鐵路膠接縫節(jié)段拼裝箱梁預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能試驗(yàn)研究

高明昌

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

鐵路膠接縫節(jié)段拼裝箱梁預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能試驗(yàn)研究

高明昌

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

目前國內(nèi)對(duì)于節(jié)段預(yù)制膠接縫拼裝橋梁尚處于研究階段，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，更無規(guī)范可循。黃韓侯鐵路芝水溝特大橋采用多孔跨徑48 m和64 m的節(jié)段預(yù)制膠接縫拼裝簡支箱梁，為保證箱梁孔道的密閉性和箱梁耐久性，進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力孔道成孔方式和接縫密封形式試驗(yàn)，依據(jù)不同的孔道成孔和密封方式組合試驗(yàn)結(jié)果，最終提出了可行的密閉方案，為今后節(jié)段預(yù)制膠接縫拼裝橋梁孔道密閉措施的設(shè)計(jì)和施工提供了參考依據(jù)。

節(jié)段拼裝 膠接縫 預(yù)應(yīng)力孔道 密閉性能

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工方法根據(jù)接縫形式不同，大致分為濕接縫、干接縫和膠接縫三種形式。我國鐵路橋梁濕接縫節(jié)段預(yù)制拼裝工藝已得到大面積推廣，并積累了大量的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。但濕接縫因?yàn)樵诠?jié)段拼裝過程中還需進(jìn)行鋼筋綁扎、現(xiàn)澆混凝土、養(yǎng)生等工序，施工工序多，不利于環(huán)保，施工工期長。而干接縫由于其在受力性能、抗震性能及耐久性方面的嚴(yán)重缺陷和不足［1］，很少應(yīng)用。

對(duì)于節(jié)段預(yù)制拼裝膠接縫預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言，在國外已成為節(jié)段拼裝橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。在國內(nèi)，上世紀(jì)六十年代成昆鐵路舊莊河一號(hào)橋、九十年代九江鐵路大橋引橋，公路及城市軌道交通行業(yè)如上海明珠線、蘇通大橋、廣州地鐵4號(hào)線等都有少量應(yīng)用，但仍然缺乏成套的技術(shù)研究和科研試驗(yàn)資料?，F(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)膠接縫也沒有明確的設(shè)計(jì)規(guī)定。

1 工程概述

位于陜西省境內(nèi)的黃陵—韓城—侯馬鐵路芝水溝特大橋跨越芝水溝主溝與支溝，在比選大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、常用跨度簡支梁、大跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁基礎(chǔ)上，綜合考慮投資、工期、環(huán)保、技術(shù)創(chuàng)新等因素，設(shè)計(jì)采用(1×48+1×64+1×48+18×64)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁+(6×32+1×24)m簡支T梁方案，橋全長1 598.4 m，其中64 m和48 m簡支箱梁采用節(jié)段預(yù)制膠接拼裝法施工。

本次試驗(yàn)在收集國內(nèi)外對(duì)膠接縫式節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究成果與應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，利用芝水溝特大橋項(xiàng)目作為依托，就預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁膠接縫預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)研究目的及內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

膠接縫節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是在預(yù)制節(jié)段接縫面涂刷環(huán)氧樹脂密封膠，再張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力來固定拼裝梁段，最后通過張拉永久預(yù)應(yīng)力的方式形成箱梁整體。預(yù)制拼裝箱梁進(jìn)行節(jié)段拼裝時(shí)，由于可能存在的偏差，相鄰節(jié)段孔道的位置會(huì)有一定的錯(cuò)位，預(yù)應(yīng)力孔道壓漿時(shí)，可能會(huì)發(fā)生孔道漏氣、漏漿的現(xiàn)象，從而難以保證預(yù)應(yīng)力孔道的壓漿密實(shí)性，影響節(jié)段拼裝橋梁的耐久性。此外，施加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力時(shí)膠體也有可能被擠入孔道，造成穿束困難。因此，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的預(yù)應(yīng)力孔道接縫密封構(gòu)造并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證成為確保結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］。

本次試驗(yàn)?zāi)康木褪茄芯磕z接縫節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力孔道密封形式和密閉性能，為膠接縫節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁提供設(shè)計(jì)參考。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

①預(yù)應(yīng)力孔道成孔方式試驗(yàn);②膠接縫預(yù)應(yīng)力孔道接縫的密封形式試驗(yàn);③接縫面環(huán)氧樹脂膠選型及涂膠方式試驗(yàn)。

