京唐鐵路潮白新河特大橋節段預制膠拼法建造關鍵技術研究

施 威,邢 雨,謝遠超,周岳武

(中國鐵路設計集團有限公司橋梁院,天津 300308)

引言

使用節段預制拼裝法建造橋梁，是先將橋梁整體“化整為零”為預制節段，然后運送至橋位處施加預加應力“集零為整”成整體結構。根據節段間接縫形式的不同，節段拼裝法可以分為干接法、濕接法和膠接法。其中干接法由于耐久性及抗震性能存在缺陷，已逐漸被淘汰；而膠接法相對濕接法具有施工工期短、美觀環保、后期收縮徐變小等特點，逐漸成為節段預制橋梁的發展趨勢[1-4]。

目前國內連續梁橋的節段預制拼裝技術主要應用在公路市政橋梁中，在鐵路連續梁中應用只有1966年竣工的成昆鐵路舊莊河1號橋(24+48+24) m和孫水河5號橋(32.3+64.4+32.3) m，1997年竣工的石長鐵路湘江特大橋主跨(61.65+7×96+61.65) m的預應力混凝土連續梁，和2017年竣工的鄭阜鐵路(40+56+40) m預應力混凝土連續梁，其中鄭阜鐵路為高速鐵路。

為切實貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，推動我國鐵路橋梁建造技術科技進步，提高橋梁設計施工質量與水平，縮短橋梁施工工期，提升環保、可持續建橋理念，提高橋梁標準化、專業化施工裝備能力，對鐵路預應力混凝土連續梁節段預制膠拼核心技術進行深入研究，并形成我國鐵路自有知識產權的大跨度節段預制膠拼橋梁建造成套技術具有重要意義。課題選擇北京至唐山鐵路潮白新河特大橋DK101+167.09～DK102+173.94段進行節段預制膠拼法建造應用。

1 項目概況

北京至唐山鐵路DK101+167.09～DK102+173.94區間采用(48+80+48) m連續梁+16-40 m簡支梁+(48+80+48) m連續梁跨越潮白新河河堤路和河槽，節段預制膠拼法建造。

主要技術標準如下。

(1)設計速度：350 km/h。

(2)線路情況：雙線，曲線，最小曲線半徑5 500 m，正線線間距5.0 m。

(3)軌道型式：CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結構高度738 mm。

(4)環境類別及作用等級：一般大氣條件下無防護措施的地面結構，環境類別為碳化環境，作用等級為T2。

(5)設計使用年限：正常使用條件下梁體結構設計使用壽命為100年。

(6)地震烈度：8度，地震動峰值加速度0.2g。

2 結構設計

2.1 立面布置

80 m連續梁梁長為177.5 m，計算跨度為(47.9+80+47.9) m，邊支座中心線距離梁端0.85 m。主梁截面型式為單箱單室變高度連續箱梁，采用C55混凝土，中支點截面中心處梁高6.635 m，跨中及邊跨等高段截面中心處梁高3.635 m，梁底下緣除等高段外按1.8次拋物線變化。中跨跨中段等高段長31.0 m，邊跨等高段長24.0 m，梁端設0.25 m長的懸臂板以滿足施工時操作空間的需要。箱梁頂寬12.6 m，底寬6.7 m。箱梁頂板厚0.37 m，邊支點局部加厚到0.62 m；底板厚從等高段的0.4 m按照1.8次拋物線變化至中支點1 m；腹板厚0.48～0.7～0.9 m，邊支點0.6 m，按折線變化。全聯在端支點、中支點處設橫隔板。立面布置如圖1所示。

跨度40 m簡支梁梁長40.6 m，計算跨度為38.9 m，支座中心線距離梁端0.85 m。截面類型為單箱單室直腹板等高度箱梁，為方便節段預制，節省模板，并獲得較好的橋梁整體協調感，箱形截面外輪廓與80 m連續梁等高段一致。截面中心處梁高3.635 m，跨中頂板厚30 cm，底板厚28 cm，腹板厚40 cm，梁端頂板、底板、腹板局部向內側加厚，分別為70，70 cm和105 cm。

