方晓成 刘江武

摘要：节段梁拼装技术是大型混凝土建筑中经常使用的技术之一，为了保证该技术在大跨径悬臂建设工作中的应用质量，设计拼装节段梁粘接临界试验，为项目工程的实施提供数据支持。粘接临界试验设计的目的是确定拼装节段梁的临界承载力及其粘接性能的影响因素，方便调整节段梁的内部结构与组成成分。在试验开始前，分别准备试件制备和粘接临界测试的实验原材料。利用原材料预制大跨径悬臂节段梁，并按照实际的富春江大桥工程结构得出试验的试件样本。分析拼装节段梁粘接性能的作用机理，在此基础上通过设置测点和施加荷栽2个步骤，设计并执行试验。通过分析拼装节段梁试件应变与荷栽的关系，确定其粘接临界强度，其中试件cFsT1-P粘接临界为1600kN，而试件cFsT2-P的粘接临界为1200kN。

关键词：混凝土建筑;大跨径悬臂梁;节段梁拼装;粘接性能;临界试验;

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1001—5922（2021）01—0105—06

0引言

混凝土是建筑中常用的建筑材料之一，该材料是胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称，在实际的建筑工程设计与建设过程中，使用的混凝土多利用水泥作为胶凝材料，将石、砂等作为集料按照一定比例与水搅拌在一起，得到的水泥混凝土即为普通的混凝土，可以被广泛应用到土木工程中，也可以直接作为建筑材料应用到建筑施工工程中。在制作混凝土材料的过程中，可以根据建筑的施工需求，加入外加剂以及掺和料等添加剂，得到性能不同的混凝土材料。在实际的混凝土建筑中除了混凝土材料外，还需要配合一些钢筋材料，就是在钢管中填充混凝土，进而将混凝土和钢筋两种不同性质的材料组合。按照建筑截面形式的不同，可以将得到的混凝土材料分为圆形钢筋混凝土、方形钢筋混凝土和多边形钢筋混凝土，以这种材料为原料建设的建筑即为混凝土建筑。混凝土建筑除了常见的居民楼、办公楼外，还包括跨江大桥以及类似跨度较大的建筑。其中大跨径悬臂梁是修建大桥上的重要组成部分之一，一般大桥修建时，其上部是由变截面双向预应力混凝土形成的连续箱梁和挂篮悬臂，且浇筑在其端支座处、跨中及边跨直线段的梁高呈线性变化。利用节段拼装技术将设计并完成施工的大跨径悬臂梁以节段梁的形式安装在桥桩上，实现大跨度桥梁的设计与施工。

混凝土建筑大跨径悬臂拼装节段梁在实际应用过程中需要承载较大的应力，而且混凝土建筑的泊松比会随着荷载的增加有明显的增大，可以由低应力时的1/6到高应力时的1/2，接近破坏时会更大。而混凝土建筑中的大跨径悬臂拼装节段梁也会由于受力较大，而发生断裂或变形等问题，为此需要在施工与设计过程中对大跨径悬臂拼装节段梁的粘接性进行分析，并根据分析结果进行改进。

混凝土建筑大跨径悬臂拼装节段梁的粘接性指的是软质耐火粘土等能胶结另外一种物质的性质，及干后的硬化能力。粘接性较高的拼装节段梁可以在承受较大压力的情况下，保证整体混凝土建筑的完整性，有效降低坍塌事故发生的概率。因此在混凝土建筑大跨径悬臂拼装节段梁投人应用之前，需要对其粘接性进行测试试验，以粘结性的临界值为量化判断标准进行测试，从而为大跨径悬臂拼装节段梁施工项目的调整与修复提供数据支持。

1大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界试验设计

选取富春江大桥的混凝土梁端进行大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界试验，选择的梁端为此次试验的试验对象样本，试验对象样本的采集环境如图1所示。

为了降低此次粘接临界试验对实际混凝土建筑施工的影响，以选择的富春江混凝土大桥梁端为基础，重新准备规格相同的大跨径悬臂拼装节段梁作为此次试验的试验对象，主桥跨径布置为85+2x151+85m，总长472m，边中跨比0.563。主梁采用上下行分幅设置。主梁主体采用节段预制拼装，主墩附近主梁采用现浇施工。边跨共划分20个预制节段，单个中跨共划分35个预制节段，全桥共220个预制节段。结构体系采用连续钢构体系，主墩墩身与主梁固结，过渡墩与主梁间设置支座。预应力砼段箱梁采用变截面连续箱梁，梁高及底板厚度按1.8次抛物线变化。大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界试验的总体布置情况如图2所示。

