高速鐵路(40+56+40) m預應力混凝土連續梁節段預制膠拼法建造技術研究

張 雷，季偉強，蘇 偉，周岳武

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

20世紀60年代，建成于法國巴黎塞納河上的Choisy-Le-Roi橋，是第一座采用節段預制膠接拼裝技術的橋梁，該橋首次采用了長線法預制節段澆筑施工工藝[1]。在我國，節段預制拼裝預應力混凝土橋梁應用較早，如1965年建設的河南省五陵衛河公路橋(25+50+25) m，1966年竣工的成昆鐵路舊莊河1號橋(24+48+24) m和孫水河5號橋(32.3+64.4+32.3) m[2]，但由于工程條件的限制，該技術在后續工程中未得到很好的推廣應用。隨著我國橋梁技術的發展，20世紀90年代后期以來，節段預制拼裝法建造技術在公路、市政、軌道交通等領域逐漸應用開來。鐵路領域也有部分應用，如2014年竣工的黃韓候鐵路芝水溝大橋，以及目前正在建設中的拉林鐵路貢嘎特大橋、銀西客專莫谷河2號特大橋、田桓鐵路謝家崴子太子河特大橋、鄭許鐵路等，但這些都是跨度在48～64 m之間的簡支梁，只有1997年竣工的石長鐵路湘江特大橋是主跨(61.65+7×96+61.65) m的單箱單室預應力混凝土連續梁[3]。

與連續梁支架現澆和掛籃懸臂澆筑等傳統工法相比，節段預制拼裝技術的主要優勢表現在[4-5]：橋梁上部結構節段預制和下部結構的施工可同時進行，且采用流水施工，箱梁的預制和安裝可以分開進行，相互不干擾，施工速度快，工期縮短；梁體的預制工廠化，施工質量好；節段箱梁的養護時間較長，成橋以后梁體的徐變和預應力損失較??；工廠化預制和機械化施工提高了現代化橋梁的建設水平；有利于橋位處的環保，減少了對橋下現有交通的影響。

1 項目概況

新建鄭州至阜陽高速鐵路是國家高速鐵路網的重要組成部分，地處河南東南部、安徽西北部，設計速度350 km/h，設計活載為ZK荷載。其中周淮特大橋163～172號墩(DK146+548.69～DK146+961.79)間采用3聯(40+56+40) m無砟軌道預應力混凝土雙線連續梁跨越新運河及兩岸大堤，梁體位于1.5‰和-6.5‰的縱坡上，采用節段預制膠接拼裝法建造。橋位處曲線半徑10 000 m，線間距5.0 m。CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結構高度738 mm。地震烈度6度，地震動峰值加速度0.05g。

2 結構設計

主梁立面布置如圖1所示。主梁截面形式為單箱單室變高度連續箱梁，采用C55混凝土。中支點截面中心處梁高4.335 m，跨中及邊跨等高段截面中心處梁高3.035 m，梁底下緣除等高段外按1.8次拋物線變化。中跨跨中等高段長37.0 m，邊跨等高段長31.0 m，梁端設0.25 m長的懸臂板以滿足施工時操作空間的需要。針對節段預制拼裝連續梁受力及施工特點，相對常規懸臂澆筑梁，增加了其跨中和邊跨等高段長度，不僅方便施工，節省模板費用，且立面視覺效果較好。箱梁頂寬12.6 m，底寬6.7 m。箱梁頂板厚0.37 m，邊支點局部加厚到0.62 m；底板厚從等高段的0.4 m變化至中支點0.8 m；腹板厚0.5 m～0.82 m～0.92 m，按折線變化。全橋在端支點、中支點處設橫隔板。

圖1 1/2主梁立面布置(單位：cm)

2.1 節段劃分

梁體節段劃分須結合現場施工條件決定，受控于節段運輸能力及吊裝能力。該項目采用橋上運輸方案，預制節段長度有3.0，4.0，4.25，4.5 m共4種，全聯共32個預制節段和1個1.0 m長的跨中現澆合龍段，0號段重1 987 kN，其余預制節段最重1 592 kN。

