铁路预应力混凝土连续梁节段预制胶拼法建造技术研究

2021-03-25周岳武季伟强

铁道标准设计 2021年3期

苏伟，周岳武，季伟强，邢雨，张悦

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 节段预制胶拼技术的发展

使用节段预制拼装法建造桥梁，是先将桥梁整体“化整为零”为预制节段，然后运送至桥位处施加预加应力“集零为整”成整体结构。与连续梁支架现浇和挂篮悬臂浇筑等传统工法相比，节段预制拼装技术具有高质量、高效率、工厂化、标准化、机械化、信息化等特点，且环保，后期收缩徐变小，逐渐成为节段预制桥梁的发展趋势[1-2]，符合“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念。

20世纪60年代，法国的Choisy-Le-Roi桥是第一座采用节段预制胶接拼装技术的桥梁[3]。在我国，节段预制拼装预应力混凝土桥梁应用较早，如河南省五陵卫河公路桥(25+50+25)m、成昆铁路旧庄河1号桥(24+48+24)m和孙水河5号桥(32.3+64.4+32.3)m等[4]，但由于工程条件的限制，该技术在后续工程中未得到很好的推广应用。随着我国桥梁技术的发展，20世纪90年代后期以来，节段预制拼装法建造技术在公路、市政、轨道交通等领域逐渐应用开来。铁路领域也有部分应用，如1997年竣工的石长铁路湘江特大桥主桥(61.65+7×96+61.65)m单箱单室预应力混凝土连续梁，2014年竣工的黄韩候铁路芝水沟大桥，以及拉林铁路贡嘎特大桥、银西高铁莫谷河2号特大桥等。

2016年，中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题《铁路预应力混凝土连续梁节段预制拼装法建造关键技术研究》(2016G002-H)从设计、线形控制、拼装装备、施工、经济性等方面对铁路预应力连续梁节段预制拼装技术开展深入研究，并在以下项目中开展应用：(1)郑阜铁路周淮特大桥163～172号墩跨越新运河3-(40+56+40)m连续梁，2017年竣工，目前已开通运营；(2)京唐铁路潮白新河特大桥(48+80+48)m+(16-40)m+(48+80+48)m共1 km的连续梁及大跨简支梁正在施工中;(3)郑济铁路黄河桥引桥22联(56+56+56)m等高连续梁，正在施工中。同时针对某项目8联(60+60+60)m等高连续梁进行了应用研究。上述4个项目均为时速350 km高速铁路。本文以此为背景，对铁路预应力混凝土连续梁节段预制胶拼法建造技术主要研究成果进行论述。

2 主要技术指标

2.1 梁体弹性变形

文献[5]研究表明，预制胶拼梁梁体实测竖向抗弯刚度比计算刚度偏小7.2%。考虑一定的安全系数，梁的变形(挠度和转角)可按照弹性阶段计算，刚度按照0.9的系数折减，如式(1)所示。

B=0.9βpβ1EcI0

(1)

式中各符号的意义与《铁路桥涵混凝土结构设计规范》7.3.19条一致。

2.2. 应力要求

节段预制拼装桥梁结构纵向应按全预应力结构设计。为确保结构耐久性，胶接缝截面建设、运营全过程不应出现拉应力，在最不利荷载组合下，运营阶段混凝土压应力储备不应<1.0 MPa，施工阶段混凝土压应力储备不宜<0.5 MPa。在计算温差应力时，对于降温温差可采用混凝土0.8倍的受压弹性模量。

课题组制作了不同挤胶应力的节段预制构件，研究挤胶应力对强度的影响，试验表明随着临时挤压应力从0.2 MPa增至0.5 MPa，胶拼构件的平均破坏荷载先增加后基本稳定，在一定程度上提高挤压应力，能够提高胶拼构件劈拉抗拉强度。建议胶接缝的全截面粘合临时压应力≮0.3 MPa，有条件时可采用0.4 MPa，并保证胶缝面受力均匀，直至环氧树脂胶粘剂固化。

2.3. 安全系数

节段预制拼装桥梁结构正截面拉压强度、正截面抗弯强度、斜截面抗弯以及斜截面抗剪强度计算应按现行行业标准TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》执行，各强度计算不考虑纵向普通钢筋的贡献。结合美国AASHTO规范[6]和我国现行TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》，胶接缝截面的最小强度安全系数和抗裂安全系数可按照表1所列数值，非胶接缝截面强度安全系数按照TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》执行。