2.2 節段劃分

梁體節段劃分須結合現場施工條件決定，受控于節段運輸能力及吊裝能力，該項目采用橋上運輸方案。80 m連續梁預制節段長度有3.0，3.5，4.0，4.75，5.0 m共5種，全聯共42個預制節段和1個2.0 m長的跨中現澆合龍段。其中0號段重3 470 kN，0號段隔板及隔板范圍的頂板在橋位后澆筑，預制部分重2 100 kN，其余預制節段最大吊重1 910 kN。

圖1 (48+80+48) m連續梁立面布置(單位：cm)

1孔40 m簡支梁共9個預制節段，兩端各設1個長4.55 m的預制節段，其余7個預制節段長度均為4.5 m，節段最大吊重為1 640 kN。

2.3 連續梁0號段

連續梁0號段由于有隔板及加靴構造，且板較厚，結構一般比其余節段要重，往往成為施工控制因素，而且0號段的施工直接影響后期節段的拼裝質量。

本項目在采用掛籃懸臂澆筑的(48+80+48) m連續梁0號段基礎上進行了以下兩方面優化：

(1)增大進人孔尺寸，由1.5 m×1.9 m的尺寸增加為1.75 m(寬)×2.8 m(高)；

(2)減小支座橫向間距，中墩支座橫向間距由5.8 m減小至4.9 m，減小加靴構造。

通過以上兩點優化，0號段吊重由3 860 kN減小為3 470 kN，共減輕390 kN，減幅10.1%。兩種0號段施工方案所采用的中支點截面對比如圖2所示。

圖2 (48+80+48) m連續梁預制0號段結構優化(單位：cm)

采用MIDAS/FEA 軟件建立0號段局部應力分析模型，確保受力滿足要求。

2.4 剪力鍵

剪力鍵的作用主要是提供抗剪能力和節段拼裝定位，其主要包括腹板剪力鍵、頂板剪力鍵、底板剪力鍵以及腹板與頂板、底板結合區剪力鍵。其中腹板剪力鍵主要承受與傳遞接縫截面在正常受力情況下的剪力；頂板剪力鍵主要用于傳遞接縫位置橋面荷載引起的剪力，并協助節段拼裝對接定位；底板剪力鍵主要用于協助節段拼裝對接定位。

綜合既有國內外規范及既有工程，確定本橋剪力鍵主要布置原則如下：

(1)剪力鍵采用傾角45°梯形截面，高度不小于混凝土最大粗骨料粒徑的2倍(其中混凝土最大粗骨料粒徑不大于2.5 cm)，選用5 cm；

(2)腹板剪力鍵采用密鍵形式，在腹板全高度范圍均勻布置，布置區間不小于梁高的75%；剪力鍵的橫向寬度不小于腹板寬度的75%，且靠箱內側邊設置，腹板剪力鍵頂寬5 cm，根部寬15 cm；

(3)頂、底板剪力鍵采用較大的疏鍵，無砟軌道梁，在無砟軌道板范圍內宜布設頂板剪力鍵，頂、底板剪力鍵頂寬5，10 cm或20 cm，根部寬15，20 cm或30 cm；

(4)位于剪壓區的腹板與頂板、底板結合區，若無體內預應力鋼束通過也設置剪力鍵。

2.5 梁端懸臂構造

為滿足梁端預應力張拉空間需要，在連續梁與簡支梁梁端均設置懸臂構造，如圖3所示。

圖3 梁端節段懸臂構造(單位：cm)

梁端懸臂構造范圍內的邊跨頂板預應力，采用單端張拉，懸臂構造范圍上預應力錨槽滿足鋼束穿束空間即可，以減小在懸臂構造范圍上預應力錨槽尺寸。

2.6 連續梁預應力連接器

采用全體內預應力，(48+80+48) m節段預制拼裝梁使用了部分預應力連接器， 在待拼裝的相鄰預制節段中提前預埋一段喇叭狀的異形波紋管，喇叭狀異形波紋管的端部也設置約束圈，以取代連接器保護罩的作用。現場拼接時，連接體直接插入預埋在相鄰預制節段的異形波紋管內，并設一環形密封墊圈，以保證密封性能，且方便施工。如圖4所示。

