關于節段預制拼裝橋梁膠接縫的研究探討

王博

摘 要：節段預制拼裝造橋技術是近年來在我國新發展起來的施工技術，雖然在國內已經有了一些工程經驗，但是缺少對節段預制拼裝膠接縫橋梁的理論研究與技術標準，技術理論方面只能參考國外的一些相關內容。介紹基本理論和節段預制拼裝橋梁的發展歷程，并提出了新的膠接縫模擬方法，以便于今后對節段預制拼裝橋梁進行系統的研究，從而推動預制節段拼裝膠接縫橋梁在我國橋梁領域的應用與發展。

關鍵詞：節段預制拼裝橋梁;膠接縫;環氧樹脂膠性能;數值模擬

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-0-03

Abstract： Precast segmental assembling bridges technology is a new construction technology developed in China in recent years. Although there has been some engineering experience in China， there is a lack of theoretical research and technical standards for precast segmental assembling bridges with epoxy resin joints， and the technical theory can only refer to some relevant foreign content. From the basic theory， to introduce the development of segmental precast assembling bridge， and put forward the new epoxy resin joints simulation method， in order to facilitate the future of segmental precast assembling bridge system is studied， in order to promote precast segmental assembling bridges with epoxy resin joints in application and development in the field of bridges in China.

Keywords： segmental precast and assembled bridges;epoxy resin joints;epoxy resin performance;numerical simulation

近些年來節段預制拼裝造橋技術在我國一些工程上進行了試點，并憑借其獨特的建設思想，在我國逐漸得到了發展。雖然從20世紀六七十年代開始，我國就已經出現了體內預應力混凝土橋梁預制節段拼裝施工法，但是由于當時的技術比較落后，導致拼裝后出現了線性偏差較大、預應力筋防腐效果不理想以及后期維護成本過大等問題，促使該項施工工藝逐漸被現澆技術所替代。改革開放以后，隨著體外預應力技術的成熟和各種先進架橋設備的發明，節段預制拼裝技術又得到了廣泛應用。

雖然我國目前已經積累了一些節段預制拼裝技術施工經驗，但相關規范與技術標準還不夠完善，因此有必要根據節段預制拼裝橋梁建設的需要對節段拼裝橋梁進行系統研究，以期推動節段預制拼裝橋梁在我國橋梁領域的應用與發展。為此，介紹了國內外近年來節段預制拼裝技術的發展歷程，針對節段預制膠接縫橋梁的關鍵結構——膠接縫介紹其材料性能，并根據研究現狀提出了新的數值模擬方法。

1 節段預制拼裝橋梁國內外發展狀況

節段預制拼裝技術最早出現在1951年，德國工程師Finstwalder在lahn河上建成了一座使用懸臂澆筑技術的橋梁。這是現代第一座采用了節段澆筑與懸臂澆筑的預應力混凝土橋梁[1]。1962年，法國工程師MULLER J設計建設了巴黎塞納河的Choisy-le-Roi橋。該座橋是世界上第一次使用長線法預制節段施工工藝，也是最早采用預制節段、懸臂拼裝方法的混凝土橋梁[2]。1966年，法國建成的Oleron大橋是世界上第一座采用上行式移動拼裝支架進行懸臂拼裝施工的大橋[3]。

20世紀70年代末，體外預應力技術在節段預制橋梁中的應用逐漸發展開來，這也得益于體外防腐問題得到了較好的解決。1978年，法國工程師MULLER J等在美國佛羅里達州設計建造的Long Key橋，是首次體外預應力技術在節段預制橋梁工程中的應用[4]。

20世紀90年代，世界經濟快速發展，隨之而來的是社會各行各業對交通發展的需求，而節段預制拼裝橋梁以施工速度快、工程質量高、經濟效益好及適應性廣等優點滿足了這一需求[5]。以2000年建成的泰國曼谷曼納高架橋為典型代表，該橋全長55 km，是當時世界上最長的橋梁，采用了節段逐跨拼裝、干接縫連接、體外預應力等施工技術，是當時世界上采用逐跨拼裝技術的最大規模的節段預制橋梁。

最早采用節段預制拼裝技術的鐵路橋梁是1976年法國建造的Marne la Yallee高架橋，全長1 528 m。此外，還有同年在日本建成的Kakogawa大橋，全長500 m。兩座橋梁都采用了上行式移動支架進行懸臂拼裝、短線法偶配澆筑節段，還采用了在當時比較新穎的施工技術——環氧樹脂膠接縫[3-6]。

我國對節段預制拼裝預應力混凝土橋梁的研究相比于歐美國家起步較晚，最早開始于20世紀60年代，而且一開始大多應用于鐵路橋梁方面，代表有成昆鐵路上建成的舊莊河一號橋和孫水河五號橋[7]。但是，兩座橋在施工中的拼裝方法有所不同：舊莊河一號橋施工采用的是節段預制懸臂拼裝法，而孫水河五號橋施工采用的是節段預制逐跨拼裝法。由于節段拼裝后橋梁線型控制不理想，偏差較大，后期成本維護太高，因此這項技術在之后逐漸被現澆施工技術所代替。

改革開放以后，隨著體外預應力技術的成熟、先進架橋設備的發明以及相關施工經驗的積累，節段預制拼裝技術很好地滿足了我國橋梁建設的需求。1997年建設完成的石長線湘江鐵路大橋，是我國國內首次采用專用移動支架進行的節段懸臂拼裝施工項目[8]。

