膠接縫節段預制拼裝橋梁的抗裂性計算

曹增華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

膠接縫節段預制拼裝橋梁的抗裂性計算

曹增華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

目前在膠接縫節段預制拼裝橋梁設計中關于抗裂性的計算，偏安全的計算方法是不考慮混凝土抗拉強度，導致了膠接縫節段預制拼裝橋梁預應力度偏高。本文結合試驗結果提出了抗裂性計算公式，并對《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—1985)(以下簡稱85版橋規)的適用性進行了驗證，為膠接縫節段拼裝橋梁抗裂性計算提供參考依據。膠接縫節段拼裝橋梁抗裂性與節段端面處理方法和清理干凈程度有關，在節段拼裝橋梁的施工中需重視節段端面的清理質量。在節段端面清理較好的情況下可以考慮環氧膠層與混凝土粘結抗拉強度對抗裂性的貢獻，采用85版橋規的計算方法是安全可靠的，能夠有效降低預應力度，節省材料。

膠接縫;節段拼裝;抗裂性;計算公式

目前，我國鐵路節段拼裝橋梁均采用濕接縫，且積累了大量的設計和施工經驗。膠接縫節段預制拼裝橋梁的研究和應用始于20世紀60年代，由于材料、技術、設備等原因沒有取得長足的發展，近20年來沒有應用。近年來國內軌道交通和公路行業也對膠接縫節段拼裝橋梁進行了少量的試點，但沒有系統的研究，沒有形成成熟的工法和設計施工規范。

膠接縫節段預制拼裝橋梁接縫處混凝土和普通鋼筋不連續，節段端面存在薄弱環氧膠層，環氧膠層與混凝土抗拉粘結強度也沒有規范標準。目前在膠接縫節段預制拼裝橋梁設計中關于抗裂性的計算，偏安全的計算方法是不考慮混凝土抗拉強度，導致了膠接縫節段預制拼裝橋梁預應力度偏高。而在85版橋規中提出了接縫處抗裂性降低的參考計算方法，文章結合試驗結果提出了抗裂性計算公式，并對85版橋規的適用性進行了驗證，為膠接縫節段拼裝橋梁抗裂性計算提供參考依據。

1 整體梁抗裂性計算方法

根據鐵路橋梁設計規范，其抗裂安全系數Kf計算見公式(1)［1］

式中:σc為計算點處的預壓應力;fct為混凝土抗拉極限強度;σ為計算荷載產生的拉應力;γ為考慮混凝土塑性的修正系數，γ=2S0/W0，S0為面積矩，W0為對檢算的受拉邊緣的換算截面抵抗矩。

在常規設計中，對膠接縫節段拼裝梁的接縫截面，偏安全地忽略環氧膠與混凝土的粘結抗拉強度，即fct=0，于是其抗裂安全系數計算公式簡化為

由式(2)可以看出，在不考慮環氧膠與混凝土的粘結抗拉強度情況下，膠接縫節段拼裝梁其抗裂安全系數即為預應力度。因抗裂安全系數Kf≥1.2，即膠接縫節段拼裝梁膠接縫處預應力度不小于1.2，也即在荷載作用下受拉側的剩余預壓應力≥0.2σ。這種設計方法，使得膠接縫橋梁梁高和預應力鋼束大大增加，造成了材料的浪費，經濟性差。

在85版橋規條文解釋中提出:采用環氧樹脂接縫時，抗裂性按0.5γfct計算，同時將抗裂安全系數Kf提高到1.25。

為準確研究環氧膠與混凝土粘結抗拉性能，提出膠接縫橋梁抗裂性計算公式，驗證85版橋規的適用性，開展了環氧膠與混凝土粘結軸向抗拉強度試驗研究。

2 環氧膠與混凝土粘結抗拉強度試驗

節段拼裝膠接梁的節段預制是通過節段間的匹配面作為端模實現的，節段預制時為方便脫模，需在已成型的節段端頭涂抹脫模劑，粘結在節段端面上的脫模劑會影響節段拼裝時環氧膠與混凝土的粘結強度。拼裝前需對已成型的節段端頭進行清洗，清洗的干凈程度將直接影響環氧膠與混凝土的粘結強度。

接縫面密封膠需采用無溶劑型雙組分觸變性環氧粘結劑，涂抹厚度及工藝根據試驗情況參照相關規定執行。接縫面臨時預壓應力保持不小于0.3MPa直至固化為止［2］。

抗拉試件共3組，第1組試件接縫面采用電動砂輪打磨，清理脫模劑和混凝土表面浮漿，清理最徹底;第2組試件接縫面采用電動鋼絲刷打磨，清理脫模劑和混凝土表面浮漿，清理次之;第3組試件接縫面采用砂紙手工打磨，清理脫模劑，接縫面清理效果最差。每組3個試件，共9個試件。

試件采用啞鈴形混凝土塊，長2 m，接縫面高0.55 m，寬0.4 m，1個試件由2段組成，每段長1 m，試件采用C60混凝土。為真實反映施工狀態，設計的試件與原設計梁剪力鍵尺寸一致，每個試件在接縫面設2個連續的剪力鍵。接縫面積0.22 m2，剪力鍵根部面積0.12 m2，見圖1。

