高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁設(shè)計研究

楊繼光

中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071

為推進建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級，加速建造方式轉(zhuǎn)變，促進建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展［1］，在高速鐵路建設(shè)中大力推行綠色環(huán)保、信息化、工廠化和智能化建造。節(jié)段預(yù)制拼裝造橋技術(shù)將梁體沿縱向劃分為節(jié)段，在工廠預(yù)制后進行橋位拼裝，先化整為零、后集零為整，是一種先進的橋梁建造技術(shù)［2-3］，可滿足高速鐵路建設(shè)需求，是國內(nèi)鐵路工程研究熱點之一。

在成昆鐵路舊莊河和孫水河連續(xù)梁橋的建設(shè)中，首次采用了節(jié)段預(yù)制膠接縫技術(shù)［4-5］。受施工技術(shù)、材料和設(shè)備條件的限制，直到20世紀末在石長鐵路湘江特大橋主跨連續(xù)梁建造中再次采用了該技術(shù)。進入21世紀，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)施工技術(shù)、施工設(shè)備、施工材料等方面取得了長足發(fā)展，節(jié)段預(yù)制膠拼技術(shù)在公路、市政、城市軌道混凝土橋梁等工程領(lǐng)域的應(yīng)用條件日益成熟，逐步得以推廣。鐵路橋梁采用節(jié)段膠拼還處于探索階段，黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是國內(nèi)首座采用節(jié)段預(yù)制膠拼施工的大跨度簡支箱梁［6］，最大跨度達到64 m。鄭阜高速鐵路周淮特大橋是國內(nèi)首座采用節(jié)段預(yù)制膠拼施工的高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁［7］。連徐高速鐵路跨大沙河連續(xù)梁和跨規(guī)劃324省道連續(xù)梁采用了節(jié)段預(yù)制膠拼技術(shù)，為設(shè)計施工積累了經(jīng)驗。

與傳統(tǒng)連續(xù)梁懸臂澆筑施工相比，預(yù)制拼裝技術(shù)在工程質(zhì)量、工法適應(yīng)性、提高結(jié)構(gòu)耐久性與安全性、縮短工期等方面具有明顯優(yōu)勢，但由于缺少相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用過程中缺乏節(jié)段預(yù)制膠拼施工的設(shè)計方法及控制參數(shù)。目前，高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁的應(yīng)用多以試驗性應(yīng)用為主，尚未在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。

本文對高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁的主要幾何尺寸、強度剛度設(shè)計措施、剪力鍵、臨時預(yù)應(yīng)力等方面進行討論，為高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁設(shè)計提供借鑒。

1 節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁在高速鐵路中的適用性分析

隨著高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁占比越來越大。由于混凝土設(shè)計強度的要求，采用常規(guī)連續(xù)梁懸臂澆筑施工方法施工周期普遍較長，至少需要8 d才能完成一個節(jié)段施工。而采用節(jié)段預(yù)制膠拼施工方法只需2 d即可完成施工，施工時間縮短75%。

目前，常用節(jié)段預(yù)制拼裝工法有逐孔拼裝法和平衡懸臂拼裝法。逐孔拼裝法是通過造橋機懸掛節(jié)段，一次完成一跨節(jié)段拼裝的施工方法［圖1（a）］。平衡懸臂拼裝法是以橋墩為中心，兩側(cè)對稱順序地拼裝預(yù)制節(jié)段的施工方法。節(jié)段吊裝設(shè)備有造橋機［圖1（b）］和橋面吊機［圖1（c）］兩種。

2 高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁總體設(shè)計

2.1 主要截面尺寸設(shè)計

圖1 節(jié)段預(yù)制拼裝工法

預(yù)制節(jié)段不可直接套用懸臂澆筑施工或現(xiàn)澆施工連續(xù)梁中主梁和預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)計方法，應(yīng)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制和拼裝過程的受力需求設(shè)計梁體。遵循的原則如下：

