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        膠拼連續(xù)梁吊桿力精度及膠接縫應(yīng)力控制

        2024-01-05 10:18:36王勝杰李艷
        鐵道建筑 2023年11期
        關(guān)鍵詞:整段吊桿線形

        王勝杰 李艷

        中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司土建院, 天津 300308

        鐵路膠拼連續(xù)梁具有工廠化預(yù)制程度高、架設(shè)速度快、施工環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。吊桿是重要傳力構(gòu)件。受施工過程中多種復(fù)雜因素影響,節(jié)段轉(zhuǎn)換時(shí)吊桿力偏差難以避免,斜拉橋、系桿拱橋、懸索橋等橋型也存在索、桿張拉誤差的情況[1]。TB 10752—2018《高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》給出了不同橋型對(duì)應(yīng)的施工張拉精度。對(duì)于膠拼梁吊桿力的張拉精度,現(xiàn)行設(shè)計(jì)施工規(guī)范未給出規(guī)定。關(guān)于吊桿力偏差對(duì)膠拼連續(xù)梁施工過程的影響也未見報(bào)道。

        1 工程概況

        新建鄭濟(jì)鐵路設(shè)計(jì)了22 聯(lián)3 × 56 m 等跨膠拼連續(xù)梁,一聯(lián)梁體全長(zhǎng)167.85 m,每聯(lián)37片節(jié)段,節(jié)段預(yù)制數(shù)量總計(jì)為814 片。全橋分為3 個(gè)整段拼裝。整體施工方案:第1 步拼裝12A—3B 號(hào)節(jié)段,第2 步拼裝4B—3C 號(hào)節(jié)段,第3步拼裝4C—12C號(hào)節(jié)段。

        第3 步在吊桿懸掛狀態(tài)下的節(jié)段拼裝布置見圖1。

        圖1 第3步節(jié)段拼裝布置

        第1步拼裝時(shí)先安裝0A 節(jié)段并臨時(shí)錨固,并向兩側(cè)依次拼裝剩余各節(jié)段,12A 節(jié)段拼裝后,安裝1#墩支座。第2 步從4B 節(jié)段開始拼裝,拼裝至0B 節(jié)段時(shí)安裝3#墩支座,繼續(xù)拼裝1C—3C 節(jié)段。第3 步拼裝至12C 節(jié)段時(shí)安裝4#墩支座。每個(gè)小節(jié)段拼裝后張拉體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力,使環(huán)氧樹脂膠結(jié)縫在拼裝固化過程中始終處于受壓狀態(tài),每整段拼裝完成后按照設(shè)計(jì)要求依次張拉相應(yīng)永久預(yù)應(yīng)力并拆除吊桿。

        2 吊桿力張拉精度的影響

        膠拼過程中梁體節(jié)段先在天車鋼絲繩吊掛狀態(tài)下進(jìn)行抹膠、拼裝,并張拉臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力,然后用精軋螺紋鋼吊桿連接節(jié)段和架橋機(jī),將梁體節(jié)段重量由天車鋼絲繩轉(zhuǎn)換給吊桿,天車則繼續(xù)拼裝下一節(jié)段。2A 節(jié)段吊桿力轉(zhuǎn)換過程見圖2。節(jié)段重量轉(zhuǎn)換時(shí),應(yīng)控制節(jié)段重量完全由吊桿承擔(dān),否則節(jié)段重量將通過膠結(jié)縫的剪力鍵傳遞給已拼裝節(jié)段,使已拼裝節(jié)段膠結(jié)縫承受剪力和彎矩,降低預(yù)存應(yīng)力的同時(shí)影響拼裝線形[2],若控制不當(dāng),已拼裝膠結(jié)縫尤其懸臂根部存在開裂風(fēng)險(xiǎn)[3]。為使吊桿力可調(diào)整,在吊桿與架橋機(jī)連接時(shí),必須設(shè)置主動(dòng)張拉設(shè)備對(duì)吊桿力進(jìn)行調(diào)整。

