杜振華 張 政

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063；2.中國鐵路上海局集團有限公司徐州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部 江蘇徐州 221003)

1 概述

節(jié)段預(yù)制拼裝法是將混凝土結(jié)構(gòu)先“化整為零”再“集零為整”的一種施工方法，基本原理是利用預(yù)應(yīng)力束施加于混凝土預(yù)制節(jié)段上的壓力，使得節(jié)段接觸面緊密貼合，形成一個整體共同承擔荷載。早在20世紀60年代，歐美國家已經(jīng)開始采用節(jié)段預(yù)制拼裝法建造橋梁。目前，在美國、日本及歐洲等發(fā)達國家，節(jié)段預(yù)制膠拼法在高速公路、高速鐵路、城市軌道交通預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁、連續(xù)梁等橋型中得到了廣泛的應(yīng)用，成為混凝土橋梁的主流施工方法。2000年建成通車的法國TGV地中海線Avignon(阿維尼翁)特大橋是首座采用節(jié)段預(yù)制膠拼法建造的高速鐵路橋梁，采用了上行式移動支架進行懸臂拼裝。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展及橋梁施工工藝、施工設(shè)備和材料技術(shù)等的不斷進步，節(jié)段預(yù)制膠拼技術(shù)在國內(nèi)也進行了推廣應(yīng)用，蘇通大橋引橋、上海長江大橋引橋、蕪湖長江二橋引橋、港珠澳大橋引橋、廣州地鐵四號線高架橋等均采用了節(jié)段預(yù)制膠拼技術(shù)。2014年竣工的黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是國內(nèi)首座采用節(jié)段膠拼法建造的大跨度簡支梁[1]，2017年竣工的鄭阜高鐵周淮特大橋(40+56+40)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁是國內(nèi)首座采用節(jié)段膠拼法建造的鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁[2]。在連徐高鐵、京唐高鐵、銀西高鐵、閻機城際、鄭許市域鐵路、魯南高鐵、廣汕鐵路等項目又開展了進一步試點應(yīng)用和研究。

與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁傳統(tǒng)的支架現(xiàn)澆法和掛籃懸臂澆筑法相比，節(jié)段預(yù)制膠拼法工廠化和機械化作業(yè)程度較高，具有施工速度快，工期短，利于環(huán)保，對橋下既有交通影響小、節(jié)段養(yǎng)護時間長，后期徐變變形和預(yù)應(yīng)力損失小等優(yōu)勢，但對施工質(zhì)量控制、現(xiàn)場管理、線形控制、施工設(shè)備以及工人的專業(yè)技能要求更高，需要精細化的設(shè)計、施工和管理。

接縫處縱向普通鋼筋及混凝土不連續(xù)是節(jié)段預(yù)制膠拼梁區(qū)別于整體現(xiàn)澆或濕接縫節(jié)段拼裝橋梁的最基本特征[3]。接縫既是節(jié)段梁的關(guān)鍵部位，也是節(jié)段梁的薄弱部位，直接關(guān)系到橋梁的安全和耐久性。接縫對結(jié)構(gòu)強度和剛度的影響、接縫截面剪力鍵布置、抗剪承載力、壓應(yīng)力儲備、耐久性等是設(shè)計中需要重點關(guān)注和解決的問題。目前鐵路行業(yè)對節(jié)段預(yù)制拼裝法的施工工藝有簡單的規(guī)定，但尚無設(shè)計相關(guān)的規(guī)范和標準，設(shè)計時只能參照國外規(guī)范、公路行業(yè)相關(guān)規(guī)范及工程設(shè)計實例進行，需要進一步總結(jié)和積累設(shè)計經(jīng)驗。本文結(jié)合鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁的設(shè)計實踐，對以上幾個值得關(guān)注的地方進行總結(jié)和探討，為以后的工程設(shè)計提供參考。

2 節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁設(shè)計要點

2.1 設(shè)計控制指標

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁設(shè)計主要控制指標有預(yù)應(yīng)力度、強度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)、施工及運營階段膠接縫截面的應(yīng)力控制指標等。