1.1试验目的

设计大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界试验的目的包括：①探索大跨径悬臂拼装节段梁粘接应力的变化与粘接强度的大小;②研究大跨径悬臂拼装节段梁粘接不同拼装节点的受力情况，并初步得出承载力的计算结果;③得出大跨径悬臂拼装节段梁粘接滑移本构模型，并计算粘接的极限长度和临界应力。

1.2试验材料准备

根据实际富春江大桥桥梁建筑工程的施7-7-况与施工需求，结合大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界试验的研究目的，分别从试验的3个阶段准备一定数量的试验材料。

1.2.1混凝土大跨径悬臂拼装节段梁材料

混凝土大跨径悬臂梁采用C55海工耐久混凝土，在固结墩左右幅间中横梁段现浇湿接缝采用C55补偿收缩混凝土顶板横向预应力悬臂梁的型号为BMl5-3，体外预应力采用无粘接PE高强低松弛镀锌钢绞线，外套采用高密度聚乙烯哈弗套管。另外在大跨境悬臂节段梁的拼装过程中需要用到起吊机等设备，悬臂起吊机的额定起吊重量为800kN，适应悬臂节E墚的最大长度为3m。虽然不同拼装阶段的抗倾覆安全系数不同，但始终不低于2.0。悬臂起吊机的最大悬臂作业半径和最大吊升高度分别为3.5m和25m，该设备的自重量是280kN。另外需要在施工之前选择型号适宜的相关电动设备，并对设备进行调试处理。

1.2.2粘接臨界测试仪器与材料

试验按照应力等效原则进行粘接临界的测试，因此需要在混凝土大跨径悬臂拼装节段梁上施加不同程度的应力与荷载。考虑实际试件的受力面积，使用螺旋式千斤顶作为粘接临界测试材料，并要求选择的施加荷载设备可以准确调整施加荷载的大小。除此之外，还需要准备传感器设备，传感器的主要作用是观察混凝土大跨径悬臂拼装节段梁的形变情况，并将试件的形变情况量化输出，得到量化的试验测试结果。

1.3制备大跨径悬臂拼装节段梁

以实际富春江大桥建筑工程中的大跨径悬臂拼装节段梁结构为基础，制备此次试验的试件。实验试件设备的制备分为3个步骤，首先准备试件的原材料，即混凝土材料，按照大跨径悬臂梁的结构数据制作节段梁。最后利用拼装技术，将节段梁拼装在一起得到粘接临界试验的试件。最终制备的大跨径悬臂拼装节段梁结构如图3所示。

对于制备的试验试件需要同时保证平面面板的匹配密贴和节段梁栓焊连接的质量，据此要求拼装技术具有足够的制造精度，在试验开始之前也需要掌握接缝口在拼装阶段的相对变形量m。为了避免试验中其他变量对试验结果造成影响，需要对制备完成的混凝土大跨径悬臂拼装节段梁试件进行质量检测与筛选。

1.3.1设计试件结构

大跨径悬臂节段梁主要由主梁、锚固系统、纵横向调整系统、横联及支承系统等部分组成，具体的试件设计结构如图4所示。

大跨径悬臂拼装节段梁的桥面吊机主梁是由贝雷片拼接而成的空间桁架结构，在一个混凝土大跨径悬臂梁中主梁分为两个部分，两者之间的距离约为2.5m。而相应贝雷片的桁长为13.5m左右，该单元的组成方式为4排单层结构。锚固系统的作用是用来固定大跨径悬臂梁，防止其在拼装或移动过程中发生倾覆。通过大跨径悬臂梁各个单元结构的配合，实现大跨径悬臂节段梁的平衡和稳定。

1.3.2混凝土的配置与施工

以混凝土为大跨径悬臂拼装节段梁的组成原料，首先确定混凝土的配比。要求配置的混凝土坍落度损失小于20mm，其中底板、腹板与顶板的坍落度控制在140mm到180mm之间。另外在施工过程中混凝土的初始凝结时间不能高于8h，但最终的凝结时间不能小于14h，为了保证试件制备结果的牢固性，要求混凝土原材料在48h后的应力强度需要达到40MPa以上，且其外观的气泡量要少，不能出现渗水、泌水的情况。

