高速鐵路預應力混凝土連續梁節段預制懸拼法建造關鍵技術研究

董傳新 杜振華 徐 領

(1.中國鐵路上海局集團有限公司， 上海 200071； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

高速鐵路具有運能大、能耗低、成本低、占地少、污染小、安全性高、全天候等一系列優勢, 是交通運輸行業不可或缺的一種交通方式，在帶動經濟發展、保障民生、解決人們日常出行等方面起到了重要的作用。但高速鐵路建設、施工、運營、維修等過程中有廢氣、廢渣、噪音等的產生，在可持續發展上仍有發展空間，綠色科技仍需進一步加強和深化[1]。

節段預制拼裝法是將橋梁結構劃分為若干節段塊，在工廠里或橋位附近的預制場內成型后，運至橋位現場，利用預應力技術將各節段組拼為整體結構的一種施工方法。通俗地說，是“將天上的澆筑工作請到車間”的一種施工方法[2]，具有施工速度快、施工質量好、徐變變形小、工廠化和機械化程度高、綠色環保等優勢。

我國高速鐵路大量采用標準跨度24 m、32 m的整孔預制架設簡支箱梁，符合工業化和綠色建造的需求。但截止目前，連續梁還是大量采用支架現澆或掛籃懸灌法施工，橋位現場工作量大，工業化和預制裝配化程度較低。因此，在鐵路連續梁中，推廣應用節段預制拼裝法對提高整個鐵路橋梁的工業化和綠色建造水平具有重要的意義。

自20世紀90年代后期以來，節段預制拼裝法建造技術在鐵路、公路、市政、軌道交通等領域逐漸應用開來。上海滬閔二期高架橋工程、上海新瀏河大橋、廣州城市軌道交通4號線、廈門BRT[3]、廈門集美大橋、蘇通大橋引橋、上海長江大橋引橋、泉州灣跨海大橋引橋、蕪湖長江二橋引橋、港珠澳大橋香港接線高架橋等均采用了節段預制拼裝技術。2014年竣工的黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是國內首座采用節段膠拼法建造的大跨度簡支梁[4]，2017年竣工的鄭阜高速鐵路周淮特大橋(40+56+40) m預應力混凝土連續梁是國內首座采用節段預制膠拼法建造的高速鐵路預應力混凝土連續梁[5]。京唐高速鐵路潮白新河特大橋(48+80+48) m雙線無砟軌道預應力混凝土連續梁也采用了節段預制膠拼法建造技術[6]。

1 項目概況

連云港至徐州鐵路是國家《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道橫向“陸橋通道”的組成部分，是“十三五”江蘇省開工建設的首個鐵路項目。其中東海特大橋(32+48+32) m無砟軌道預應力混凝土連續梁采用了節段預制膠拼法建造。

主要技術標準如下：

(1)鐵路等級：高速鐵路。

(2)設計速度：350 km/h。

(3)線路情況：線路縱坡-5.0‰，雙線，線間距5.0 m。

(4)軌道形式：CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結構高度738 mm。

(5)環境類別及作用等級：一般大氣條件下無防護措施的地面結構，環境類別為碳化環境，作用等級T2。

(6)設計使用年限：正常使用條件下，梁體結構設計使用壽命為100年。

(7)施工方法：節段預制懸臂拼裝法施工。

(8)地震烈度：8度，地震動峰值加速度0.2g。

2 結構設計

2.1 立面布置

東海特大橋(32+48+32)m連續梁全長113.5 m，邊支座中心線距離梁端0.75 m，梁縫分界線至梁端0.10 m。邊支座橫橋向中心距4.50 m，中支座橫橋向中心距4.50 m。防護墻內側凈寬9.0 m，橋梁寬12.6 m，橋梁總寬12.9 m。

主梁截面為單箱單室等高度斜腹板截面，采用C55混凝土，截面中心處梁高3.035 m；箱梁頂寬12.6 m，底寬5.5 m，頂板厚分別為38.5 cm、63.5 cm，腹板厚分別為48 cm、70 cm、90 cm，底板厚分別為40 cm、60 cm。全橋共設4道橫隔梁，中支點處設置厚1.9 m的橫隔梁，邊支點處設置厚1.05 m的端隔梁。隔板設有孔洞，供檢查人員通過。

