預應力

預應力采用5-7φ5低松弛鋼絞線，OVM15-5錨具。試驗中只對2根F2鋼束進行穿束和張拉，錨下張拉應力控制在930 MPa，在預應力張拉后觀察預應力孔道密閉效果。

4 試驗模型設計

試驗設計制作兩片模型梁，編號分別為模型梁I和模型梁Ⅱ。

本次試驗模型梁全長10 m，計算跨度9.4 m，采用C55等截面預應力混凝土簡支矩形梁，高1.5 m，寬0.5 m，縱向共分為5個節段，4個膠接縫，預制節段長2 m。模型梁縱斷面見圖3。

模型梁剪力鍵形式與依托項目箱梁腹板布置基本一致，剪力鍵采用梯形截面［6］(傾角45°)，鍵高5 cm，接縫Ⅰ，Ⅳ設5道剪力鍵，接逢Ⅱ，Ⅲ設4道剪力鍵。剪力鍵布置形式見圖4和圖5。

圖3 模型梁縱斷面布置(單位:cm)

圖4 Ⅰ接縫面截面布置及大樣(單位:cm)

圖5 Ⅱ接縫面截面布置及大樣(單位:cm)

模型梁沿梁高設2×3排內徑φ55 mm預應力管道，為測試不同角度孔道密閉性能，在支點附近接縫面預應力孔道按不同角度彎起。

根據模型梁節段拼裝順序(從首節段開始計算)，將節段和接縫分別編號為1#，2#，3#，4#，5#和Ⅰ接縫、Ⅱ接縫、Ⅲ接縫、Ⅳ接縫。

兩片模型梁成孔方式、接縫面密封形式、接縫面環氧密封膠及涂膠方式見表1。

表1 模型梁構造形式

5 接縫解剖觀測

待孔道壓漿漿體達到設計強度后，對試驗梁接縫進行了解剖，異常情況見表2和表3。可見，除個別孔道外大部分孔道壓漿密實，無漏漿及膠體進入孔道情況。

表2 模型梁I壓漿后異常情況

表3 模型梁II壓漿后異常情況

模型梁Ⅰ，Ⅱ共有12個預應力孔道，在真空壓漿過程中9個孔道正常，但有3個孔道在抽真空過程中不能穩壓，分別為模型梁Ⅰ中F1—右和F3—右以及模型梁Ⅱ中F3—右。其中模型梁Ⅰ中F1—右在接縫Ⅰ處漏氣，而模型梁Ⅰ中F3—右以及模型梁Ⅱ中F3—右在5#節段靠端頭對拉桿處漏氣。

通過對模型梁Ⅰ和Ⅱ進行解剖，可以觀察到:①在真空壓漿過程中，漏氣的孔道接縫處存在漏漿及不飽滿現象;②環氧樹脂膠未進入孔道;③壓漿材料采用鐵道部鑒定的高性能無收縮防腐灌漿劑，壓注的水泥漿無明顯頸縮現象;④采用閉孔發泡聚乙烯材料與采用橡膠墊圈作為孔道密封材料，均能達到密閉效果，但閉孔發泡聚乙烯能與膠體融為一體，而橡膠墊圈有明顯的厚度，壓縮量小。

6 試驗結果分析

模型梁Ⅰ，Ⅱ部分孔道密閉效果不佳，部分密閉效果良好，分析原因有如下3點:

1)模型梁Ⅰ及模型梁Ⅱ中F3—右孔道因臨時鋼筋拉桿孔道與預應力孔道連通，在真空壓漿過程中雖然對臨時鋼筋拉桿孔道進行了封堵但效果并不明顯，在抽真空過程中仍漏氣，無法達到真空狀態，孔道水泥漿不飽滿。

2)模型梁Ⅰ中F1—右孔道壓漿不密實，有漏漿現象。抽拔橡膠棒成孔施工過程中不可避免，如模型制作誤差、混凝土內部存在微小孔隙等原因導致在抽真空時漏氣無法達到真空狀態、孔道水泥漿不飽滿。

3)模型梁Ⅱ除因臨時鋼筋拉桿孔道與預應力孔道連通漏氣外，均未發現壓漿不密實現象［7］。采用塑料波紋管成孔可在孔道內形成一個密實的管道，將孔道與外界隔離，當接縫處密貼時抽真空效果好，壓漿密實。

7 結論

通過以上試驗和結果檢查，得出結論如下:

1)塑料波紋管與抽拔橡膠棒兩種預應力成孔方式均可行，但采用抽拔橡膠棒成孔方式時由于混凝土仍存在微小孔隙，當孔道密集或保護層偏小時，真空灌漿不易保持孔道內的負壓，故真空灌漿效果易受到一定影響。推薦采用塑料波紋管成孔。

2)密封方式①(密封墊圈+涂膠方式，接縫表面不開槽，兩接縫直接對接)與密封方式②(孔道口開槽+密封墊圈+涂膠方式)兩種密封方式均可行，未見環氧樹脂膠進入預應力孔道。但采用閉孔發泡聚乙烯材料比采用橡膠墊圈作為密封材料，彈性好，壓縮量大，能與環氧樹脂膠協調變形，施工方便。推薦采用閉孔發泡聚乙烯材料密封墊圈+涂膠方式作為預應力孔道接縫密封方式。

3)愛牢達和西卡兩種環氧樹脂膠都能起到孔道密閉效果，從施工工藝上講均能滿足要求。

4)雙面涂膠接縫壓縮量普遍大于單面涂膠，單面涂膠與雙面涂膠效果基本相同，膠體在兩側混凝土表面均能有效滲透，均能有效彌補預制混凝土表面的不平整性等細小缺陷。單面涂膠工作量小，施工快，雙面涂膠浪費大，故推薦采用單面涂膠工藝。

5)試驗表明，預應力孔道密閉性能不但與接縫工藝處理措施有關，也受其他施工工藝影響，如模板拉桿布置若與孔道距離較近，容易造成串孔，導致孔道壓漿不密實。建議節段預制膠接拼裝箱梁施工中，注意采取相應措施并加強施工管理，保證預應力孔道密閉性能，確保施工質量。

［1］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．

［2］張新，郭正興，韓雪瑩．蘇通大橋連續梁節段預制拼裝接縫處密封性能研究［J］．施工技術，2006(10):63-64．

［3］中華人民共和國交通部．JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB/T 3192—2008鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［5］AASHTO．2003 Interim Revisions to the Guide Specifications for design and Construction of Segmental Concrete Bridge［S］．Washington USA:American Association of State Highway and Transportation Officials，2003．

［6］李國平．節段式體外預應力混凝土橋梁的構造［C］//中國預應力技術五十年暨第九屆后張預應力學術交流會論文集．北京:中國土木工程學會混凝土與預應力混凝土分會，2006:78-83．

［7］中鐵第一勘察設計院集團有限公司．鐵路預應力混凝土箱梁膠接縫預應力孔道密閉性能試驗研究報告［R］．西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010．

(責任審編趙其文)

U448.21+8

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．09

1003-1995(2015)03-0030-04

2014-03-18;

2014-12-05

鐵道部科技研究開發計劃項目(2010G010-E)

高明昌(1974—)，男，甘肅天水人，高級工程師。