2.2 0號段結構設計

0號段由于有隔板及加靴構造，且板厚較厚，一般比其余節段要重，往往成為施工控制因素，而且0號段的施工直接影響后期節段的拼裝質量。

本項目在采用掛籃懸臂澆筑的(40+56+40) m連續梁0號段基礎上進行了以下兩方面優化：

(1)增大進人孔尺寸，由1.5 m×1.5 m增加為1.75 m(高)×2.3 m(寬)；

(2)減小支座橫向間距，中墩支座橫向間距由5.8 m減小至4.5 m，取消加靴構造。

通過以上兩點優化，0號段吊重由2 288 kN減小為1 987 kN，共減輕302 kN，減幅13.2%。兩種0號段施工方案所采用的中支點截面對比如圖2所示。采用ANSYS軟件建立0號段局部應力分析模型，確保受力滿足要求。

圖2 預制0號段結構優化(單位：cm)

2.3 剪力鍵

剪力鍵主要包括腹板剪力鍵、頂板剪力鍵、底板剪力鍵以及腹板與頂板、底板結合區剪力鍵，其作用主要是提供抗剪能力和定位，其中腹板剪力鍵主要承受與傳遞接縫截面在正常受力情況下的剪力；頂板剪力鍵主要用于傳遞接縫位置橋面荷載引起的剪力，并協助節段拼裝對接定位；底板剪力鍵主要用于協助節段拼裝對接定位。

綜合既有國內外規范及既有工程[6-7]，確定本橋剪力鍵主要布置原則如下：

(1)剪力鍵采用傾角45°梯形截面，高度不小于混凝土最大粗骨料粒徑的2倍(其中混凝土最大粗骨料粒徑不大于25 mm)，選用50 mm；

(2)腹板剪力鍵采用密鍵形式，在腹板全高度范圍均勻布置，布置區間不小于梁高的75%；剪力鍵的橫向寬度不小于腹板寬度的75%，且靠箱內側邊設置；

(3)頂、底板剪力鍵采用較大的疏鍵，無砟軌道梁，在無砟軌道板范圍內宜布設頂板剪力鍵；

(4)位于剪壓區的腹板與頂板、底板結合區，若無體內預應力鋼束通過也設置剪力鍵。

剪力鍵布置結構如圖3所示。

2.4 梁端懸臂構造

簡支梁采用節段預制拼裝法建造時，為解決梁端預應力張拉空間的問題，可采用預應力單端張拉、高位張拉后落梁或設置梁端懸臂構造等措施。

連續梁采用節段預制拼裝法建造時，同樣存在梁端預應力張拉空間的問題。縱向預應力在非梁端側單端張拉已經不再可能；由于連續梁梁體較重，而且是超靜定結構，高位張拉后落梁也比較困難；因此，在梁端設置懸臂構造顯得尤為必要。本項目梁端懸臂構造如圖4所示。

圖3 剪力鍵斷面分布及結構尺寸示意(單位：cm)

圖4 梁端節段懸臂構造(單位：cm)

梁端懸臂構造范圍內布置有頂板預應力時，為方便預制節段模板制作，避免在鋼模上留鋼筋孔，可采用下述2種處理辦法。

(1)梁端懸臂構造范圍內的邊跨頂板預應力，如果適合在箱室內單端張拉，則采用單端張拉，懸臂構造范圍上預應力錨槽滿足鋼束穿束空間即可，盡可能減小在懸臂構造范圍上預應力錨槽尺寸。

(2)端模上不開鋼筋孔，在模板內側鋼筋端部預埋鋼筋套筒，預應力張拉完后，鋼筋通過套筒連接。

3 節段拼裝

3.1 節段拼裝造橋機

采用TPZ80/2500型造橋機，包括承重梁、支腿、回轉天車、懸吊裝置和縱移過孔裝置，如圖5、圖6所示。該造橋機可滿足于跨度64 m及以下的雙線簡支梁節段拼裝和跨度不超過80 m的雙線連續梁節段拼裝，滿掛懸拼節段總重25 000 kN，天車最大起重額2 000 kN。適應最小曲線半徑2 500 m，最大線路縱坡3%。