圖4 預應力連接器異形波紋管安裝示意

3 連續梁拼裝方案及預應力布置

3.1 拼裝方案

(48+80+48) m連續梁所有節段均采用預制拼裝時，分別對下述2種拼裝方案進行對比分析。

(1)方案1

具體拼裝順序為：橋墩兩側一次平衡懸臂拼裝3對預制節段，再拼裝邊跨不平衡段，最后中跨現澆合龍。這種方案可以理解為“小節段預制、大節段拼裝”的一種拼裝方式。1聯連續梁典型拼裝工序示意如圖5所示。

圖5 典型拼裝工序示意

(2)方案2

方案1中橋墩兩側一次平衡懸臂拼裝3對預制節段，方案2與方案1的區別只是將一次平衡懸臂拼裝3對預制節段改為一次懸臂拼裝1對預制節段，其余均相同。

由于需要滿足剪力鍵的布設空間，(48+80+48) m連續梁不可避免需要采用預應力連接器，以便充分利用預應力管道位置。方案一拼裝3對節段才張拉一次永久預應力，施工速度快，而且節段之間預應力錨槽、連接器布置少，但該方案也是一次拼裝多個預制節段，存在天車脫鉤轉換為橋機節段吊桿受力的過程，因此施工工藝控制要求比方案2高；方案2拼裝1對節段張拉一次永久預應力，因此施工速度相比方案1慢，且節段之間預應力錨槽、連接器布置更多，但施工過程中，不存在節段換勾的過程，方便施工控制。兩種施工方案的特點詳見表1。綜合考慮，本項目采用方案1。

表1 (48+80+48) m連續梁兩種拼裝方案對比

3.2 布束特點

頂、底板預應力布置時，均需留出頂、底板剪力鍵的尺寸空間。同時，為均勻布置腹板剪力鍵，相比采用掛籃懸臂澆筑施工或支架現澆施工，腹板預應力筋豎向間距更大，中支點處下面幾層腹板預應力筋距離截面頂的距離也更大。在支點附近剪力較大的部分截面均布設有斜向腹板預應力束，以利于膠接縫截面的抗剪。

頂板及中跨底板預應力基本采用22-7φ5 mm和25-7φ5 mm兩種較大規格的鋼束，以減少預應力根數，滿足剪力鍵布置空間需求；腹板束采用19-7φ5 mm。為滿足施工過程和運營狀態膠接縫混凝土壓應力儲備滿足要求，在中支點下緣布置2束19-7φ5 mm的永久預應力鋼束。

由于(48+80+48) m連續梁在平衡懸臂拼裝過程中一次拼裝3對預制節段，懸臂施工過程中形成3次穩定的T構，每個懸臂T構階段張拉對應階段預應力、拆除吊桿。平衡懸臂過程中張拉少部分底板鋼束以及下彎的腹板束，避免施工過程中頂板束張拉引起膠接縫截面底部出現拉應力。

4 連續梁結構檢算

4.1 模型簡介

采用MIDAS/CIVIL軟件建立有限元模型，模型分為主梁、造橋機、吊桿三部分，均按實際結構參數模擬。

為避免節段拼裝過程中膠接縫截面出現拉應力，對部分頂、底板預應力鋼束要求同時張拉，并伴隨預應力張拉，及時拆除節段吊桿。

分別對運營狀態、半跨造橋機過孔、全聯造橋機過孔、半跨過節段運梁小車、全聯過節段運梁小車、成橋過全線簡支箱梁運梁車施工過程等7種工況逐一進行檢算。下述為運營狀態主要計算結果情況。

4.2 剛度及徐變變形

梁體剛度按0.9進行折減，梁體跨中靜活載作用下最大撓度30.7 mm，撓跨比為1/2 609；邊跨最大撓度10.8 mm，撓跨比為1/4 453；最大梁端轉角0.669‰，均滿足規范要求。

預制節段存梁時間不小于30 d，梁體殘余徐變變形值為：邊跨3.8 mm，中跨0.9 mm。由于節段預制箱梁的加載齡期較長，殘余徐變變形相對較小，有利于高速鐵路行車的舒適性。

4.3 應力計算

主梁縱向按全預應力結構設計。膠接縫截面建設、運營全過程均不出現拉應力，并按照下述原則進行控制：在最不利荷載組合下，運營階段混凝土壓應力儲備不小于1.0 MPa，施工階段混凝土壓應力儲備不宜小于0.5 MPa。計算結果見表2。