1）對于變高度連續(xù)梁，結(jié)合受力需求對梁底縱向曲線進行優(yōu)化，盡量增加等高度段長度，以便外模板重復(fù)利用。高速鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁外形輪廓見圖2。

2）箱梁底板和腹板增厚應(yīng)在一個節(jié)段范圍內(nèi)完成，變厚點與節(jié)段端面宜預(yù)留不小于10 cm的平直段，以便端模的定位和錨固。

圖2 高速鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁外形輪廓（單位：cm）

3）對稱節(jié)段輪廓尺寸、頂?shù)装妪X塊尺寸及位置，節(jié)段端面預(yù)應(yīng)力鋼束位置應(yīng)保持一致，減少因端模種類差異和節(jié)段預(yù)制時模板調(diào)整所產(chǎn)生的工作量。

4）在滿足吊裝設(shè)備能力的前提下，盡量采用較長的節(jié)段，減少膠接縫數(shù)量，縮短拼裝周期。

2.2 強度和剛度設(shè)計

接縫處縱向普通鋼筋和混凝土的不連續(xù)性是節(jié)段預(yù)制拼裝梁的主要特點。節(jié)段間膠接縫會造成結(jié)構(gòu)整體剛度、接縫截面抗彎和抗剪能力降低，是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一，設(shè)計時需考慮剛度和強度的折減，并配合采用增加腹板斷面尺寸、增大預(yù)壓應(yīng)力、忽略環(huán)氧膠與混凝土的黏結(jié)抗拉強度等措施來提高結(jié)構(gòu)的安全儲備。因此，節(jié)段梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計值、混凝土設(shè)計強度應(yīng)適當(dāng)增大，普通鋼筋用量應(yīng)比常規(guī)設(shè)計時適當(dāng)增多。

關(guān)于膠接縫強度折減，許多學(xué)者開展了實橋調(diào)研或者現(xiàn)場研究。文獻［8］指出成昆鐵路運營中的膠拼梁強度和剛度與整體梁接近。文獻［9］進行了整體簡支梁和節(jié)段預(yù)制膠拼簡支梁的抗彎試驗，梁長度均為4 m，節(jié)段梁分為5個節(jié)段，普通鋼筋在接縫處斷開，其他條件兩者一致，發(fā)現(xiàn)節(jié)段梁的抗彎承載力約為整體梁的86.0%。文獻［10］通過設(shè)置平接縫、單鍵及多鍵剪力鍵形式進行剪力鍵破壞試驗，發(fā)現(xiàn)膠接縫試件的抗剪承載力與整體試件接近。文獻［11］開展了彎剪復(fù)合作用膠拼構(gòu)件破壞試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)膠拼構(gòu)件和整體構(gòu)件兩側(cè)施加4 MPa預(yù)壓應(yīng)力時，膠拼構(gòu)件極限承載力為整體構(gòu)件的92.5%。

與歐美國家相比，我國在節(jié)段預(yù)制梁橋技術(shù)方面發(fā)展相對滯后，還沒有制定成熟的節(jié)段預(yù)制橋梁規(guī)范。國際上權(quán)威的節(jié)段橋梁設(shè)計指導(dǎo)規(guī)范是美國國家公路與運輸協(xié)會制定的《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計和施工指導(dǎo)性規(guī)范》，該規(guī)范于1989年制定［12-13］，經(jīng)多次修改，最新版本為2003年修訂版［14］。環(huán)氧樹脂膠接縫強度比梁體混凝土略低，通常用折減系數(shù)來表示。文獻［14］指出，膠接縫處抗彎強度折減系數(shù)取0.95，抗剪強度折減系數(shù)取0.90。由于膠接縫的存在，與整體梁相比，膠拼梁剛度略有下降，建議梁體剛度折減系數(shù)取0.90。針對具體工程也可開展相關(guān)試驗，根據(jù)試驗結(jié)果合理取值。