TPZ80/2500型造橋機采用上行懸掛、兩跨邁步縱移式總體方案，主要由主桁框架系統、支承體系、吊梁天車、懸掛體系、縱移過孔裝置、移動掛架等部分組成。

造橋機天車的橫移油缸(圖7)可使天車橫向調節箱梁，并在吊梁上設置可調節懸吊孔配合調節，從而實現曲線梁曲線拼裝。

圖5 TPZ80/2500型造橋機及臨時支墩支架立面示意

圖6 TPZ80/2500型造橋機斷面示意(單位：mm)

圖7 造橋機天車橫移油缸

3.2 節段拼裝方案

節段拼裝方法一般有逐跨拼裝、平衡懸臂拼裝以及混合式拼裝。拼裝設備可采用造橋機、橋面吊機或浮吊等，有時甚至在滿布支架上拼裝，其中造橋機有上行式和下行式兩種，下行式節段拼裝造橋機一般需要額外配置其他起吊設備。

(40+56+40) m連續梁節段最大重力(0號段)為1 987 kN，除跨中合龍段采用現澆外，其余所有節段均采用預制拼裝。為提高施工效率，綜合整孔拼裝及懸臂拼裝工法的施工特點，創造性地采用一次半聯滿掛的施工工藝。主要施工步驟如下：

(1)拼裝造橋機，橋機中支腿支撐在中墩臨時托架上，吊裝0號塊，精確調整并與橋墩錨固；

(2)吊裝半聯節段，全部懸掛于造橋機上，如圖8所示。

圖8 一次半聯滿掛拼裝

(3)自0號塊向兩側對稱依次涂抹環氧樹脂膠，張拉臨時預應力，完成半聯節段膠接；

(4)穿鋼絞線、張拉部分半聯永久預應力束，拆除1號～4號段和1′號～4′號段的吊桿；

(5)張拉剩余半聯永久預應力束，拆除其他節段吊桿，完成半聯連續梁拼裝；

(6)造橋機縱移至下一孔位，重復上述步驟架設后半聯；

(7)現澆中跨合龍段，完成整體張拉。

該工法相較于節段預制拼裝連續梁常用的平衡懸臂法，具有以下特點：

(1)半聯梁滿掛一次拼裝，減少了節段拼裝過程中鋼束張拉過程，加快了施工進度；

(2)線形控制相對簡單，提高膠接縫拼接質量；

(3)不需要在每個節段錨固鋼束，避免了節段間的預應力錨槽。

主梁施工現場如圖9所示。

圖9 主梁現場施工

3.3 膠拼工藝

膠粘劑采用單側涂膠，涂抹均勻，厚度2～3 mm，覆蓋整個接縫面，不得出現斷膠現象。涂膠后至膠粘劑固化前，對膠接縫進行覆蓋，防止雨淋、暴曬。膠接縫梁段拼裝完畢，在擠膠張拉24 h后進行預應力張拉。

3.4 施工工藝控制

采用長線法預制，底模按梁底線形一次鋪設完成，外模為可調節的整體鋼模，內模為可調節的分塊模板。采用曲線梁曲線預制工藝。

0號段的定位控制對整個結構的線形影響較大，施工過程中采取如下措施確保其精準定位：將0號段放置于4套微調千斤頂裝置上，高程及橫向位置誤差可控制在5 mm以內，然后下墊4個鋼支座，用8根φ32 mm螺紋鋼與橋墩錨固。

預制節段拼裝過程中存在天車脫鉤轉換為橋機節段吊桿受力的過程。相應節段永久預應力筋張拉前，如節段吊桿力控制不到位，節段自重可能通過剪力鍵傳遞給相鄰已拼裝節段，存在拼裝過程中膠接縫開裂的風險。因此拼裝過程中，嚴格控制旋轉天車脫鉤轉換至節段吊桿受力的工藝，并采取有效措施確保各節段的吊桿力滿足要求，并對各吊桿受力進行實時監測。同時考慮旋轉天車在造橋機上移動對結構特別是未張拉永久預應力結構的受力影響。

