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）

0 引言

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］。

1 工程概況

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。

2 等跨連續(xù)梁孔跨布置研究

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。

3 結構設計

3.1 主梁結構

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

3.2 節(jié)段劃分

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。

3.3 剪力鍵布置

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。

3.4 梁端節(jié)段

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

4 拼裝方案及預應力布置

4.1 拼裝方案

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

4.2 預應力布置

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。

4.3 拼裝注意事項

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。

5 結構檢算

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)

6 結論

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。