3 主要試驗(yàn)方案

3.1 預(yù)應(yīng)力孔道成孔方式

目前我國預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力孔道成孔方式主要有預(yù)埋金屬波紋管成孔、橡膠抽拔棒成孔和塑料波紋管成孔三種方式［3］，配套壓漿工藝主要有普通壓漿模式和真空輔助壓漿工藝模式［4］。

三種管道成孔方式各具優(yōu)缺點(diǎn)，為保證灌漿的密實(shí)性和施工的便利性、經(jīng)濟(jì)性，本次試驗(yàn)選用橡膠抽拔棒成孔和塑料波紋管成孔兩種預(yù)應(yīng)力成孔方式。壓漿采用真空輔助壓漿工藝。

3.2 膠接縫預(yù)應(yīng)力孔道接縫面密封形式

為避免壓漿漿液從接縫處漏出和梁體擠壓時(shí)膠體進(jìn)入預(yù)應(yīng)力孔道造成孔道堵塞，需對(duì)接縫面預(yù)應(yīng)力孔道接頭采取可靠的構(gòu)造處理措施。結(jié)合國內(nèi)外其它橋梁試驗(yàn)資料及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照密閉效果好、施工方便和成本較低的原則，本次試驗(yàn)選用以下兩種密封形式進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1)方案1。密封墊圈+涂膠方式，接縫表面不開槽，兩接縫直接對(duì)接。密封圈尺寸:環(huán)寬10 mm，內(nèi)環(huán)直徑比預(yù)應(yīng)力孔道直徑大5～10 mm，厚5 mm。本方案可適用于各種預(yù)應(yīng)力孔道成孔方式和位于直線、曲線上的孔道接縫面。預(yù)應(yīng)力孔道接縫面密閉形式方案1見圖1。

圖1 密閉形式方案1

2)方案2?？椎揽陂_槽+密封墊圈+涂膠方式。相鄰節(jié)段接縫面對(duì)應(yīng)孔道各開一深約1 cm左右較小槽口，槽口內(nèi)填塞橡膠墊圈或其他材料，起到阻止膠體進(jìn)入孔道和防止壓漿時(shí)孔道漏漿作用。槽口尺寸:環(huán)寬30 mm，槽口深10 mm，槽口邊緣接縫面處倒30°角，墊圈內(nèi)環(huán)直徑比預(yù)應(yīng)力孔道直徑大10 mm，密封墊圈環(huán)寬25 mm，厚25 mm。本方案可適用于各種預(yù)應(yīng)力孔道成孔方式和位于直線、曲線上的孔道接縫面。預(yù)應(yīng)力孔道接縫面密閉形式方案2見圖2。

3.3 接縫面環(huán)氧密封膠的選擇及涂抹厚度

環(huán)氧樹脂膠的主要作用是在接縫處提供水汽密封層來防止預(yù)應(yīng)力鋼束的腐蝕和防止灌漿過程中漿液在接縫處泄漏。另外，環(huán)氧樹脂膠可彌補(bǔ)因預(yù)制混凝土接縫面不平整而產(chǎn)生的應(yīng)力不均衡現(xiàn)象，還可在拼裝過程中作為潤滑劑，連接預(yù)制件的表面，使壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力在節(jié)段之間傳導(dǎo)。

圖2 密閉形式方案2

根據(jù)目前國內(nèi)相關(guān)工程及國外對(duì)環(huán)氧樹脂密封膠使用情況，愛牢達(dá)和西卡環(huán)氧樹脂膠應(yīng)用較多，愛牢達(dá)和西卡環(huán)氧樹脂膠均為雙組分室溫固化觸變型環(huán)氧膠。本次試驗(yàn)采用愛牢達(dá)和西卡橋梁專用環(huán)氧密封膠作為接縫面密封及防水材料，涂抹厚度有兩種方案:①單面涂膠，涂抹厚度3 mm;②雙面涂膠，涂抹厚度2 mm。

3.4 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力

臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉主要有兩個(gè)作用:①固定梁段，保證在永久預(yù)應(yīng)力張拉前，節(jié)段之間不會(huì)相對(duì)錯(cuò)動(dòng);②提供膠體凝結(jié)所需的壓力，根據(jù)美國《AASHTO節(jié)段施工混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》(美國洲際公路與運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì))規(guī)定，膠接面上環(huán)氧密封膠在不小于0.28 MPa的壓力下固化效果較好［5］。