接縫是節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁中的特殊構(gòu)造，可理解為結(jié)構(gòu)中人為形成的貫通裂縫，在運營階段必須要有一定的壓應(yīng)力儲備，以避免水汽進入梁體，腐蝕預(yù)應(yīng)力筋。因此，節(jié)段梁應(yīng)按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，其預(yù)應(yīng)力度不小于1，所有的項目都是按此進行控制的。而運營階段壓應(yīng)力儲備，有的項目按不小于0.5 MPa控制，有的按不小于1.0 MPa控制，尚未形成統(tǒng)一的標準。有關(guān)試驗表明，為保證開裂截面閉合，需施加不小于1.0 MPa的壓應(yīng)力[4]，從這個角度考慮，運營階段接縫截面壓應(yīng)力儲備按1.0 MPa考慮是合理的，也是偏于安全的，實踐證明也是可行的。

和簡支梁不同，連續(xù)梁既有正彎矩區(qū)段又有負彎矩區(qū)段，其控制截面不一定都發(fā)生在接縫截面上，如中跨跨中截面、中支點截面雖然是設(shè)計控制截面，但不一定是接縫位置，因此，節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁設(shè)計中應(yīng)注意對接縫截面和非接縫截面區(qū)別對待:接縫截面普通鋼筋不連續(xù)，不考慮縱向鋼筋的貢獻，強度檢算時還要考慮接縫對強度的折減、運營階段應(yīng)保證足夠的壓應(yīng)力儲備；而非接縫截面，例如中支點截面檢算時，由于預(yù)制節(jié)段有一定的長度，在一個節(jié)段范圍內(nèi)縱向鋼筋是連續(xù)的，如果檢算截面兩側(cè)縱向鋼筋的錨固長度足夠，是可以參與該截面受力的，強度檢算時也可以考慮縱向普通鋼筋的貢獻，強度安全系數(shù)可按工廠制造條件的結(jié)構(gòu)控制，運營階段的壓應(yīng)力儲備可以參照懸灌或現(xiàn)澆連續(xù)梁的成熟經(jīng)驗取值，不按接縫的壓應(yīng)力儲備值進行控制，這樣既可以保證結(jié)構(gòu)的安全，也可以減少預(yù)應(yīng)力筋的用量。

2.2 接縫面構(gòu)造設(shè)計

膠接縫面斷面設(shè)置剪力鍵，拼裝過程中涂抹環(huán)氧樹脂膠并施加臨時預(yù)應(yīng)力使環(huán)氧樹脂膠固化。剪力鍵在節(jié)段拼裝時可以輔助定位，在成橋后可以承擔接縫面上的一部分剪力，目前常采用密齒型剪力鍵。剪力鍵可分為腹板剪力鍵、頂板剪力鍵、底板剪力鍵以及腹板與頂?shù)装褰Y(jié)合區(qū)剪力鍵。腹板剪力鍵可以參與接縫截面的剪力傳遞；底板剪力鍵主要用于協(xié)助節(jié)段拼裝定位，頂板剪力鍵不僅可以協(xié)助節(jié)段拼裝對接定位，還可以傳遞接縫位置橋面荷載引起的剪力。剪力鍵構(gòu)造尺寸可參照AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計與施工指南》要求辦理。

環(huán)氧樹脂膠在拼裝過程中主要起到潤滑調(diào)節(jié)定位的作用，固化后可以對拼接縫起到密封防水、預(yù)防預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕的作用。其主要性能指標包括觸變性、可施膠時間、可粘結(jié)時間、開放時間、抗壓強度、抗壓強度、粘結(jié)強度、化學(xué)性能、耐濕熱老化性能等方面[5]，其固化所需壓應(yīng)力常按0.3 MPa控制。施工時需要結(jié)合實際溫度選擇相應(yīng)的產(chǎn)品，并在可施膠時間范圍內(nèi)完成環(huán)氧樹脂膠的涂抹并及時施加臨時預(yù)應(yīng)力。臨時預(yù)應(yīng)力施工完后應(yīng)注意及時進行清孔，以防止孔道被固化后的環(huán)氧樹脂膠堵塞影響后期預(yù)應(yīng)力穿束和灌漿。