遵循上述混凝土配置的要求，按照混凝土的施工工艺得到混凝土配置的初始结果。首先充分考虑混凝土配置结果在强度、凝固时间以及坍落度等方面的要求，确定并称量混凝土、水、砂、石以及外加剂之间的配比。在混泥土搅拌的过程中尽量避负加气剂以及氯盐的掺人，将水、水泥以及减水剂的用量精确到1%。

1.3.3制备大跨径悬臂梁

选择大跨境悬臂梁的模具，通过混凝土泵送的方式将搅拌完成的混凝土注入其中，按照图5所示的流程制备大跨境悬臂梁。

拆除浇筑模板，并校正模板的制备误差，得出初始大跨境悬臂节段梁试件的制备结果，如表1所示。

1.3.4拼装大跨径节段梁

大跨径悬臂节段梁的拼装就是将准备完成的混凝土悬臂节段梁运输到相应的桥位上，以移动支架造桥机为依托，将多个节段梁按照制备顺序和形状整孔拼装到位。具体的拼装流程如图6所示。

在拼装过程中需要控制节段梁的中线位置和梁顶高度，由于在现场施工过程中无法避免拼装误差的产生，因此针对每一个拼装环境消除可控误差，以免误差累积。

1.4无应力作用下计算节段梁预制构形

结合有限元理论在无外力作用下，分析节段梁的状态量与单元预制构形参数之间的关系。定义节段梁的端面曲率和长度表達式为：

综合上述理论可以得出大跨径悬臂拼装节段梁粘接应力的大小与其在梁体内部的分布规律，从而得到粘接应力的试验值。在梁体内部安装应变片，且由于梁内相对宽度方向尺寸较小，因此可以近似认为拼装节段梁内外两侧的应力与应变情况相同。通过实时计算应变片的形变量，并统计相应的荷载施加情况便可以得出应变一应力一荷载之间的数据关系，结合极限理论得出粘接临界条件，便可以得出大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界的实验结论旧。

1.6试验过程

以上述粘接应力的试验测试及其相关原理为理论基础，分别从应力一应变测试点和施加荷载2个方面设计并执行试验过程。

1.6.1布置测点

在布置应变片时，将应变片按照一定间距布置在梁体外壁上，在不影响拼装节段梁粘接效果的同时，保证应变片的安全和测量准确，并具有较高的试验操作性。

1.6.2施加节段梁荷载

在对大跨度悬臂拼装节段梁施加荷载之前，首先需要分析节段梁的初始荷载。在初始状态下节段梁的荷载来自于自身的重力、移动的拉力以及混凝土建筑桥面的荷载等，初始节段梁荷载分析结果如表2所示。

调节安装的千斤顶设备，实现节段梁的施加荷载值，分别记录千斤顶的荷载数据以及不同试件梁内应变片的数据，同时观察大跨径悬臂拼装节段梁的外观变化。

2试验结果分析

综合荷载施加量、梁内应变量以及应力的统计结果，可以得出相关的大跨径悬臂拼装节段梁粘接临界试验结果，其中试件CFST1一P的荷载与开裂应变情况如表3所示。

按照表3中数据的计算方式，可以得出所有试验试件应变与荷载之间的数据关系，计算数据的平均值绘制荷载一应变的关系曲线如图8所示。

从图8中可以看出，不同的试件由于内部结构以及原料含量的不同，导致其粘接荷载的临界值不同，其中编号为CFSTl-p试件的粘接临界为1600kN而试件CFST2-P的粘接临界为1200kN。

3结语

通过模拟混凝土建筑工程的施工实际情况，大跨度悬臂梁采用节段悬梁拼装的方式连接具有工期短、质量好、施工安全系数高以及工程成本低等特点，可以在未来的城市建筑工作中得到广泛的应用。然而针对不同的地段和使用需求，需要对拼装节段梁之间的接缝进行粘接临界分析，从而保证拼装技术的应用价值和施工质量。得出的粘接临界结果为：CFST1-P试件的粘接临界为1600kN而试件CFST2-P的粘接临界为1200kN。