蘇偉,周岳武,張悅,左家強
(中國鐵路設計集團有限公司 土建工程設計研究院,天津 300308)
節(jié)段預制膠拼梁是利用預應力鋼絞線的預壓力將預制節(jié)段拼裝成整體,節(jié)段間整個接觸面涂抹環(huán)氧樹脂膠密封。該工藝于20世紀60年代在法國誕生,目前已經(jīng)在包含我國公路、市政、軌道交通等領域的世界范圍橋梁工程中得到廣泛應用[1-4]。膠拼梁在我國鐵路橋梁應用始于20世紀60年代的成昆鐵路舊莊河1號橋和孫水河5號橋[5],1997年竣工的石長鐵路湘江特大橋再次得到應用,從2014年竣工的黃韓侯鐵路芝水溝大橋后逐步得到推廣,2017年建成的鄭阜鐵路周淮特大橋是我國第1座高速鐵路節(jié)段預制膠拼連續(xù)梁[6]。因其在施工速度、建設質(zhì)量以及環(huán)保等方面的優(yōu)點,目前在連徐、京唐等高速鐵路連續(xù)梁項目中推廣應用[7-9]。
新建鄭州—濟南高速鐵路設計速度350 km/h,設計活載為ZK荷載。根據(jù)黃河防洪評價批復意見,長清黃河特大橋邊灘范圍跨度不應小于55 m,為減小施工對環(huán)境的影響,181號墩—247號墩間(改DK38+497.87—改DK42+193.87)采用22聯(lián)3×56 m等跨預制膠拼預應力混凝土連續(xù)梁跨越黃河邊灘,膠拼連續(xù)梁橋長3.7 km,為目前國內(nèi)鐵路最大規(guī)模的預制拼裝連續(xù)梁項目。
梁體位于2.0‰的縱坡上,橋位處曲線半徑5 500 m,線間距5.0 m。CRTSⅢ型板式無砟軌道,軌道結構高度738 mm。歷年最熱月平均氣溫和最冷月平均氣溫分別為27.5、-0.4℃,歷年年平均氣溫14.7℃,年平均相對濕度66%。地震烈度Ⅶ度,地震動峰值加速度0.1g。
中等跨度連續(xù)梁相比同跨度的簡支梁梁高矮,與相鄰32 m簡支梁順接景觀性好,單延米圬工量少。如銀西高鐵漠谷河2號特大橋56 m(計算跨徑53.8 m)節(jié)段預制膠拼簡支梁[10],梁高5.1 m,單延米混凝土用量為14.8 m3。
四跨及其以上一聯(lián)連續(xù)梁,由于溫度跨度較大,需要設置軌道伸縮調(diào)節(jié)器,為避免橋上設置大量軌道伸縮調(diào)節(jié)器故主要研究兩跨一聯(lián)連續(xù)梁和三跨一聯(lián)連續(xù)梁。
為實現(xiàn)梁部采用100%預制拼裝的方案,兩跨一聯(lián)連續(xù)梁相比三跨一聯(lián)連續(xù)梁在施工工藝上實現(xiàn)起來相對容易,可通過1次或者多次對稱懸臂拼裝(見圖1)。
圖1 兩跨一聯(lián)連續(xù)梁對稱懸臂拼裝示意圖
假定單跨跨度長l,作用在梁部的荷載為均布荷載,荷載集度q,EI為梁的抗彎剛度。對簡支梁、兩跨一聯(lián)連續(xù)梁和三跨一聯(lián)連續(xù)梁受力進行對比分析,結構圖式見圖2。
圖2 結構圖式
各結構主要受力及變形見表1。
表1 各結構受力及變形
從受力來看,兩跨一聯(lián)連續(xù)梁的支點負彎矩與簡支梁的最大正彎矩一樣,是三跨一聯(lián)連續(xù)梁支點彎矩的1.25倍,但其邊跨跨中彎矩只有三跨的0.875倍。梁端轉(zhuǎn)角及變形,兩跨一聯(lián)連續(xù)梁均較三跨一聯(lián)連續(xù)梁小,分別為三跨的0.884倍和0.770倍。
綜上所述,兩跨一聯(lián)和三跨一聯(lián)連續(xù)梁均可采用。考慮到兩跨一聯(lián)連續(xù)梁相較于三跨一聯(lián)連續(xù)梁支點負彎矩更大,受力更為不利,對預應力布置、構造設計影響更大,因此在本項目采用三跨一聯(lián)連續(xù)梁的布置形式。
主梁計算跨度為(55.075+56+55.075)m,邊支座中心線距離梁端0.85 m,梁長167.85 m,單側(cè)梁縫0.075 m。采用等高預應力混凝土箱梁,截面中心梁高4.215 m,高跨比1/13.3。主梁立面布置見圖3。
圖3 1/2主梁立面布置