2.2 節段劃分

梁體節段劃分要考慮設計問題(如跨度、施工方法等)，還要結合現場施工條件(如節段運輸能力及吊裝能力等)綜合確定。本橋共劃分為40個預制節段，標準節段長2.8 m，其余節段長2.4 m、3.0 m、3.25 m，中墩墩頂節段重 1 433 kN，邊墩墩頂梁段 1 244 kN，其余節段最大吊重為919 kN，中跨跨中合龍段長1 m，采用濕接縫。節段劃分如圖1所示。

圖1 (32+48+32) m節段預制拼裝連續梁節段劃分(cm)

2.3 接縫面構造設計

本橋接縫采用膠接縫。剪力鍵是膠接縫截面的重要組成部分，主要起輔助定位和提供抗剪能力的作用，常采用密齒型剪力鍵，其構造尺寸參照AASHTO《節段式混凝土橋梁設計與施工指南》要求辦理。剪力鍵在截面上的布置力求均勻，并盡量避開縱向預應力管道，剪力鍵尺寸、位置應標準化和模數化，以便于端模板的設計和重復利用，節省模板投入。

環氧樹脂膠在拼裝過程中主要起到潤滑和調節定位的作用，固化后可以對拼接縫起到密封防水、防止預應力鋼絞線銹蝕的作用。單面涂膠時，涂抹厚度不大于3 mm，固化所需壓應力按0.3 MPa控制。施工時需要結合實際溫度選擇相應的產品，在可施膠時間范圍內完成環氧樹脂膠的涂抹，并及時施加臨時預應力。臨時預應力施工完后應及時進行清孔，防止孔道被固化后的環氧樹脂膠堵塞，影響后期預應力穿束和灌漿。

3 拼裝方案及預應力布置

3.1 拼裝方案

節段預制拼裝的工法多樣，大體上可分為逐跨拼裝法、懸臂拼裝法和漸進式吊裝法等，每種工法又有多種設備可供選用。以懸臂拼裝法為例，拼裝設備可選用橋面吊機、履帶吊、汽車吊、架橋機、龍門吊等多種設備，采用架橋機施工時又可采用逐節段對稱懸拼、小節段預制大節段懸拼、半聯滿跨懸拼等多種方法。各種設備及工法的特點不同，拼裝過程中的受力特點各不相同，對應的預應力鋼束布置也不同，必須結合現場條件及設備投入情況，確定拼裝方案后才能開展設計。

最近的預制梁場距離本橋橋位約2.5 km，無限高及限寬點，具備在預制場內制造后運輸至現場拼裝的條件。經過多次現場踏勘和方案研討，最終選用短線法預制、滿跨上行式架橋機逐節段拼裝的施工方案。節段在簡支梁預制場預制、養護、匹配，借由社會道路和施工便道運輸運至現場對稱懸臂拼裝。簡支梁預制場根據短線匹配預制的特點進行改擴建。

現場拼裝主要施工步驟如下：

(1)搭設中墩及邊墩墩旁支架，拼裝架橋機，吊裝0號塊，精調后墩梁臨時固結；拼裝架橋機，架橋機中支腿轉移至0號塊頂面，拆除中墩墩旁支架。

(2)吊裝1號和1′號節段進行試拼，試拼合格后，安裝節段斷面孔道處密封圈，涂抹環氧樹脂膠，張拉臨時預應力，單側涂膠，厚度2～3 mm，涂膠前對箱梁斷面進行打磨洗凈和干燥處理，涂膠后至環氧樹脂膠固化前對膠接縫進行覆蓋，防止雨淋和暴曬。

