城市橋梁節段預制拼裝技術設計與研究

孫繼龍

【摘 要】隨著城市化進程的不斷推進，各類城市橋梁工程規模越來越大。在此背景下，雖然已引進各類新技術，但創新需求仍不斷增長，特別是在城市中進行橋梁工程建設，需要更高的現場施工效率，以減少對城市環境及交通的影響，而橋梁節段預制拼裝技術通過將橋梁梁體分為若干部分，在工廠或預制梁場先進行預制，然后在施工區域進行橋位組拼的方式進行施工，從而大大縮短了現場施工周期，能夠充分滿足城市橋梁建設的需求。

【關鍵詞】城市橋梁; 節段預制拼裝技術; 剪力鍵; 體外預應力; 減振裝置;

1 預制箱梁節段拼接縫設計

預制節段拼接縫節點是節段預制拼裝橋梁的薄弱環節，通過拼接縫形式、剪力鍵構造、黏結材料性能、預應力連接方式等要素設計，使拼接縫節點部位的強度與耐久性達到與結構一般斷面部位相同的設計目標。

1.1 節段拼裝連接接縫形式

預制節段箱梁的接縫一般有3種類型：干接縫、環氧膠接縫及現澆混凝土濕接縫。干接縫節段式梁施工方便，但接縫受力性能較差，故應用范圍較小。環氧樹脂膠接縫節段式箱梁接縫承載能力好、接縫處受力均勻，適宜配置體內預應力鋼筋，接縫具有一定的耐久性。現澆混凝土濕接縫主要用于預制節段式梁合攏處。為方便拼裝施工，減小施工安裝誤差，濕接縫也可用于節段之間連接，通常采用窄式濕接縫，縫寬一般小于20cm。

1.2 節段拼接縫剪力鍵構造設計

預制節段接縫處應均勻設置密接匹配的剪力鍵，剪力鍵根據設置部位分為腹板剪力鍵、頂板剪力鍵、底板剪力鍵和加腋區剪力鍵。節段拼接縫各部位剪力鍵主要功能分析：腹板剪力鍵用于傳遞接縫截面處結構荷載作用下的剪力;頂板翼緣剪力鍵用于協調橫橋向箱梁翼緣自由端的變形，傳遞橋面車輛荷載引起的剪力;頂部腹板之間剪力鍵、底板剪力鍵與腹板剪力鍵組合封閉環形斷面，傳遞箱梁的扭矩，增強箱梁整體抗扭性能;加腋區剪力鍵用于加強頂底板與腹板結合節點區，在跨中與支點正負彎矩最大處結構剪應力的傳遞均勻分布。節段拼接縫剪力鍵在構造上具有協助鑲嵌對接定位作用。

為了便于結構構件預制時節段截面密接匹配與脫模方便，拼裝對接時擠出多余的環氧樹脂膠，剪力鍵構造一般設計成凹凸密接的棱臺形狀。為了便于將剪力鍵的鍵塊與槽口之間的剪力傳遞至節段端面的受力鋼筋，鍵塊與鍵槽上、下對接面的傾斜角應接近45°形式。

剪力鍵的尺寸構造設計要求：

1）腹板剪力鍵的布置范圍不宜小于梁高度的75%，剪力鍵橫向寬度宜為腹板寬度的75%;

2）剪力鍵應采用梯形（傾角接近45°）或圓角梯形截面;

3）剪力鍵的高度應大于混凝土最大骨料粒徑的2倍，并不小于35mm;

4）剪力鍵的高度與其平均寬度比取1∶2。

剪力鍵的構造尺寸大小與結構斷面厚度以及粗骨料的粒徑有關，設計中應遵循混凝土級配要求，以確保剪力鍵預制質量，滿足受力要求。

1.3 拼接縫黏結材料性能

結構膠的主要技術指標包括黏結強度、標準強度、彈性模量、硬化時間等。涂抹厚度是根據以往的經驗而擬定的，且宜單面涂抹。當結構膠涂抹在接縫表面后，形成了1層明露在空氣中的黏結薄膜，硬化速度大大加快，必須在失去黏合能力之前進行膠接并及時施加臨時預應力以避免失效，其有效時間范圍不僅與結構膠的產品性能有關，還與節段拼裝速度、臨時預應力加壓速度有關，結構膠在梁體的全斷面都擠出，可以有效地保證接縫的密閉效果。控制結構膠的和易性主要指其流動性、黏聚性，可以保證膠黏劑在涂抹時能掛住不垂滴，在壓力作用下可流動、可塑，并與結合面黏結。