本次試驗(yàn)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用體外束，在矩形截面兩側(cè)設(shè)置對(duì)拉孔預(yù)埋鋼板，每塊鋼板設(shè)置2個(gè)φ30 mm孔，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用φ25 mm預(yù)應(yīng)力用精軋螺紋粗鋼筋，每個(gè)接縫面由4根精軋螺紋鋼筋共同施壓，總控制張拉力為250 kN。

3.5 永久預(yù)應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力采用5-7φ5低松弛鋼絞線，OVM15-5錨具。試驗(yàn)中只對(duì)2根F2鋼束進(jìn)行穿束和張拉，錨下張拉應(yīng)力控制在930 MPa，在預(yù)應(yīng)力張拉后觀察預(yù)應(yīng)力孔道密閉效果。

4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作兩片模型梁，編號(hào)分別為模型梁I和模型梁Ⅱ。

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ土喝L10 m，計(jì)算跨度9.4 m，采用C55等截面預(yù)應(yīng)力混凝土簡支矩形梁，高1.5 m，寬0.5 m，縱向共分為5個(gè)節(jié)段，4個(gè)膠接縫，預(yù)制節(jié)段長2 m。模型梁縱斷面見圖3。

模型梁剪力鍵形式與依托項(xiàng)目箱梁腹板布置基本一致，剪力鍵采用梯形截面［6］(傾角45°)，鍵高5 cm，接縫Ⅰ，Ⅳ設(shè)5道剪力鍵，接逢Ⅱ，Ⅲ設(shè)4道剪力鍵。剪力鍵布置形式見圖4和圖5。

圖3 模型梁縱斷面布置(單位:cm)

圖4 Ⅰ接縫面截面布置及大樣(單位:cm)

圖5 Ⅱ接縫面截面布置及大樣(單位:cm)

模型梁沿梁高設(shè)2×3排內(nèi)徑φ55 mm預(yù)應(yīng)力管道，為測(cè)試不同角度孔道密閉性能，在支點(diǎn)附近接縫面預(yù)應(yīng)力孔道按不同角度彎起。

根據(jù)模型梁節(jié)段拼裝順序(從首節(jié)段開始計(jì)算)，將節(jié)段和接縫分別編號(hào)為1#，2#，3#，4#，5#和Ⅰ接縫、Ⅱ接縫、Ⅲ接縫、Ⅳ接縫。

兩片模型梁成孔方式、接縫面密封形式、接縫面環(huán)氧密封膠及涂膠方式見表1。

表1 模型梁構(gòu)造形式

5 接縫解剖觀測(cè)

待孔道壓漿漿體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)試驗(yàn)梁接縫進(jìn)行了解剖，異常情況見表2和表3?？梢姡齻€(gè)別孔道外大部分孔道壓漿密實(shí)，無漏漿及膠體進(jìn)入孔道情況。

表2 模型梁I壓漿后異常情況

表3 模型梁II壓漿后異常情況

模型梁Ⅰ，Ⅱ共有12個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道，在真空壓漿過程中9個(gè)孔道正常，但有3個(gè)孔道在抽真空過程中不能穩(wěn)壓，分別為模型梁Ⅰ中F1—右和F3—右以及模型梁Ⅱ中F3—右。其中模型梁Ⅰ中F1—右在接縫Ⅰ處漏氣，而模型梁Ⅰ中F3—右以及模型梁Ⅱ中F3—右在5#節(jié)段靠端頭對(duì)拉桿處漏氣。

通過對(duì)模型梁Ⅰ和Ⅱ進(jìn)行解剖，可以觀察到:①在真空壓漿過程中，漏氣的孔道接縫處存在漏漿及不飽滿現(xiàn)象;②環(huán)氧樹脂膠未進(jìn)入孔道;③壓漿材料采用鐵道部鑒定的高性能無收縮防腐灌漿劑，壓注的水泥漿無明顯頸縮現(xiàn)象;④采用閉孔發(fā)泡聚乙烯材料與采用橡膠墊圈作為孔道密封材料，均能達(dá)到密閉效果，但閉孔發(fā)泡聚乙烯能與膠體融為一體，而橡膠墊圈有明顯的厚度，壓縮量小。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

模型梁Ⅰ，Ⅱ部分孔道密閉效果不佳，部分密閉效果良好，分析原因有如下3點(diǎn):