(3)待環氧樹脂膠固化后穿鋼絞線，張拉永久預應力鋼束，并及時進行孔道壓漿。

(4)重復步驟(2)～(3)，依次懸拼2～8、2′～8′節段，并張拉相應預應力鋼束。

(5)現澆中跨合龍段，待合龍段混凝土強度及彈性模量均達到設計值的100%且混凝土齡期不小于 5 d后張拉并錨固中跨合龍段預應力鋼束并及時進行壓漿。

(6)拆除中墩臨時固結體系，轉化為永久支座。利用架橋機同步吊裝兩邊跨9號節段，膠拼、臨時張拉、待環氧膠完全固化后，張拉相應永久鋼束并及時壓漿。

(7)對邊墩墩旁托架進行預壓，預壓合格后，在托架上拼裝邊跨10、11號節段。

最大懸臂施工階段和邊跨9號節段懸拼階段為整個施工過程中風險最高的階段。最大懸臂施工階段控制中墩墩梁臨時固結的設計，應注意避開大風惡劣天氣，減少橋面不對稱堆載，并通過控制節段預制尺寸誤差等措施來減小不平衡彎矩，降低風險。節段懸拼過程中，在相應節段永久預應力筋張拉前，節段重量應全部由架橋機承受，待永久預應力張拉完成后方可脫鉤。若節段吊桿力控制不到位，節段自重傳遞至已成型結構上，會造成已施工接縫開裂。以9號節段懸拼為例，此時結構受力體系為伸臂梁體系，9號節段自重會在中跨跨中上緣產生拉應力，拉應力最大值約2.9 MPa，極易造成中跨跨中接縫處開裂，必須嚴格按照設計要求的張拉和脫鉤順序進行施工。

本項目的主要特點為：

(1)該項目是我國高速鐵路首座采用短線法節段預制、懸臂拼裝的連續梁項目，線形控制要求較高。

(2)邊跨均為預制節段，無濕接縫及現澆段，僅在中跨跨中設置濕接縫用于調整懸拼線型，避免邊跨設置支架進行現澆施工。

(3)采用滿跨上行式架橋機進行雙T構同步懸臂膠拼施工，避免了頂推移動，提高了施工功效，降低了安全風險。

(4)邊跨節段預制節段在墩旁托架上進行拼裝，取消了落地支架，既節省了支架地基處理費用，又對高墩及不便于搭設落地支架情況下的節段懸拼進行了有益探索。

3.2 預應力鋼束布置

本梁采用懸臂拼裝施工，施工階段受力與懸灌梁相同，故預應力布置與懸灌梁一樣，采用了腹板束、頂板束和底板束。相比懸灌梁，本梁腹板束采用了19-7φ5的大規格預應力鋼束，以減少每個腹板上的腹板束數量，便于布置腹板剪力鍵。在懸臂節段底板布置了4束12-7φ5的永久預應力鋼束，并采用連接器接長，以滿足施工階段接縫壓應力儲備要求。

3.3 施工工藝控制

0號節段的預制精度和定位控制對整個結構的線形影響較大。本橋施工階段最大懸臂長23 m，0號塊豎向定位角度若發生0.1°的誤差，將導致合攏口產生40 mm的豎向位移，施工時必須高度重視。0號塊的預制精度主要通過控制模板的尺寸和定位精度來保證，預制時，在對應墩頂預埋φ32 mm的精軋螺紋鋼位置預埋φ60×4 mm鋼管，待墩頂預埋精軋螺紋鋼穿過預埋鋼管后，再在墩頂進行0號塊的精調。0號段放置于4套微調三向千斤頂裝置上，微調千斤頂下設置臨時支墩，千斤頂上加墊厚鋼板，待高程及縱橫向位置調整至誤差范圍后，與橋墩臨時錨固。臨時錨固措施在中跨合龍后拆除，拆除時，先燒除臨時支墩中部的硫磺水泥砂漿,松開錨固鋼筋,再鑿除墩頂臨時支墩混凝土。中墩墩梁臨時固結構造及微調千斤頂平面布置如圖2所示。

圖2 中墩墩梁臨時固結構造及微調千斤頂平面布置圖(cm)

4 計算分析

4.1 主要設計指標

(1)箱梁縱向按全預應力構件進行設計，設計安全系數及各階段應力控制如表1所示。

(2)參考美國AASHTO《節段混凝土橋梁設計與施工指南》，環氧樹脂膠接縫截面抗彎強度取0.95的折減系數，抗剪強度取0.9的折減系數[7]。

(3)撓度及梁端轉角計算時，梁體剛度按0.90進行折減。整個施工過程中，環氧樹脂接縫截面壓應力不小于0.5 MPa。運營節段膠接縫截面壓應力儲備不小于1.0 MPa。

(4)驗算膠接縫截面的抗裂安全系數時，忽略環氧膠與混凝土的粘結抗拉強度，僅作為抗裂性能的安全儲備[8]。

4.2 主要計算結果

(1)截面受力

運營階段全梁控制截面和膠接縫截面的計算結果分別如表2和表3所示。

(2)梁部豎向撓度

列車豎向靜活載作用下,邊跨最大豎向位移-4.4 mm，為跨度的 1/7 272；中跨最大豎向位移 -11.7 mm，為跨度的 1/4 102。最大梁端轉角為0.466‰，均滿足規范要求。