        圖2 吊桿力轉(zhuǎn)換過程

        施工過程中受節(jié)段重量測(cè)量誤差、張拉操作規(guī)范程度、錨固設(shè)備松動(dòng)等各種因素的影響,節(jié)段轉(zhuǎn)換后的吊桿力與節(jié)段重量不可避免地會(huì)存在偏差。為研究吊桿力的精度要求,建立有限元計(jì)算模型計(jì)算3 × 56 m 膠拼連續(xù)梁在施工過程中吊桿力分別降低1%、3%及5%時(shí),對(duì)線形和膠拼縫應(yīng)力的影響。計(jì)算模型中的架橋機(jī)鋼材及主梁混凝土材料參數(shù)均按照文獻(xiàn)[4-5]取值。

        2.1 線形

        膠拼梁拼裝時(shí)節(jié)段之間必須完全匹配,預(yù)制線形基本決定了拼裝線形。將按照切線位移法計(jì)算得到的線形作為結(jié)構(gòu)的預(yù)制線形[4]。吊桿力降低時(shí)膠拼梁預(yù)制線形見圖3。

        圖3 吊桿力降低時(shí)膠拼梁預(yù)制線形

        由圖3 可知,吊桿力降低對(duì)預(yù)制線形產(chǎn)生了顯著的影響。吊桿力降低1%、3%、5%時(shí),計(jì)算線形與理論線形最大偏差分別為-19.8、-58.6、-97.3 mm。TB 10752—2018 中拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁高程允許偏差為±20 mm。由此可見,即使吊桿力偏差較小,也會(huì)對(duì)預(yù)制線形產(chǎn)生顯著的影響。施工中,雖然吊桿力偏差比理論值大或小存在一定的隨機(jī)性,但為有效控制線形,偏于保守考慮,吊桿力偏差應(yīng)控制在1%以內(nèi)。

        2.2 膠縫預(yù)存應(yīng)力

        膠接縫是整個(gè)橋梁的關(guān)鍵部位。為了使膠結(jié)縫在施工過程中始終處于受壓狀態(tài),在箱梁頂板、底板及腹板上設(shè)置臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋,采用體外粗鋼筋張拉,有效錨下張拉力均為500 kN,每道膠結(jié)縫的頂板、底板、腹板共設(shè)有12根臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束,施工過程中的體外預(yù)應(yīng)力可為膠結(jié)縫提供0.42 ~ 0.53 MPa 的壓應(yīng)力。一般節(jié)段拼裝時(shí)膠結(jié)縫壓應(yīng)力應(yīng)控制在0.3 ~ 0.6 MPa[6]。

        膠結(jié)縫預(yù)存應(yīng)力計(jì)算時(shí),先利用不考慮體外預(yù)應(yīng)力的有限元模型計(jì)算膠結(jié)縫的應(yīng)力,然后與預(yù)存應(yīng)力疊加作為膠結(jié)縫的實(shí)際應(yīng)力。吊桿力降低時(shí)拼裝三個(gè)整段的膠結(jié)縫上下緣應(yīng)力見圖4。

        由圖4 可知:①吊桿力降低1%時(shí),全梁截面均處于受壓狀態(tài),3 個(gè)整段上下緣壓應(yīng)力分別為0.27 ~0.65、0.28 ~ 0.66、0.36 ~ 0.50 MPa,第一、第二整段有截面應(yīng)力已不滿足設(shè)計(jì)要求。②吊桿力降低3%時(shí)第一整段上緣出現(xiàn)了0.08 MPa的拉應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為1.08 MPa。③吊桿力降低5%時(shí)第一整段和第二整段上緣分別出現(xiàn)了0.43、0.28 MPa 的拉應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為1.53 MPa。

        施工中的拉應(yīng)力必然導(dǎo)致未固化的膠縫開裂,施加后的永久預(yù)應(yīng)力雖然可以使裂縫閉合,但需等待2 ~ 3 d。環(huán)氧樹脂膠在開裂狀態(tài)下數(shù)小時(shí)即硬化,閉合時(shí)膠結(jié)縫漏水的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。拼接縫漏水將給結(jié)構(gòu)耐久性、箱內(nèi)防腐等諸多方面帶來不利因素[7]。硬化后閉合截面會(huì)出現(xiàn)部分干接縫,使接縫抗剪能力降低[8-9]。此外,過大的壓應(yīng)力會(huì)使環(huán)氧樹脂膠擠出量增加,導(dǎo)致膠縫厚度減?。?0]。因此,吊桿力偏差應(yīng)控制在1%以內(nèi)。