1.4 節段拼接縫截面受力分析

在進行結構設計過程中，要充分考慮節段預制拼裝的技術特征。在節段預制拼裝工藝設計時，由于橋梁的極限強度計算方式不同于普通的預應力結構，因此，在設計過程中要充分考慮節間縫的結構特點、體外預應力等方面的內容。在預制節段拼裝橋梁結構中，其接縫處無普通鋼筋穿過，抗彎能力只能依靠預應力鋼索，通過配置體外預應力對結構力學性能進行改變，并且在計算時要考慮節間縫強度折減。對于大跨徑橋梁來說，在節段拼裝橋梁設置體外預應力束時要注意設計應力限值。節段預制拼裝預應力混凝土上部結構構件應按全預應力混凝土設計;節段預制拼裝預應力混凝土下部結構構件可根據橋梁使用和所處環境的要求，按全預應力混凝土設計或控制的正截面邊緣拉應力受限的A類部分預應力混凝土設計。節段預制拼裝預應力混凝土構件應按下列規定進行正截面和斜截面抗裂驗算：

1）構件正截面混凝土的拉應力應滿足下列抗裂要求

全預應力混凝土構件的接縫截面，在作用效應頻遇組合下：

2）構件斜截面混凝土的主拉應力應滿足下列抗裂要求

全預應力混凝土構件的接縫位置，在作用效應頻遇組合下：

2 節段預制拼裝橋梁中體外預應力關鍵技術

2.1 體外預應力體系設計

體外索配置在結構外部能夠有效降低混凝土結構截面尺寸，對于跨徑較大的節段拼裝橋梁來說，其縱向預應力多采用體內與體外相結合的體系承擔活載。體外預應力體系應包括體外預應力鋼束、錨固系統、轉向裝置及減振裝置4個部分。體外預應力混凝土橋梁應留有供體外預應力系統維護、更換的空間和設備進出的通道。體外預應力混凝土橋梁應根據施工方法、結構的設計使用年限、所處的環境類別，來選定體內、體外預應力鋼束的比例，并采取體外預應力鋼索的防腐蝕措施。

2.2 體外預應力轉向塊受力計算

轉向構造應根據可能出現的開裂面，進行鋼筋（拉桿）承載力計算和開裂面抗剪承載力計算。

1）體外預應力鋼筋的轉向塊采用拉桿壓桿模型計算時，內環筋（拉桿）的抗拉承載力計算應為：

式中，γ0為結構重要性系數，取1.1;Nd為豎向拉力的組合設計值;fs為內環筋的抗拉強度，取抗拉強度設計值的0.6倍;As為內環筋的截面面積。

2）體外預應力鋼筋轉向塊的可能開裂面應作為剪切面進行抗剪承載力計算，并符合下列規定：

式中，γ0為結構重要性系數，取1.1;Vd為可能開裂面剪力的組合設計值;c為黏結力系數，與梁體一起澆筑的轉向塊取1.0MPa，界面粗糙處理后二次澆筑的轉向塊取0.7MPa;Acv為可能開裂面的截面面積;μ為界面摩擦系數，與梁體整體澆筑的轉向塊取1.4，界面粗糙處理后二次澆筑的轉向塊取1.0;fsk為穿過可能開裂面鋼筋的抗拉強度標準值;Asv為穿過可能開裂面鋼筋的截面面積。

2.3 體外預應力鋼束的減振與防腐

要做好體外索設計，必須考慮其體外鋼束自由段的振動影響。由于車輛荷載會引起梁體結構和體外預應力索體產生振動，在索體適當的位置上安裝減振裝置，使索體自由段的振動區間變短并給索體適當減振，以避免索體產生有害振動。減振裝置先與索體緊固在一起，再與梁體可靠連接。當體外預應力鋼筋的自由長度不宜大于8.0m，自由段與相接錨固段宜設置轉角。體外索自由段索體與梁體的豎向自振頻率（基頻）之比小于5時，應設置減振裝置。

體外預應力具有可檢測、可調整、可更換的特點，是保證配索體系結構耐久性、可靠性的重要基礎，但是，仍然要重視體外索防腐設計工作。體外索可采用環氧鋼絞線，并用油脂、PE套提供第二和第三層防腐層，還可增加HDPE外護套管，構筑第四層防護層。

3 結語

橋梁節段預制拼裝技術具有工藝成熟、占地較少、施工效率高、控制精度高的特點，在城市橋梁工程建設當中應用較為廣泛。在技術設計研究過程中把握好各部分結構的受力特點及設計施工技術是關鍵，要充分重視結構間接縫與預應力體系的耐久性問題，及時處理各類常見通病，為城市橋梁發展打下良好基礎。

參考文獻：

[1] 羅明.節段預制拼裝橋梁耐久性設計要點研究[J].鐵道工程學報，2012（2）：46-49.

[2] 李平杰，黃國忠，戴宇文.預制節段拼裝連續梁橋設計要點和施工關鍵技術[J].鐵道建筑技術，2006（5）：54-55.

（作者單位：天津天工開物路橋設計咨詢有限公司）