列車豎向靜活載作用下產生的撓度值與0.5倍溫度引起的撓度值之和為-14.85 mm，為跨度的 1/3 232；0.63倍列車豎向靜活載作用下產生的撓度值與全部倍溫度引起的撓度值之和為-14.63 mm， 為跨度的 1/3 281，滿足規范要求。

表1 設計安全系數及各階段應力控制表

(3) 工后徐變變形

節段預制拼裝連續梁梁體殘余徐變變形最大值0.7 mm，懸灌施工連續梁殘余徐變變形值最大值3.8 mm。預制節段存梁時間按不小于28 d控制，遠大于懸灌施工時混凝土不小于7 d的加載齡期要求。梁體徐變變形值遠小于懸灌梁，為采用短線法預制和節段懸拼提供了有利的條件。

從以上計算結果可知，采用與原設計(32+48+32) m懸灌梁相同的外輪廓尺寸及梁高，可滿足節段預制拼裝法施工的需求。

4.3 接縫截面耐久性設計

與濕拼梁或現澆梁相比，節段預制膠拼橋梁對施工質量和耐久性要求更高。節段接縫及管道壓漿密實性對預制節段拼裝橋梁的耐久性影響最為突出。既要保證接縫截面在整個施工及運營階段均有一定的壓應力儲備，又要保證接縫處的密閉性和預應力管道灌漿的密實性。特別是管道壓漿環節，必須嚴格按《鐵路混凝土工程施工技術規程》中的相關工藝要求，采用真空輔助壓漿工藝，以提高管道灌漿的密實性。

接縫截面預應力管道接頭采用密封墊圈+涂膠方法，可滿足管道密封性要求。密封墊圈可采用閉孔發泡聚乙烯墊圈，也可采用橡膠墊圈。同時，為了進一步提高接縫處耐久性，應注意做好接縫處的防排水設計。接縫防水采用多重防護體系： (1)每個膠接縫沿箱梁四周內外側各刷5 cm寬與混凝土顏色一致的聚氨酯防水涂料，防水涂料厚1.5 mm，抗拉強度6 MPa；(2)采用與橋面鋪裝防水層一致的材料，先在節段拼接縫處頂板涂1層，再施工整個橋面防水層。

表2 運營階段全梁控制截面計算結果表

表3 運營階段膠接縫截面計算結果表

5 主要工程量對比

節段預制膠拼連續梁和掛籃懸臂澆筑施工連續梁的主要工程數量對比，如表4所示。

表4 主要工程數量對比表

與掛籃懸臂澆筑施工的連續梁相比，(32 +48 +32) m節段預制膠拼連續梁的混凝土用量、預應力筋及普通鋼筋含筋量均要大得多，主要原因為：

(1)節段預制拼裝連續梁施工及運營過程中壓應力儲備均較懸灌梁要大。預應力度高，接縫截面抗彎及抗剪強度均進行了折減，且接縫截面抗裂性計算時未考慮環氧樹脂膠與混凝土的抗拉強度，主梁腹板厚度增加，預應力鋼絞線用量也有所增加。

(2)節段預制拼裝連續梁在斷面附近普通鋼筋有所加強，吊點位置需增設受力所需鋼筋且吊點數量較多，因此普通鋼筋含筋率也較懸灌梁大。

此外，節段拼接過程中還需要配套采用環氧樹脂膠、臨時預應力張拉臺座、精軋螺紋鋼等，且涉及到預制場改擴建、施工便道加固等，雖在工期上有一定的優勢，但總體費用偏高，需達到一定的建設規模才可體現出其優越性。

6 結束語

目前，國內針對高速鐵路連續梁的預制裝配技術開展的研究還較少[9]，新建連云港至徐州高速鐵路東海特大橋(32+48+32) m雙線無砟軌道預應力混凝土連續梁是我國首座采用短線法節段預制、對稱懸臂膠拼的連續梁，是節段拼裝技術在國內高速鐵路連續梁中的一次有益補充和嘗試，為進一步推動我國鐵路橋梁工業化、預制裝配化建造水平積累了設計、施工和管理經驗，研究成果可供類似工程參考。在鐵路連續梁中推廣應用節段預制拼裝工藝，對于提高鐵路建設的工業化、標準化水平，促進產業升級和綠色發展具有重要的意義，應進一步開展系統研究，提高其經濟性。