        2.3 膠縫拼裝及成橋應(yīng)力

        實(shí)際施工中,在缺少吊桿力監(jiān)控的情況下,某聯(lián)梁在拼裝第一整段膠拼梁至11A 段時(shí),在1A 和0A 之間的13號(hào)截面發(fā)生了膠結(jié)縫輕微開裂的情況。此時(shí),懸臂端實(shí)測(cè)標(biāo)高低于理論值2 cm。原因是吊桿力偏低導(dǎo)致裂縫及線形偏差,與計(jì)算中吊桿力整體偏低5%的結(jié)果接近?,F(xiàn)場(chǎng)通過整體分級(jí)調(diào)整了吊桿力,調(diào)整后裂縫閉合良好。

        偏于安全考慮,按照吊桿力偏差5%且未調(diào)整的狀態(tài),對(duì)第一整段12A—3B 號(hào)節(jié)段的后續(xù)施工中張拉第一批鋼束(頂板、底板通長(zhǎng)束)及吊桿全部拆除兩個(gè)關(guān)鍵步驟的膠結(jié)縫應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖5。

        圖5 施工過程中的膠結(jié)縫應(yīng)力

        由圖5可知:兩個(gè)關(guān)鍵施工步驟中,膠結(jié)縫的頂板和底板均處于受壓狀態(tài),說明裂縫在張拉第一批鋼束后即閉合。閉合后,開裂的13號(hào)截面頂板上緣壓應(yīng)力為0.61 MPa,全部吊桿拆除未出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于后續(xù)的鋼束張拉,13 號(hào)截面的頂板上緣壓應(yīng)力增加為3.29 MPa??梢娔z拼過程中出現(xiàn)的裂縫在后續(xù)施工中將閉合,閉合后為了避免膠結(jié)縫在開裂和閉合過程中防水能力下降,對(duì)此處進(jìn)行加強(qiáng)防水處理。

        成橋運(yùn)營(yíng)階段梁體將承載更多荷載,控制組合工況為主力 + 附加力(恒載 + 活載 + 溫度 + 搖擺力 + 支點(diǎn)沉降),計(jì)算吊桿力降低1% ~ 5%時(shí)截面上緣、下緣應(yīng)力的最大值和最小值,計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 主力 + 附加力作用下截面應(yīng)力

        由表1可知:吊桿力降低1% ~ 5%時(shí),膠結(jié)截面上緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備有所降低,但依然滿足設(shè)計(jì)給出的運(yùn)營(yíng)時(shí)最不利荷載作用下設(shè)計(jì)控制壓應(yīng)力不小于1.0 MPa的要求。因此,考慮膠拼后的施工階段和成橋運(yùn)營(yíng)階段時(shí),吊桿力偏差按照5%控制可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

        3 膠結(jié)縫應(yīng)力控制

        3.1 吊桿力精準(zhǔn)控制

        實(shí)際施工中節(jié)段混凝土參數(shù)與設(shè)計(jì)理論值存在偏差[11]。吊桿力的偏差會(huì)影響結(jié)構(gòu)的膠結(jié)縫應(yīng)力和線形。膠結(jié)縫應(yīng)力主要依靠臨時(shí)束張拉和吊桿力的精確控制得以保證,與彈性模量關(guān)系較小。由于膠拼過程中結(jié)構(gòu)尚未形成連續(xù)的狀態(tài),因此,彈性模量對(duì)線形幾乎沒有影響[12]。實(shí)際節(jié)段重量與吊桿力有直接關(guān)系,需要根據(jù)重度實(shí)測(cè)結(jié)果重新計(jì)算,并考慮鋼筋、預(yù)應(yīng)力孔道、齒塊及施工附屬設(shè)備的重量。即便如此,節(jié)段中的齒塊分布不均、橫隔板的偏重等因素還可能導(dǎo)致同一節(jié)段的4根吊桿的吊桿力不相同。例如,邊支點(diǎn)處12A 節(jié)段,考慮實(shí)際重度時(shí),設(shè)計(jì)總重量比實(shí)際重量大8.64%,考慮隔板偏重時(shí),靠近隔板的吊桿力比平均吊桿力大20.00%,遠(yuǎn)離隔板的吊桿力比平均吊桿力小16.67%,產(chǎn)生的吊桿力偏差與上文按照控制精度1%所得吊桿力有較大差距。