1)模型梁Ⅰ及模型梁Ⅱ中F3—右孔道因臨時(shí)鋼筋拉桿孔道與預(yù)應(yīng)力孔道連通，在真空壓漿過程中雖然對(duì)臨時(shí)鋼筋拉桿孔道進(jìn)行了封堵但效果并不明顯，在抽真空過程中仍漏氣，無法達(dá)到真空狀態(tài)，孔道水泥漿不飽滿。

2)模型梁Ⅰ中F1—右孔道壓漿不密實(shí)，有漏漿現(xiàn)象。抽拔橡膠棒成孔施工過程中不可避免，如模型制作誤差、混凝土內(nèi)部存在微小孔隙等原因?qū)е略诔檎婵諘r(shí)漏氣無法達(dá)到真空狀態(tài)、孔道水泥漿不飽滿。

3)模型梁Ⅱ除因臨時(shí)鋼筋拉桿孔道與預(yù)應(yīng)力孔道連通漏氣外，均未發(fā)現(xiàn)壓漿不密實(shí)現(xiàn)象［7］。采用塑料波紋管成孔可在孔道內(nèi)形成一個(gè)密實(shí)的管道，將孔道與外界隔離，當(dāng)接縫處密貼時(shí)抽真空效果好，壓漿密實(shí)。

7 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)和結(jié)果檢查，得出結(jié)論如下:

1)塑料波紋管與抽拔橡膠棒兩種預(yù)應(yīng)力成孔方式均可行，但采用抽拔橡膠棒成孔方式時(shí)由于混凝土仍存在微小孔隙，當(dāng)孔道密集或保護(hù)層偏小時(shí)，真空灌漿不易保持孔道內(nèi)的負(fù)壓，故真空灌漿效果易受到一定影響。推薦采用塑料波紋管成孔。

2)密封方式①(密封墊圈+涂膠方式，接縫表面不開槽，兩接縫直接對(duì)接)與密封方式②(孔道口開槽+密封墊圈+涂膠方式)兩種密封方式均可行，未見環(huán)氧樹脂膠進(jìn)入預(yù)應(yīng)力孔道。但采用閉孔發(fā)泡聚乙烯材料比采用橡膠墊圈作為密封材料，彈性好，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。

3)愛牢達(dá)和西卡兩種環(huán)氧樹脂膠都能起到孔道密閉效果，從施工工藝上講均能滿足要求。

4)雙面涂膠接縫壓縮量普遍大于單面涂膠，單面涂膠與雙面涂膠效果基本相同，膠體在兩側(cè)混凝土表面均能有效滲透，均能有效彌補(bǔ)預(yù)制混凝土表面的不平整性等細(xì)小缺陷。單面涂膠工作量小，施工快，雙面涂膠浪費(fèi)大，故推薦采用單面涂膠工藝。

5)試驗(yàn)表明，預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能不但與接縫工藝處理措施有關(guān)，也受其他施工工藝影響，如模板拉桿布置若與孔道距離較近，容易造成串孔，導(dǎo)致孔道壓漿不密實(shí)。建議節(jié)段預(yù)制膠接拼裝箱梁施工中，注意采取相應(yīng)措施并加強(qiáng)施工管理，保證預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能，確保施工質(zhì)量。

［1］李國平．干接縫節(jié)段式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的優(yōu)勢(shì)與缺陷［J］．中國市政工程，2007(2):54-55．

［2］張新，郭正興，韓雪瑩．蘇通大橋連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制拼裝接縫處密封性能研究［J］．施工技術(shù)，2006(10):63-64．

［3］中華人民共和國交通部．JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB/T 3192—2008鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［5］AASHTO．2003 Interim Revisions to the Guide Specifications for design and Construction of Segmental Concrete Bridge［S］．Washington USA:American Association of State Highway and Transportation Officials，2003．

［6］李國平．節(jié)段式體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的構(gòu)造［C］//中國預(yù)應(yīng)力技術(shù)五十年暨第九屆后張預(yù)應(yīng)力學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集．北京:中國土木工程學(xué)會(huì)混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土分會(huì)，2006:78-83．

［7］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁膠接縫預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010．

(責(zé)任審編趙其文)

U448.21+8

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．09

1003-1995(2015)03-0030-04

2014-03-18;

2014-12-05

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G010-E)

高明昌(1974—)，男，甘肅天水人，高級(jí)工程師。