表2 運營狀態膠接縫截面應力計算結果 MPa

注：應力受壓為負。

4.4 膠接縫截面抗裂計算

(1)正截面抗裂計算

由于普通鋼筋不連續，膠接縫兩側混凝土的抗拉性能不如整體混凝土梁，膠接縫處的抗裂性能減弱，因此膠接縫正截面抗裂計算時，對TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》第7.3.9條[5]fct按照0.3進行折減。經計算，最小抗裂安全系數為1.22，滿足規范不小于1.2的要求。主力+附加力工況全梁膠接縫正截面抗裂安全系數詳見圖6。

圖6 膠接縫截面正截面抗裂安全系數曲線

(2)斜截面抗裂計算

膠接縫斜截面抗裂計算在TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》的基礎上，抗裂性計算的主拉應力σtp≤0.7fct。經檢算，主力工況膠接縫斜截面最大主拉應力為1.43 MPa，主力+附加力工況膠接縫斜截面最大主拉應力為1.79 MPa，小于0.7×3.3=2.31 MPa，滿足要求。

4.5 膠接縫抗彎強度計算

膠接縫正截面抗彎強度計算在TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》的基礎上，考慮0.95的強度折減系數[6]，且不計普通鋼筋作用。主力+附加力工況全梁膠接縫正截面抗彎強度安全系數詳見圖7。

圖7 膠接縫截面正截面抗彎強度安全系數曲線

4.6 膠接縫抗剪強度計算

環氧樹脂膠接縫截面抗剪承載能力折減系數取0.9[6]。采用基于混凝土剪-壓復合強度準則的計算方法[7]對膠接縫截面抗剪強度安全系數進行計算，考慮結構上、下緣均布設有預應力的情況，并參照我國現行TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中的設計參數及平衡方程。經檢算，膠接縫截面抗剪強度安全系數：主力工況為2.12，主力+附加力工況為2.09，如圖8所示。

圖8 膠接縫截面抗剪強度安全系數曲線

5 主要工程數量對比

為配合節段預制拼裝工藝，相比采用掛籃懸臂澆筑施工的同跨度梁，(48+80+48) m連續梁節段預制拼裝方案采用了更長的跨中及邊跨等高段，且跨中梁高相比懸臂澆筑方案有所降低，同時優化了0號段的結構設計，因此本項目一聯連續梁節段預制拼裝方案的混凝土用量2 747.3 m3相比懸臂澆筑方案的2 955.0 m3要少207.6 m3。預制拼裝方案的縱向預應力筋用量為141.4 t，比懸臂澆筑方案的125.0 t多16.4 t，對應每立方混凝土縱向預應力筋含量預制拼裝方案為51.5 kg/ m3，而懸臂澆筑方案只有42.3 kg/m3。預制拼裝方案的預應力筋含量明顯要比懸臂澆筑方案高，這主要是因為：(1)預制拼裝方案的膠接縫截面在整個施工、運營過程中不能出現拉應力，并有一定的壓應力儲備；(2)抗裂安全系數計算時，混凝土抗拉強度折減較多；(3)下排腹板預應力布置距離截面頂部距離大。1聯(48+80+48) m連續梁采用不同施工方案的主要工程數量詳見表3。

表3 主要工程數量對比

6 結語

北京至唐山鐵路潮白新河特大橋局部1 km區段采用節段預制膠拼法建造，對其結構設計、拼裝方案及預應力布置、連續梁結構檢算以及主要工程數量等進行了分析研究，并得出如下結論，可為類似項目提供參考。

(1)(48+80+48) m連續梁與40 m簡支梁相接，連續梁梁端及跨中等高段與相鄰簡支梁的梁高和外輪廓一致，能較大程度節省預制模板費用，且全橋整體美觀、協調。

(2)預制節段之間的預應力連接器采用喇叭狀的異形波紋管加密封圈方案，以保證密封性能，方便施工。

(3)(48+80+48) m連續梁采用一次拼裝3對預制節段，即“小節段預制、大節段拼裝” 的平衡懸臂拼裝工藝，該方案施工速度快，而且節段之間預應力錨槽、連接器布置少。

(4)預制拼裝方案的預應力含量比懸臂澆筑方案高。