        為了精確控制吊桿力,施工控制中引入了壓力環(huán),全橋理論吊桿力為303.0 ~ 472.5 kN,第一整段吊桿力見表2。

        表2 第一整段吊桿力

        壓力環(huán)測(cè)量精度為 ±0.1 kN,可滿足1%的精度(3.030 ~ 4.725 kN)要求,且壓力環(huán)帶有無線傳輸功能,無需逐根人工讀數(shù),可通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)讀取全橋壓力環(huán)的數(shù)值。壓力環(huán)在節(jié)段準(zhǔn)備懸掛階段安裝,安裝在懸掛鋼橫梁與節(jié)段相連的吊桿上,架橋機(jī)與節(jié)段的連接均通過懸掛鋼橫梁,后續(xù)懸掛、拼裝及體系轉(zhuǎn)換階段均無需再調(diào)整壓力環(huán)的位置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)吊桿力的連續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí),為了彌補(bǔ)理論計(jì)算工作量大和準(zhǔn)確度不高的問題,在不影響原施工步驟的情況下,制定如圖6控制步驟。

        圖6 控制步驟

        懸掛時(shí)節(jié)段重量必然是由吊桿完全承擔(dān),稱重后無需再對(duì)節(jié)段重量進(jìn)行計(jì)算,可在懸掛體系轉(zhuǎn)換時(shí)精確控制吊桿力。本文工程按照該方法取得了良好的吊桿力控制效果,實(shí)際控制精度達(dá)到 ±0.5%,實(shí)測(cè)全梁兩端最大線形偏差 +10.8、-8.5 mm,滿足規(guī)范中±20 mm的要求。

        3.2 架設(shè)方案優(yōu)化

        通過引入壓力環(huán)雖然可達(dá)到吊桿力控制精度要求,但油壓千斤頂施加吊桿力時(shí),由于設(shè)備精度不高、人員操作不規(guī)范等因素,實(shí)際施加的吊桿力達(dá)到1%控制精度需多次調(diào)整,現(xiàn)場(chǎng)操作中耗費(fèi)時(shí)間和人力,與膠拼梁可輕便施工的設(shè)計(jì)理念不符?,F(xiàn)行施工規(guī)范中對(duì)于張拉施工的精度要求均未見有 ±1%的要求,例如Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》中對(duì)斜拉橋施工階段索力偏差規(guī)定應(yīng)在 ±5%以內(nèi),成橋索力偏差規(guī)定應(yīng)在 ±3%以內(nèi),對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)管道摩阻系數(shù)及偏差系數(shù)要求在±5%以內(nèi)。結(jié)合工程實(shí)際和Q/CR 9603—2015可知,按照1%的精度控制吊桿張拉力的要求實(shí)際過于嚴(yán)格。因此,有必要研究在設(shè)計(jì)階段通過調(diào)整節(jié)段一次懸拼長(zhǎng)度使得吊桿力偏差具備更高的適用性,尤其應(yīng)控制吊拼過程中節(jié)段膠結(jié)縫應(yīng)力。