主梁截面形式為單箱單室斜腹板箱梁,跨中及中支點橫斷面見圖4。箱梁頂寬12.6 m,底寬5.5 m,懸臂長2.95 m。箱梁頂板厚0.38 m,邊支點局部加厚到0.63 m;底板厚0.4 m,支點位置局部加厚到0.6 m;腹板厚0.5~0.7~0.9 m,按折線變化,邊支點處0.8 m。全聯(lián)在端支點、中支點處設橫隔板,橫隔板設孔洞,供檢查人員通過。主梁采用C60混凝土,單聯(lián)梁混凝土用量為2 260 m3。
圖4 典型位置主梁橫斷面
梁體節(jié)段劃分須結合節(jié)段運輸能力及吊裝能力。該項目采用橋上運輸方案,預制節(jié)段長度主要有4.5 m和4.8 m 2種,設有隔板的0號段和梁端節(jié)段分別長3.5 m和3.775 m,節(jié)段質(zhì)量分別為197.8 t和172.4 t,其余預制節(jié)段最大質(zhì)量178.8 t,每聯(lián)梁37個預制節(jié)段,全橋共814個預制節(jié)段,不設濕接縫及現(xiàn)澆合龍段。
接縫面剪力鍵形狀為傾角45°梯形截面,高度5 cm;腹板剪力鍵采用密鍵布置形式,頂寬5、10 cm,根部寬15、20 cm;頂、底板剪力鍵采用較大的疏鍵,頂、底板剪力鍵頂寬5、10 cm或20 cm,根部寬15、20 cm或30 cm,無砟軌道板范圍內(nèi)盡可能布設頂板剪力鍵。
梁端節(jié)段頂部設0.25 m長的懸臂板以滿足施工時操作空間需要,懸臂范圍內(nèi)的邊跨頂板預應力采用單端張拉,以減小在懸臂構造范圍上預應力錨槽尺寸,保障懸臂板的整體受力;底部支座位置局部設0.15 m長的懸臂塊,既能滿足梁端支座布置需要,又不妨礙拼裝過程中節(jié)段錯位的空間需求。梁端節(jié)段結構見圖5。
圖5 梁端節(jié)段結構示意圖
分別對下述2種拼裝方案進行對比分析。
(1)方案1:一次半聯(lián)滿掛拼裝。
與鄭阜鐵路周淮特大橋拼裝工藝同樣[6],具體拼裝順序為:一聯(lián)連續(xù)梁分2次拼裝,最后在中跨跨中現(xiàn)澆合龍。一聯(lián)連續(xù)梁典型拼裝工序示意見圖6。
圖6 一次半聯(lián)滿掛拼裝示意圖
(2)方案2:無濕接縫逐跨拼裝。
為提高標準化、工廠化、機械化作業(yè)程度,減少現(xiàn)場工作量,提高施工效率和施工質(zhì)量,研究采用無濕接縫逐跨拼裝工藝,接力拼縫位置設置在每孔1/4跨反彎點處,施工誤差通過支撐墊石的錨栓孔以及砂漿墊層厚度來調(diào)整。主要施工步驟見圖7,步驟②中的0號段拼裝時和其他節(jié)段一樣吊掛在橋機上。
圖7 逐跨拼裝施工步驟示意圖
方案1減少了節(jié)段拼裝過程中的鋼束張拉過程,避免了節(jié)段間的預應力錨槽,線形控制相對簡單,但由于設置了跨中現(xiàn)澆合龍段,現(xiàn)場工作量更大。方案2全梁無任何濕接縫及現(xiàn)澆合龍段,能減少現(xiàn)場作業(yè)量,提高作業(yè)效率和施工質(zhì)量,實現(xiàn)了梁部的100%預制拼裝,但線形控制要求更高。2個方案都是一次拼裝多個預制節(jié)段,均存在天車脫鉤轉(zhuǎn)換為橋機節(jié)段吊桿受力的過程。2種施工方案對比見表2。綜合考慮,項目采用方案2。
表2 (48+80+48)m連續(xù)梁2種拼裝方案對比
設計全部采用體內(nèi)預應力束,為滿足剪力鍵的布置需求,應用了較大規(guī)格的預應力型號,頂、底板預應力型號主要為22-7φ5 mm和25-7φ5 mm,腹板束采用17-7φ5 mm和22-7φ5 mm。為滿足施工過程和運營狀態(tài)膠接縫混凝土壓應力儲備滿足要求,底板通長接力設置了2根預應力鋼束。在支點附近剪力較大的部分截面均布設有斜向腹板預應力束,以利于膠接縫截面的抗剪。一聯(lián)梁縱橋向預應力用量為117.84 t,預應力含量52.1 kg/m3。
由于拼裝方案的不對稱,預應力盡可能對稱布置,減少因預應力齒塊對節(jié)段類型的影響,提高預制模板的利用率。
拼裝過程中,應注意如下事項:
(1)節(jié)段安裝完、永久預應力張拉前,應采取有效措施確保各節(jié)段的自重均由造橋機承受,防止未張拉永久預應力的膠縫面受力開裂。
(2)節(jié)段間膠縫施工應采取合理的施工工藝,預應力張拉前,應避免結構變形及內(nèi)力變化,并采取防暴曬、防雨(雪)措施。
(3)預應力張拉過程中,務必確保已安裝節(jié)段的支座參與受力。
(4)節(jié)段拼裝過程中,采取有效措施避免已拼裝結構的橋面溫差對后續(xù)待拼裝節(jié)段的不利影響,并加強監(jiān)控。
建立有限元模型,分別對運營狀態(tài)、造橋機過孔、節(jié)段運梁等工況進行檢算。為避免節(jié)段拼裝過程中膠接縫截面出現(xiàn)拉應力,對部分頂、底板預應力鋼束要求同時張拉,并伴隨預應力張拉,及時拆除部分節(jié)段吊桿??紤]曲線單側(cè)有、無聲屏障情況,二期恒載分別為145.0 kN/m和137.8 kN/m,預制節(jié)段存梁時間不小于45 d。運營工況主要計算結果情況如下:
(1)剛度及徐變變形。梁體剛度按0.9進行折減,靜活載作用下梁體最大撓度15.1 mm,撓跨比為1/3 647,最大梁端轉(zhuǎn)角0.867‰,均滿足規(guī)范要求。
梁體殘余徐變變形值為:邊跨3.6 mm,中跨0.7 mm。由于加載齡期較長,殘余徐變變形相對較小,有利于高速鐵路行車的舒適性。
(2)膠接縫截面應力計算。膠接縫截面建設、運營全過程均不出現(xiàn)拉應力,并保證在最不利荷載組合下,運營階段混凝土壓應力儲備不小于1.0 MPa,施工階段混凝土壓應力儲備不宜小于0.5 MPa(見表3)。
表3 運營狀態(tài)膠接縫截面應力結果 MPa
(3)膠接縫正截面抗裂計算。膠接縫正截面抗裂計算時,對TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》第7.3.9條fct按照0.3進行折減[9]。最小抗裂安全系數(shù)為1.2,滿足規(guī)范要求。主附工況全梁膠接縫正截面抗裂安全系數(shù)情況見圖8(大于5的圖中均按照5顯示)。
圖8 主附工況膠接縫截面正截面抗裂安全系數(shù)
(4)膠接縫斜截面抗裂計算。主力工況膠接縫斜截面最大主拉應力為1.9 MPa,主力+附加力工況膠接縫斜截面最大主拉應力為2.1 MPa,小于0.7×3.5=2.45 MPa,滿足要求[9]。
(5)膠接縫截面抗彎強度計算。膠接縫截面最小計算抗彎強度安全系數(shù):主力工況為2.3,不小于2.1;主力+附加力工況為2.2,不小于1.9,滿足要求[9]。主附工況全梁膠接縫正截面抗彎強度安全系數(shù)情況見圖9。
圖9 主附工況膠接縫截面抗彎強度安全系數(shù)
(6)膠接縫抗剪強度計算。采用基于混凝土剪-壓復合強度準則的計算方法對膠接縫截面抗剪強度安全系數(shù)進行計算,考慮結構上、下緣均布設有預應力的情況,并結合TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》中的設計參數(shù)及平衡方程。膠接縫截面抗剪強度安全系數(shù):主力工況為2.4,不小于2.2;主力+附加力工況為2.35,不小于2.0,滿足要求[9]。主附工況全梁膠接縫抗剪強度安全系數(shù)情況見圖10。
圖10 主附工況膠接縫截面抗剪強度安全系數(shù)
依托新建鄭州—濟南高速鐵路長清黃河特大橋,對等跨預應力混凝土連續(xù)梁無濕接縫逐跨拼裝技術進行研究,主要結論如下:
(1)首次提出連續(xù)梁無濕接縫逐跨拼裝工藝,實現(xiàn)了連續(xù)梁梁部預制拼裝率100%。
(2)首次在鐵路領域應用等跨度節(jié)段預制拼裝連續(xù)梁,是目前國內(nèi)鐵路最大規(guī)模的預制拼裝連續(xù)梁項目。
(3)高速鐵路中等跨度等跨預應力混凝土連續(xù)梁節(jié)段預制拼裝,可采用三跨一聯(lián)或兩跨一聯(lián)布置。
(4)拼裝過程中應采取合理的施工工藝,嚴格控制節(jié)段安裝、預應力張拉、節(jié)段間膠縫施工,并加強監(jiān)控,避免結構變形及內(nèi)力變化。