假定環氧膠與混凝土粘結強度為3 MPa，則最大破壞軸向拉力約為660 kN。

試驗結果見表1。從試驗結果可以看出，3組試件環氧膠與混凝土粘結抗拉強度與C60極限抗拉強度的比值分別為0.89，0.85和0.74，3組試件的實測值基本符合規律。實測結果說明接縫混凝土界面的處理好壞程度對環氧膠和混凝土表面的粘結抗拉極限強度影響比較明顯，施工時應采取有效措施提高接縫混凝土界面的處理干凈程度［3］。

圖1 抗拉試件(單位:cm)

表1 抗拉強度試驗模型測試結果

3 節段拼裝梁抗裂性計算公式

基于以上試驗結果，在膠接縫橋梁抗裂性計算中引入膠接縫截面混凝土抗拉強度的修正系數，此修正系數為環氧膠與混凝土粘結抗拉強度與混凝土極限抗拉強度試驗結果比值?？紤]到試驗結果的離散性，對試驗數據進行了保守處理。從而得出膠接縫節段拼裝橋梁抗裂性計算公式［4］

式中，kct為膠接縫截面混凝土抗拉強度的修正系數。根據節段端面手動砂紙打磨處理、電動鋼絲刷打磨處理及電動砂輪打磨處理，kct分別取0.5，0.6及0.8。

根據85版橋規，抗裂性按0.5γfct計算，同時將抗裂安全系數Kf提高到1.25。該規定將kct取為0.5，而且提高了Kf值，抗裂性折減后較第3組試驗結果保守，可以應用于膠接縫節段拼裝橋梁的抗裂性計算。

4 模型梁試驗驗證

為驗證膠接縫節段拼裝梁抗裂性計算的正確性，開展了1片跨度為24 m的簡支工型模型梁破壞試驗，模型梁全長24.9 m，計算跨度24 m，梁高2.1 m，腹板厚0.38 m，頂板寬2.35 m，底板寬1.42 m。梁體沿縱向分為11個節段，10個接縫面，跨中不設接縫，接縫拼裝面采用環氧樹脂膠粘結。破壞試驗采用5點加載，各加載點沿梁縱向間距為4 m。

試驗結果顯示，開裂荷載下梁體裂縫首先從跨中預制梁段實體截面出現，實測開裂荷載與計算開裂荷載一致。推算抗裂安全系數1.435與根據鐵路橋規公式計算的設計抗裂安全系數1.44一致。從裂縫分布情況看，其破壞形態表現為彎曲破壞的特征［5］，抗裂控制截面是跨中截面而不是接縫截面。由此判斷，膠接縫節段拼裝梁具有很好的抗裂性能，其受力形式基本與整體梁相似。

根據模型梁試驗結果，在膠接縫節段拼裝橋梁設計中，抗裂安全系數計算時不考慮接縫處環氧膠與混凝土粘結抗拉強度是偏于保守的，在一定程度上造成了材料的浪費?？紤]抗裂性的降低，根據不同的接縫面處理形式，將混凝土的抗拉極限強度乘以相應的修正系數的抗裂性計算公式是可行的。

5 結語

膠接縫節段預制拼裝橋梁技術優勢明顯，具有廣闊的應用前景。目前國內應用較少，由于試驗研究數據偏少，目前的設計都偏于保守。后續應加強系統性課題研究，通過大量科學試驗數據，得出設計計算方法和施工工藝要求，為今后制定適合于節段拼裝橋梁的設計施工規范奠定良好的基礎。在今后的結構設計施工中做到有據可依，規范設計施工行為，才能更好地將膠接縫節段拼裝梁大范圍推廣應用。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］AASHTO．2003 Interim Revisions to the Guide Specifications for design and Construction of Segmental Concrete Bridge，Second Eidtion(1999)［S］．Washington:American Association of State Highway and Transportation Officeais，2003．

［3］李學斌，楊心怡，李東昇，等．節段梁環氧樹脂膠接縫抗拉強度的試驗研究［J］．鐵道建筑，2015(1):23-26．

［4］中鐵第一勘察設計員集團有限公司．節段預制膠接拼裝箱梁設計研究［R］．西安:中鐵第一勘察設計員集團有限公司，2014．

［5］中鐵第一勘察設計員集團有限公司．節段預制膠接拼裝箱梁模型試驗研究［R］．西安:中鐵第一勘察設計員集團有限公司，2014．

Crack Resistance Calculation of Precast Segmental Assembling Bridge with Epoxy Resin Joints

CAO Zenghua
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

In the design of precast segmental assembling bridge with epoxy resin joints，the method of crack resistance calculation does not consider the concrete tensile strength，leading to high prestressing degree in the bridge．T he crack resistance calculation formula was proposed by combining the test results．T he applicability of Code for design on reinforced and prestressed concrete structure of railway bridge and culvert(T B 10002．3—1985)was verified to provide reference for crack resistance calculation．T he crack resistance of precast segmental assembling bridge has a relationship with the treatment of segment surface and cleaning degree．Attention should be paid to the cleaning quality of segment surface in construction．In segment surface clean up good cases，the resistance of epoxy adhesive layer and concrete to crack could be considered．T he 85 edition of the calculation method of railway bridge specification is safe and reliable，can effectively reduce the prestressing degree and save material．

Epoxy resin joint;Segment assembling;Crack resistance;Calculation formula

U448．35;U441+．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．06

1003-1995(2016)12-0021-03

(責任審編趙其文)

2016-07-12;

2016-09-23

中國鐵路總公司科技研究開發計劃(2010G010-E)

曹增華(1971—)，男，高級工程師。