表1 安全系数

2.4 胶接缝正截面抗剪强度计算

可采用基于混凝土剪-压复合强度准则的计算方法[7]对胶接缝截面抗剪强度安全系数进行计算，连续梁应考虑结构上、下缘均布设有预应力的情况，并结合TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中的设计参数及平衡方程。

该方法理论依据充分，且从目前已经设计完的这几个项目来看，预应力用量及结构安全系数均较为合理。

2.5 胶接缝截面抗裂计算

(1)正截面的抗裂可按下列公式计算

①轴心受拉、小偏心受拉或小偏心受压构件

Kfσ≤σc+kctfct

(2)

②受弯、大偏心受拉或大偏心受压构件

Kfσ≤σc+γkctfct

(3)

式中，Kf按照表1采用；kct为混凝土抗拉强度修正系数。课题组开展了C55混凝土单键胶拼试件拉伸试验，试验结果表明：自然环境条件下的试件胶接缝抗拉强度在2.94～3.24 MPa，平均值为3.17 MPa[8]；人工加速湿热老化条件的试件胶接缝抗拉强度在2.55～3.52 MPa，平均值为2.90 MPa；胶接缝具有一定的抗拉性能。根据试验结果并考虑一定的安全系数及耐久性要求，胶接缝截面可取0.3或者根据试验确定，非胶接缝截面取1.0。其余参数含义均与TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》第7.3.9条一致。

(2)斜截面抗裂性按下列公式计算

σtp≤ktpfct

(4)

σcp≤0.6fc

(5)

式中，ktp为斜截面允许主拉应力修正系数，胶接缝截面可取0.7或者根据试验确定，非胶接缝截面取1.0。其余参数含义均与TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》第7.3.9条一致。

3 方案及构造设计研究

3.1 立面布置

(40+56+40)m连续梁和(48+80+48)m连续梁采用C55混凝土，单箱单室直腹板截面。主梁变高度直腹板连续箱梁，变高段均采用1.8次抛物线，变高段长分别为8.25 m和23 m，跨中等高段长分别为37 m和31 m，边跨等高段分别为31 m和24 m，中支点梁高分别为4.335 m和6.635 m，等高段梁高分别为3.035 m和3.635 m。

(56+56+56)m和(60+60+60)m等高连续梁均采用C60混凝土，单箱单室斜腹板截面，梁高分别为4.2 m和4.5 m。

梁端顶板均设0.25 m长的悬臂段，以满足施工时操作空间的需要并方便梁端预应力张拉；等跨连续梁由于边支座吨位较大，为减小梁端至支点的距离，底板也设置0.25 m长的悬臂牛腿。其中(40+56+40)m连续梁施工现场如图1所示。

图1 (40+56+40)m连续梁主梁架设现场

在满足结构刚度和受力的前提下，(40+56+40)m连续梁和(48+80+48)m连续梁采用比悬臂浇筑方案更长的等高段长，主要方便节段预制、存放及运输。其中(48+80+48)m连续梁梁端与40 m节段预制胶拼简支梁相接，简支梁外轮廓与连续梁等高段外轮廓一致，以减少预制模板投入，且全桥整体协调，具有较好的景观效果。

3.2 节段划分

梁体节段划分须结合现场施工条件决定，受控于节段运输能力及吊装能力，(40+56+40)m连续梁和(48+80+48)m连续梁均采用桥上运输方案。

(40+56+40)m连续梁预制节段长度有4.0 m和4.5 m两种，中支点0号节段和边支点节段分别长3.0，4.25 m，全联共32个预制节段和1个1.0 m长的跨中现浇合龙段，0号段质量198.7 t，其余预制节段最大质量159.2 t。

(48+80+48)m连续梁预制节段长度有3.0，3.5，4.0，4.75，5.0 m共5种，全联共42个预制节段和1个2.0 m长的跨中现浇合龙段。其中0号段质量347 t，其余预制节段最大起吊质量为191 t。

(56+56+56)m等高连续梁预制节段长度主要有4.5 m和4.8 m两种，中支点0号节段和边支点节段分别长3.5，3.775 m，全联共37个预制节段，无现浇合龙段。预制节段质量均<200 t。

(60+60+60)m等高连续梁预制节段长度主要有4.3 m和4.6 m两种，中支点0号节段和边支点节段分别长3.4，3.3 m，全联共40个预制节段和1个2.0 m长的跨中现浇合龙段。预制节段质量均<200 t。