接縫處截面主要依靠混凝土剪力鍵自身強度及縱向預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的界面摩擦力抵抗剪力，預(yù)應(yīng)力筋提供的預(yù)壓應(yīng)力可以抵抗使用荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。設(shè)計中除檢算斜截面抗剪承載力外，還需根據(jù)接縫截面的剪力鍵布置檢算接縫面正截面抗剪強度。

3 膠拼連續(xù)梁關(guān)鍵局部設(shè)計

3.1 剪力鍵

剪力鍵常采用密齒型剪力鍵，剪力鍵內(nèi)不配鋼筋，其作用是提供抗剪力并協(xié)助節(jié)段拼裝對接定位。剪力鍵的構(gòu)造尺寸可參考文獻［14］。剪力鍵尺寸、位置應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化，以便于端模板設(shè)計和重復(fù)利用。剪力鍵在截面上的布置力求均勻，并盡量避開縱向預(yù)應(yīng)力束位置，若剪力鍵與縱向預(yù)應(yīng)力孔道位置沖突，可取消局部位置或減小沖突位置的剪力鍵。

3.2 臨時預(yù)應(yīng)力

節(jié)段涂環(huán)氧樹脂膠后，固化以前須對節(jié)段間的環(huán)氧膠接縫施加臨時預(yù)應(yīng)力。臨時預(yù)應(yīng)力的作用為：①固定梁段，保證在永久預(yù)應(yīng)力張拉前節(jié)段之間不會相對錯動；②提供環(huán)氧樹脂膠固化凝結(jié)所需的壓力。臨時預(yù)應(yīng)力通過張拉錨固在梁頂（底）板的臨時張拉臺座預(yù)應(yīng)力筋來實現(xiàn)，拆除臨時預(yù)應(yīng)力筋時應(yīng)在張拉部分永久預(yù)應(yīng)力筋后實施（節(jié)段接縫不出現(xiàn)拉應(yīng)力）。臨時張拉臺座（圖3）采用混凝土臺座和鋼臺座，頂板采用鋼臺座，底板采用混凝土臺座。

圖3 臨時預(yù)應(yīng)力臺座

3.3 墩梁臨時固結(jié)

懸臂拼裝施工0號節(jié)段和橋墩之間應(yīng)臨時固結(jié)，以抵抗拼裝過程中出現(xiàn)的不平衡彎矩，包括：①平衡懸拼節(jié)段時考慮前一個節(jié)段施工進度造成的不平衡彎矩，并取最大值；②施工線荷載一側(cè)為6.4 kN∕m，另一側(cè)為3.2 kN∕m［15］時，兩側(cè)施工線荷載不等所引起的不平衡彎矩；③考慮節(jié)段自重的不均勻性，一側(cè)節(jié)段混凝土自重超重5%，另一側(cè)節(jié)段自重減輕5%時引起的不平衡彎矩；④不平衡上揚風(fēng)力產(chǎn)生的不平衡彎矩，基本風(fēng)壓取600 Pa。

4 結(jié)論

1）高速鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁主要截面尺寸設(shè)計應(yīng)遵循以下四個原則：①盡量增加等高度段長度；②底、腹板增厚在一個節(jié)段內(nèi)完成；③盡量減少模板種類；④增大節(jié)段長度，減少接縫數(shù)量。

2）環(huán)氧樹脂膠接縫抗彎強度折減系數(shù)取0.95，抗剪強度折減系數(shù)取0.90，梁體剛度折減系數(shù)取0.90。節(jié)段涂環(huán)氧樹脂膠后，固化以前須對節(jié)段間的環(huán)氧膠接縫施加臨時預(yù)應(yīng)力。

3）剪力鍵的構(gòu)造尺寸可借鑒美國國家公路與運輸協(xié)會制定的《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計與施工指導(dǎo)性規(guī)范》，剪力鍵尺寸、位置應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化，便于端模板設(shè)計和重復(fù)利用。

4）懸臂拼裝施工0號節(jié)段和橋墩之間采用臨時固結(jié)時須考慮四類不平衡彎矩帶來的影響。