        吊桿力偏差時(shí)的吊拼狀態(tài)與懸臂梁結(jié)構(gòu)受力特征相似,懸臂梁內(nèi)力與懸臂長(zhǎng)度的平方成正比,因此,可通過降低懸臂長(zhǎng)度來降低內(nèi)力。將吊桿力敏感性最高的第一整段分別調(diào)整為2 步和3 步拼裝并計(jì)算截面的應(yīng)力來研究本橋懸拼長(zhǎng)度的合理范圍。調(diào)整為2 步拼裝后的節(jié)段施工步驟見圖7。調(diào)整為3 步時(shí)拼裝步驟為:第一步拼裝4A—3B、第二步拼裝5A—8A、第三步拼裝9A—12A。調(diào)整后的一次懸拼長(zhǎng)度由整段拼的55.83 m 降低為2 步拼裝的29.65 m 和3 步拼裝的18.00 m。

        圖7 節(jié)段吊桿力布置

        每一步完成后張拉鋼束,使已拼裝節(jié)段處于永久預(yù)應(yīng)力作用下。拼裝剩余節(jié)段。已張拉永久預(yù)應(yīng)力的節(jié)段處于較大軸力作用下,吊桿力出現(xiàn)輕微偏差時(shí)節(jié)段已無開裂風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合工程實(shí)際并參考施工規(guī)范中類似的張拉要求,按照吊桿力降低5%,計(jì)算各節(jié)段吊拼過程的膠結(jié)縫應(yīng)力,見圖8??芍? 段拼裝時(shí)上緣最小壓應(yīng)力為-0.26 MPa,下緣最大壓應(yīng)力為-0.98 MPa,分3段拼裝時(shí)上緣最小壓應(yīng)力為-0.31 MPa,下緣最大壓應(yīng)力為-0.82 MPa,相較于整段拼裝時(shí)的上緣拉應(yīng)力0.43 MPa 和下緣壓應(yīng)力-1.53 MPa 均有了顯著的改善,說明減小一次懸拼節(jié)段長(zhǎng)度可提高結(jié)構(gòu)對(duì)吊桿力的容許偏差能力。

        圖8 第一整段膠結(jié)縫應(yīng)力

        多分段雖然使膠接縫應(yīng)力對(duì)吊桿力的容許偏差能力顯著提高,但施工步驟、張拉次數(shù)和工期必將增加,因此,在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下綜合考慮經(jīng)濟(jì)適用性,選擇分段長(zhǎng)度方案。本橋調(diào)整為3步后,上緣最小應(yīng)力滿足膠結(jié)縫壓應(yīng)力為0.3 ~ 0.6 MPa的要求,下緣壓應(yīng)力不滿足,但壓應(yīng)力大時(shí)并不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重工程質(zhì)量問題。因此,偏于安全考慮,一次懸臂長(zhǎng)度應(yīng)不大于18.00 m,按照吊桿力偏差5%控制,懸拼結(jié)構(gòu)施工過程中處于安全狀態(tài)??梢?,長(zhǎng)懸臂吊拼時(shí)的膠結(jié)縫應(yīng)力對(duì)吊桿力敏感性過高,是導(dǎo)致膠拼梁施工過程產(chǎn)生裂縫甚至運(yùn)營(yíng)后漏水問題的重要原因。

        4 結(jié)論

        1)吊桿力偏差按照1%的精度控制時(shí),線形及施工過程膠結(jié)縫應(yīng)力可滿足要求;按照5%的精度控制時(shí),成橋運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)受力可滿足要求。綜合考慮,吊桿力偏差應(yīng)按照1%的精度控制。

        2)利用壓力環(huán)對(duì)膠拼節(jié)段預(yù)先稱重再拼裝的控制方案,可精確控制吊桿力,控制精度能達(dá)到 ±0.5%。

        3)結(jié)合工程實(shí)際和Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》可知,吊桿力偏差按照1%的精度控制過于嚴(yán)苛,減小一次懸拼節(jié)段長(zhǎng)度可提高結(jié)構(gòu)對(duì)吊桿力的容許偏差能力。

        4)施工時(shí)吊桿力偏差過大和設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)懸臂吊拼的方案使得膠結(jié)縫應(yīng)力對(duì)吊桿力敏感性過高,是導(dǎo)致膠拼梁施工過程產(chǎn)生裂縫甚至運(yùn)營(yíng)后漏水問題的重要原因。

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