3.3. 0号段施工方法

0号段由于有隔板及加靴构造，且板厚较厚，结构质量一般比其余节段要大，往往成为施工控制因素，而且0号段作为首节段安装，其线形控制直接影响后期节段的拼装质量。

(48+80+48)m连续梁0号段隔板及隔板范围的顶板在桥位后浇筑，预制部分质量210 t。其余3个梁0号段均采取整体预制整体吊装施工。

连续梁采用节段预制拼装法建造时，在满足受力的前提下，可采取加大隔板人孔尺寸和减小甚至取消加靴构造，以便减轻0号段预制吊重。0号段可采取整体预制整体吊装、现浇施工、部分预制部分后浇、纵桥向分割成2个预制节段、横桥向分割成2个预制块以及竖向分割成2个预制块等施工方法进行施工，可结合实际情况合理采用。

3.4 一般构造要求

一般构造满足如下相关要求。

(1)剪力键布置原则可参考课题组发表的相关文献[9]，铁路桥梁在轨枕或轨道板范围内宜布设顶板剪力键。

(2)预制节段纵向尺寸应结合运输、存放、吊装、架设等因素综合确定，同类节段纵向尺寸宜保持一致。采用上行式节段拼装造桥机拼装，铁路双线桥梁预制节段一般不超过5.0 m。

(3)结构板厚变化位置宜与预制节段两端错开0.5 m左右。

(4)各预制节段宜尽可能减少顶板齿块类型。

(5)支点附近承受较大剪力的胶接缝宜布设斜向抗剪预应力束。

(6)预应力管道弯曲段不宜跨预制节段布置，预应力管道平弯、竖弯段宜相互错开。

(7)胶接缝两侧的预制节段腹板箍筋宜适当加强。

(8)胶接缝两侧预制节段受压区顶板(或底板)与腹板的结合区内宜设置加强封闭箍筋，并局部加密顶板(或底板)的联系筋。

(9)位于平曲线上的节段预制拼装梁，以折代曲进行节段拼装时，应根据受力需要在接缝两侧布设预应力防崩钢筋。

(10)预应力齿块锚固端部与胶接缝截面的距离应不小于齿块锚后加强钢筋的锚固长度。

(11)桥面排水管、接触网立柱宜布置在预制节段中间附近，不应跨胶接缝布置。

(12)防护墙断缝及底部过水孔应与梁体接缝错开布置。

4 节段拼装方案

4.1 节段拼装造桥机

郑阜铁路(40+56+40)m连续梁采用TPZ80/2500型造桥机，可满足于跨度64 m及以下的双线简支梁节段拼装和跨度不超过80 m的双线连续梁节段拼装，满挂悬拼节段总质量2 500 t，最大起吊质量200 t。适应最小曲线半径2 500 m，最大线路纵坡3%。

4.2 节段拼装方案

节段拼装方法一般有逐跨拼装、平衡悬臂拼装以及混合式拼装。课题组结合实际情况对各项目分别采用了一次半联满挂拼装工艺、“小节段预制、多节段拼装”的平衡悬臂拼装工艺和逐跨拼装工艺。

(1)(40+56+40)m连续梁

为提高施工效率，综合整孔拼装及悬臂拼装工法的施工特点，(40+56+40)m连续梁创造性地采用一次半联满挂拼装工艺，如图2所示，最后中跨跨中现浇合龙段[9]。该工法减少了节段拼装过程中的钢束张拉过程，加快了施工进度，现场操作熟练后，一联连续梁仅用时1个月便施工完成。同时线形控制相对简单，提高胶接缝拼接质量，且避免了节段间的预应力锚槽。

图2 (40+56+40)m梁一次半联满挂拼装示意

(2)(48+80+48)m连续梁

(48+80+48)m连续梁由于半联一次满挂拼装节段质量较大，对造桥机要求高，因此采用“小节段预制、多节段拼装”的一种拼装方式[10]，具体拼装顺序为：桥墩两侧一次平衡悬臂拼装3对预制节段，共平衡悬臂拼装3次即一侧9个节段，再拼装边跨不平衡段，最后中跨现浇合龙。该方案造桥机一次承重较轻，施工速度较快，节段之间预应力锚槽、连接器布置少。半联连续梁最后一次平衡悬臂拼装工序示意如图3所示。

图3 (48+80+48)m连续梁典型拼装工序示意

(3)(60+60+60)m连续梁

(60+60+60)m连续梁等跨布置，对称平衡悬臂阶段较短，边跨不平衡段较长，悬臂阶段顶板满足预应力布束及锚固空间的需求，同时为减少顶板齿块数量和类型，方便节段预制，平衡悬臂阶段采用一次悬臂拼装一对节段，预应力锚固在节段端面，再拼装边跨不平衡段，最后中跨现浇合龙。