2.3 接縫截面抗裂驗算

驗算膠接縫截面的抗裂安全系數(shù)時，通常偏安全地忽略環(huán)氧膠與混凝土的粘結(jié)抗拉強度，僅作為抗裂性能的安全儲備，即取fct＝0[6]。國內(nèi)外相關(guān)試驗研究表明，在接縫混凝土界面處理效果比較好的情況下，環(huán)氧樹脂膠和混凝土表面的粘結(jié)抗拉極限強度平均值可以超過3 MPa[7]，接近C50混凝土的抗拉極限強度。節(jié)段梁抗裂系數(shù)計算時考慮接縫的抗拉強度可以降低梁體預(yù)應(yīng)力鋼絞線的用量，從而節(jié)約梁部結(jié)構(gòu)的工程費用，提高節(jié)段梁的經(jīng)濟性。

節(jié)段匹配預(yù)制時需要在已成型的節(jié)段端面上涂抹隔離劑以方便脫模，隔離劑會影響環(huán)氧樹脂膠與混凝土的粘結(jié)強度，拼裝前應(yīng)對已成型的節(jié)段端頭進行打磨、清洗干燥，打磨清洗的干凈、干燥程度等將直接影響環(huán)氧膠與混凝土的粘結(jié)強度。相關(guān)試驗也表明環(huán)氧膠和混凝土表面的粘結(jié)抗拉極限強度離散性比較大，有必要結(jié)合相關(guān)試驗成果，總結(jié)歸納經(jīng)驗，同步制定節(jié)段端面處理工藝、流程及相關(guān)質(zhì)量驗收標準，嚴格控制節(jié)段斷面的清理和涂膠質(zhì)量。如果設(shè)計中考慮了環(huán)氧樹脂膠的抗拉強度，應(yīng)同步給出接縫截面混凝土的處理措施及施工工藝要求以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，這對提高節(jié)段梁的經(jīng)濟性和施工質(zhì)量是大有裨益的。

2.4 接縫截面抗剪承載力

目前對接縫抗剪承載力的研究主要有三種方法:第一種是基于抗剪承載力試驗，分析影響承載力的因素，得到簡化計算公式；第二種是基于理論研究，通過對接縫的剪切破壞機理分析，建立理論公式；第三種是建立非線性有限元模型來研究接縫抗剪問題[8]。接縫承載力相關(guān)試驗表明:膠接縫的直剪承載力比干接縫的要大，按膠接縫抗剪承載力計算公式得出的結(jié)果比干接縫的要大。膠接縫通常呈現(xiàn)出脆性破壞，破壞面都出現(xiàn)在環(huán)氧樹脂膠和混凝土的粘結(jié)界面上[9]。

橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命為100年，環(huán)氧樹脂膠作為接縫截面的重要組成部分，后期不可能進行更換，其使用壽命應(yīng)不低于橋梁主體結(jié)構(gòu)。而環(huán)氧膠在水汽、溫度、陽光、氧氣和應(yīng)力等多種環(huán)境場耦合作用下，其物理化學(xué)性質(zhì)可能減少甚至損壞，界面粘接強度會降低或喪失。目前尚缺乏環(huán)氧樹脂膠性能退化機理及對結(jié)構(gòu)受力影響的研究?？紤]到環(huán)氧樹脂膠性能劣化是一個長期和漸變的過程，主要發(fā)生在后期的運營階段，在涂膠工藝、質(zhì)量有保證、環(huán)氧樹脂膠的力學(xué)性能指標達到設(shè)計要求的前提下，施工階段可按膠接縫公式驗算接縫的直剪承載力；從偏于安全的角度考慮，運營階段可按干接縫承載力計算公式進行檢算。