節段拼裝質量按照如下指標控制：軸線偏移量不大于10 mm，橋面高程偏差不大于20 mm，相鄰節段中心線偏差不大于3 mm，相鄰節段間頂面接縫高差不大于2 mm，節段縫隙寬度(含膠)不大于2 mm，梁長偏差不小于-20 mm且不大于10 mm，合龍前兩懸臂端相對高差不大于合龍段長度的1/100且不大于15 mm。

4 結構檢算

4.1 模型簡介

采用Midas/Civil建立有限元模型，模型分為主梁、造橋機、吊桿三部分，均按實際結構參數模擬。

為避免節段拼裝過程中膠接縫截面出現拉應力，對部分預應力鋼束進行初張拉，并伴隨預應力張拉，及時拆除節段吊桿。

分別對運營狀態、半跨造橋機過孔、全聯造橋機過孔、半跨過節段運梁小車、全聯過節段運梁小車、成橋過全線簡支箱梁運梁車和架設相鄰簡支梁等7種工況逐一進行檢算，并對施工過程主梁應力進行檢算。

4.2 運營狀態

(1)剛度

梁體剛度按0.9進行折減[5]，梁體跨中靜活載作用下最大撓度17.8 mm，撓跨比為1/3 145，最大梁端轉角0.748‰，均滿足規范要求[8]。

(2)殘余徐變變形

預制節段存梁時間不小于30 d，梁體殘余徐變變形值為：邊跨下撓1.5 mm，中跨上拱0.9 mm。由于節段預制箱梁的加載齡期較長，殘余徐變變形相對較小，有利于高速鐵路行車的舒適性。

(3)應力(表1)

主梁縱向按全預應力結構設計。膠接縫截面建設、運營全過程均不出現拉應力，并按照下述原則進行控制：在最不利荷載組合下，運營階段混凝土壓應力儲備不小于1.0 MPa，施工階段混凝土壓應力儲備不宜小于0.5 MPa。

表1 運營狀態膠接縫截面應力結果 MPa

注：表中數據負為壓應力。

(4)膠接縫正截面抗裂計算

由于普通鋼筋不連續，膠接縫兩側混凝土的抗拉性能不如整體混凝土梁，膠接縫處的抗裂性能減弱，因此膠接縫正截面抗裂計算時對TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》第7.3.9條fct按照0.3進行折減。經計算，最小抗裂安全系數為1.22，滿足規范不小于1.2的要求。

(5)膠接縫正截面抗彎強度計算

環氧樹脂膠接縫截面抗彎承載能力折減系數取0.95。經檢算，膠接縫截面最小計算抗彎強度安全系數：主力工況為2.6，主力+附加力工況為2.39。

(6)膠接縫截面抗剪強度安全系數

環氧樹脂膠接縫截面抗剪承載能力折減系數取0.9。采用基于混凝土剪-壓復合強度準則的計算方法[9]對膠接縫截面抗剪強度安全系數進行計算，考慮結構上、下緣均布設有預應力的情況，并參照我國現行鐵路橋梁設計規范TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中的設計參數及平衡方程。經檢算，膠接縫截面抗剪強度安全系數：主力工況為2.13(圖10)，主力+附加力工況為2.08。

圖10 主力工況膠接縫抗剪強度安全系數

5 結語

新建鄭州至阜陽高速鐵路周淮特大橋3聯(40+56+40) m雙線無砟軌道預應力混凝土連續梁采用節段預制膠接拼裝法建造，該項目的實施填補了此項技術在國內高速鐵路連續梁中應用的空白，創造性地采用一次半聯滿掛的拼裝工藝，研究成果可供類似工程借鑒。

節段預制膠接拼裝法在鐵路領域的廣泛應用將促進我國傳統產業的轉型升級，提高橋梁標準化、專業化、工廠化生產水平，提高橋梁施工質量，縮短施工工期，降低勞動成本，推進管理智能化和信息化，降低能耗，減少揚塵，提升環保、可持續建橋理念，具有較好的經濟效益和社會效益，必將引領橋梁建設的發展方向。同時該工法貫徹了我國十三五“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，對高鐵技術走出國門具有重要的戰略意義，為國家“一帶一路”倡議創造發展新機遇。