(4)(56+56+56)m连续梁

上述3类跨度的连续梁均在跨中设置了现浇合龙段。为减少现场工作量，提高施工效率，(56+56+56)m连续梁采用逐跨拼装工艺，接力拼缝位置设置在每孔1/4跨弯矩反弯点处，全梁无现浇合龙段及湿接缝。主要施工步骤如图4所示。

图4 (56+56+56)m连续梁主要施工步骤示意

每一施工步骤，所有节段拼装完成后，再安装相应节段的支座，待支座砂浆垫层强度和环氧树脂强度达到要求后，随后立刻张拉并锚固对应梁段内永久钢束。

节段拼装过程中，已安装的节段要求采用白色土工布覆盖，夏期浇水降温，冬期保温，避免桥面温差对后续待拼装节段的不利影响。

4.3 施工工艺控制

采用长线法或短线法预制，外模为可调节的整体钢模，内模为可调节的分块模板。采用曲线梁曲线预制工艺。

初始拼装节段0号段的定位控制对整个结构的线形影响较大，施工过程中应采取有效措施确保其精准定位。

为确保施工过程中满足胶接缝最小压应力的要求，永久预应力张拉可采取部分初张拉或上、下缘同时张拉多束预应力的措施。采用上行式节段拼装造桥机时，预应力张拉过程中应及时调整各个节段上吊杆的长度或拆除吊杆，以适应梁体受力与变形。永久预应力张拉前应避免结构变形及内力变化，确保施工质量。

5 耐久性设计

5.1 环氧树脂胶粘剂

预制节段间胶接缝材料采用无溶剂型环氧树脂胶粘剂，硬化后应与节段混凝土表面颜色相近。环氧树脂胶粘剂应满足桥址区常年温度变化、使用环境的要求，并应有较好的施工性能，易于涂刮而无流挂。不应在混凝土碱性环境下发生化学反应，具有良好的耐老化性能。钢-钢T冲击剥离能力要求为0 mm，C55混凝土试块间的正拉黏结强度≮3.0 MPa。

5.2. 预应力孔道接头密封措施

预制节段端部预应力管道设置新型孔道接头密封装置，确保管道密封性能，孔道接头密封装置主要包括密封圈、匹配段套管、现浇段套管、单向堵头、双向堵头和内卡环，其安装示意详见图5。

图5 预应力孔道接头密封装置安装示意

采用全体内预应力，(48+80+48)m节段预制拼装梁使用了部分预应力连接器，在待拼装的相邻预制节段中提前预埋一段喇叭状的异形波纹管，喇叭状异形波纹管的端部也设置约束圈，以取代连接器保护罩的作用。现场拼接时，连接体直接插入预埋在相邻预制节段的异形波纹管内，并设一环形密封垫圈，以保证密封性能，且方便施工。如图6所示。

图6 预应力连接器异形波纹管安装示意

5.3 管道压浆

预应力管道压浆材料采用专用压浆料，压浆料满足QCR 409-2017《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》的相关要求，并掺入阻锈剂。采用真空辅助压浆工艺或者智能循环压浆工艺。

5.4 其他措施

耐久性设计其他措施主要如下。

(1)受阳光照射的梁体胶接缝可在其表面刷涂耐紫外线较好的罩面胶[11]进行防护处理，罩面胶与环氧树脂胶粘剂之间应具有很好的相容性和黏结性，如环氧密封漆+氟碳漆。

(2)采取桥面排水管布置在预制节段中间附近、防护墙断缝及底部过水孔与梁体胶接缝错开布置等有效措施，确保桥面排水通畅并减小对胶接缝的影响。

6 经济性分析

为配合节段预制拼装工艺，相比采用挂篮悬臂浇筑施工的同跨度梁，节段预制拼装方案采用了更长等高段，同时优化了0号段的结构设计，因此对应跨度节段预制拼装方案的混凝土用量相比悬臂浇筑方案要稍少。但预制拼装方案的纵向预应力用量比悬臂浇筑方案多，对应每立方混凝土纵向预应力含量也比悬臂浇筑方案大，这主要是因为：①预制拼装方案的胶接缝截面在整个施工、运营过程中不能出现拉应力并有一定的压应力储备；②抗裂安全系数计算时，混凝土抗拉强度折减较多；③下排腹板预应力布置距离截面顶部距离大。一联(40+56+40)m连续梁和一联(48+80+48)m连续梁采用不同施工方案的主要工程数量详见表2。