另外，之后建成的閩江大橋、珠海淇澳大橋、夷陵長江大橋等公路橋梁結構，在施工方面都采用了預應力節段懸臂拼裝施工技術，結構設計上使用了單剪力鍵膠接縫[9]。此后，我國的節段預制拼裝技術發展突飛猛進，技術優勢也表現得愈發明顯：①施工速度快，節段梁的預制與橋梁下部結構的施工可以同時進行，箱梁的預制和安裝可以分開進行，互不干擾，縮短了施工工期;②成橋的梁的徐變和預應力損失較小，節段梁預制后的堆放養護時間較長;③投資少，采用節段預制拼裝技術可節約10%～20%的工程造價，同時時間成本的減少也間接降低了工程造價。這些優勢在節段預制橋梁的發展應用中起到了重要作用。

2 接縫形式與性能

在節段預制拼裝橋梁結構中，接縫是用來連接各個節段的一種特殊構造。根據連接方式的不同，可分為干接縫、濕接縫及膠接縫3種類型。

干接縫因為梁段之間沒有任何連接材料，所以無法抵抗拉應力，抗震性和耐久性有嚴重的缺陷和不足，目前國內外應用都較少。濕接縫的施工屬于傳統的混凝土澆筑施工，在20世紀90年代開始應用，但是由于施工工序步驟較多，導致施工時間長、施工質量不易保證等一系列問題。此外，濕度縫技術易受溫度影響，節段拼裝時的線形不易控制，該項技術逐漸被膠拼技術所取代[10]。

膠接拼裝技術先用環氧樹脂膠將梁端粘接在一起，再進行預應力張拉。相比于其他接縫，膠接縫的優勢主要體現在以下方面[11]。

①結構受力更加合理。膠接縫節段梁的梁段之間的剪力由剪力鍵、預應力筋和梁段之間的摩擦力來承擔，彎矩則由施加預應力后形成的壓應力來抵抗。膠接縫形成的密閉空間可有效保護預應力筋，提高其防銹蝕能力。

②環境效益好。膠接縫的拼裝施工時間較短，對周圍的施工環境影響較小。另外，濕接縫施工會對周圍環境造成噪聲污染，而膠接縫施工可以避免這一點。

③工程質量高。濕接縫的施工牽涉到混凝土水化熱問題對結構的影響，而膠接縫節段梁在工廠預制完成后就有很長的養護時間，有效減少了混凝土收縮問題，在拼裝時不用考慮水化熱問題。而且環氧樹脂膠也更利于節段定位，線型更容易控制。

節段預制拼裝梁膠接縫專用的環氧樹脂膠是一種建筑類合成膠粘劑，為無溶劑型雙組分觸變性膠，分為A、B兩種成分，根據環境溫度與固化時間按一定配合比攪拌而成。其力學性能一般要求見表1。除了力學性能外，觸變性、濕熱老化性及擠壓性也是環氧樹脂膠性能的重要指標。

3 膠接縫數值模擬方法

目前關于膠接縫抗拉強度已有的研究中，李學斌與盧文良[12-13]等人都在試驗中測得環氧樹脂膠與混凝土的粘連強度大于C50混凝土的抗拉強度標準值，約為3 MPa，且破壞試驗中裂縫都出現在膠接縫附近的素混凝土中，而工程實際中所使用的混凝土等級多不會超過C50。設計中有兩種情況會導致計算結果誤差較大：一是設計中忽略環氧樹脂膠與混凝土的粘連強度，導致預應力設計偏保守，造成預應力鋼筋的浪費;二是數值模擬計算中，通過正常模擬膠接縫材料屬性建立模型，而忽略膠接縫附近的素混凝土的安全狀態。因為工程實際中膠接縫的厚度僅為2～3 mm，膠接縫檢算安全，但與環氧樹脂膠粘連的素混凝土保護層不一定安全。

基于上述原因，提出了膠接縫數值模擬的新方法。在使用Ansys等有限元軟件建模計算時，膠接縫采用長度為兩個混凝土保護層厚度的梁單元模擬，材料屬性為素混凝土屬性。它的目的是通過檢算安全性能較弱的素混凝土，來確定整個膠接縫附近是否都處于安全狀態。

4 結語

通過闡述節段預制拼裝橋梁的發展歷程，對節段預制拼裝橋梁接縫形式的優良判定、接縫材料的性能等進行了介紹，并根據已有的研究提出了有限元數值法分析中膠接縫新的模擬方法，希望可以對膠接縫之后的系統研究提供一些參考。

參考文獻：

[1]PODOLNY W，MULLER J M.Construction and design of prestressed concrete segmental bridges[M].Melbourne：Krieger Publishing Company，1982：324.

[2]徐棟.橋梁體外預應力設計技術[M].北京：人民交通出版社，2008：35.

[3]MILLER M D.Durability of segmental concrete bridges[J].Journal of Bridge Engineering，1995（6）：539-542.

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[5]張立青.節段預制拼裝法建造橋梁技術綜述[J].鐵道標準設計，2014（12）：63-66.

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[10]高明昌.鐵路節段預制膠接拼裝簡支箱梁的技術特點和優勢[J].鐵道建筑，2015（10）：60-63.

[11]張立青.鐵路節段預制膠接拼裝法建造橋梁技術與應用[J].鐵道建筑技術，2015（1）：8-11.

[12]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.

[13]盧文良，楊雷，鄭強.節段預制膠拼構件軸拉強度試驗研究[J].鐵道標準設計，2019（10）：89-92.

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