2.5 接縫的耐久性設(shè)計

節(jié)段梁耐久性設(shè)計主要包括預(yù)應(yīng)力體系、材料的合理選擇，混凝土配合比設(shè)計、預(yù)應(yīng)力管道接頭及防護構(gòu)造及橋梁防排水設(shè)計等。鐵路節(jié)段橋梁通常采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，節(jié)段間接縫的耐久性設(shè)計最終反映到體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的灌漿質(zhì)量和接縫對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋保護的可靠性上面[10]。施工中常通過選擇合理的管道密封形式、合格的管道壓漿料并采用真空輔助壓漿工藝等措施來提高預(yù)應(yīng)力筋的防腐性能。

預(yù)應(yīng)力孔道的密封形式和密閉性能是影響節(jié)段梁耐久性的重要方面。為防止壓漿液從接縫處漏出和涂膠后梁體施加臨時預(yù)應(yīng)力時膠體進入預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)，為真空輔助壓漿創(chuàng)造條件，接縫面管道接頭應(yīng)采取可靠的構(gòu)造處理措施。目前常采用密封墊圈+涂膠的密封方式，密封墊圈可采用閉孔發(fā)泡聚乙烯密封墊圈和橡膠墊圈兩種類型，閉孔發(fā)泡聚乙烯墊圈比橡膠墊圈彈性要好，壓縮量大，能與環(huán)氧樹脂膠協(xié)調(diào)變形，施工方便，推薦采用閉孔發(fā)泡聚乙烯材料密封墊圈+涂膠方式作為預(yù)應(yīng)力孔道接縫密封方式[11-12]。

采用密封墊圈+涂膠的方式雖然可以滿足施工過程中管道密封的需求，但在后期穿束及張拉過程中，預(yù)應(yīng)力鋼束可能會緊貼預(yù)應(yīng)力管道，從而造成預(yù)應(yīng)力鋼絞線壓漿料厚度較薄或沒有壓漿料包裹的情況，影響后期運營階段接縫的耐久性。因此，為了進一步提高節(jié)段梁的耐久性，除控制管道定位質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量外，有必要進一步改進接縫處管道接頭構(gòu)造，加強對接縫截面預(yù)應(yīng)力鋼筋的防護。

3 結(jié)束語

節(jié)段預(yù)制膠拼法施工預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在鐵路領(lǐng)域的推廣有利于提高橋梁設(shè)計施工的標準化、專業(yè)化、工業(yè)化和信息化程度，符合“綠色發(fā)展”的要求，對促進我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有極大的社會效益。目前尚無鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁相關(guān)的設(shè)計施工規(guī)范或技術(shù)標準，本文結(jié)合鐵路連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的設(shè)計實踐，總結(jié)得出了以下結(jié)論可供后期設(shè)計項目參考:

(1)節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁設(shè)計中應(yīng)注意對接縫截面和非接縫截面區(qū)別對待，采用不同的控制指標進行設(shè)計。運營階段接縫截面壓應(yīng)力儲備可偏安全按1.0 MPa控制。

(2)相關(guān)試驗研究表明，環(huán)氧樹脂膠和混凝土表面的粘結(jié)抗拉極限強度可以接近混凝土的抗拉強度，但節(jié)段端面清洗的干凈程度會直接影響環(huán)氧膠與混凝土的粘結(jié)強度，有必要結(jié)合相關(guān)試驗成果取值，繼續(xù)加強試驗研究，積累更加系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)和施工經(jīng)驗，為標準和規(guī)范的編制提供依據(jù)，且節(jié)段梁設(shè)計和施工相關(guān)規(guī)范和標準應(yīng)同步制定。

(3)在涂膠工藝、質(zhì)量及檢驗標準有保證的情況下，節(jié)段預(yù)制膠拼法橋梁驗算運營階段接縫直剪承載力時，建議按干接縫考慮；驗算施工階段接縫直剪承載力時，可按膠接縫考慮。

(4)目前采用的密封墊圈+涂膠的工藝可以滿足施工過程中接縫密封的要求，但無法解決接縫截面體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉灌漿后可能會出現(xiàn)的保護層厚度過薄或無保護層的問題，有必要進一步改進接縫處連接構(gòu)造，加強對接縫截面預(yù)應(yīng)力鋼筋的防護。