膠拼連續(xù)梁吊桿力精度及膠接縫應(yīng)力控制

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(guò)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(guò)程的影響也未見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(shù)脂膠結(jié)縫在拼裝固化過(guò)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(guò)程中梁體節(jié)段先在天車(chē)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(chē)鋼絲繩轉(zhuǎn)換給吊桿，天車(chē)則繼續(xù)拼裝下一節(jié)段。2A 節(jié)段吊桿力轉(zhuǎn)換過(guò)程見(jiàn)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(guò)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(kāi)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(guò)程

施工過(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)，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(guò)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(guò)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(jiàn)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(kāi)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(shù)脂膠在開(kāi)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(lái)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(guò)大的壓應(yīng)力會(huì)使環(huán)氧樹(shù)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(kāi)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(guò)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(jiàn)圖5。

圖5 施工過(guò)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(shuō)明裂縫在張拉第一批鋼束后即閉合。閉合后，開(kāi)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?jiàn)膠拼過(guò)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(kāi)裂和閉合過(guò)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(jiàn)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(guò)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(méi)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(jiàn)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(wú)線傳輸功能，無(wú)需逐根人工讀數(shù)，可通過(guò)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(guò)懸掛鋼橫梁，后續(xù)懸掛、拼裝及體系轉(zhuǎn)換階段均無(wú)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(wèn)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(wú)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(guò)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(jiàn)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(guò)于嚴(yán)格。因此，有必要研究在設(shè)計(jì)階段通過(guò)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(guò)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(guò)降低懸臂長(zhǎng)度來(lái)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(lái)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(jiàn)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(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合工程實(shí)際并參考施工規(guī)范中類(lèi)似的張拉要求，按照吊桿力降低5%，計(jì)算各節(jié)段吊拼過(guò)程的膠結(jié)縫應(yīng)力，見(jiàn)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(shuō)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(wèn)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(guò)程中處于安全狀態(tài)?？梢?jiàn)，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(guò)高，是導(dǎo)致膠拼梁施工過(guò)程產(chǎn)生裂縫甚至運(yùn)營(yíng)后漏水問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)高，是導(dǎo)致膠拼梁施工過(guò)程產(chǎn)生裂縫甚至運(yùn)營(yíng)后漏水問(wèn)題的重要原因。