高速鐵路56m節(jié)段預制膠拼簡支箱梁施工關鍵技術研究

孫約瀚，趙碩碩，趙 兵，陳文尹，柯宇慶

(1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.中鐵四局集團有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230022)

我國橋梁施工正朝著構件生產(chǎn)的工廠化、標準化、裝配化以及施工設備機械化的方向轉變，節(jié)段預制拼裝是現(xiàn)今國內(nèi)外發(fā)展的趨勢[1]。節(jié)段預制拼裝技術大幅度簡化了施工過程，降低了施工難度，也節(jié)省了大量時間。

節(jié)段預制拼裝橋梁按用途可分為鐵路橋梁、公路橋梁、市政橋梁橋梁等[2]；按結構形式可分為簡支梁橋、連續(xù)梁橋、拱橋和斜拉橋等；按連接形式可分為濕接、膠接和干接橋梁等。相對于濕接拼裝，采用膠接拼裝建造的鐵路橋梁具有接縫處普通鋼筋不連續(xù)、混凝土不連續(xù)[3]，采用設置剪力鍵和膠結劑接縫、通過縱向預應力鋼筋連成整體結構[4]的特殊技術特點。

目前鐵路節(jié)段拼裝梁大多采用濕接方法施工，并形成了成熟的工藝流程，但缺乏膠接拼裝施工的應用。本文以國內(nèi)首例高速鐵路大跨度簡支梁采用預制膠接拼裝技術的橋梁——銀西鐵路陜西段YXZQ-4標段漠谷河2號特大橋為應用實例，從節(jié)段膠結拼裝的方案選擇、拼裝設備的選用、節(jié)段架設與調(diào)整、涂膠和預應力張拉等關鍵技術進行分析，總結了其施工速度快、質(zhì)量易控制、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點[5]。

1 工程概況

銀西高鐵陜西段漠谷河2號特大橋位于陜西省乾縣漠西鄉(xiāng)和梁山鄉(xiāng)兩鄉(xiāng)界內(nèi)，孔跨布置為1×32 m簡支箱梁+(97+2×180+97) m加勁鋼桁連續(xù)剛構+(15×56) m節(jié)段拼裝簡支梁+(5×32) m簡支箱梁，橋梁全長1 605.22 m。

漠谷河2號特大橋15×56 m節(jié)拼預制拼裝簡支箱梁采用單箱、單室等高度預應力混凝土簡支箱梁。梁頂寬12.6 m，底寬6.7 m，箱梁端部支點位置橫向支座間距5.2 m，梁高5.1 m。跨中截面底板厚35 cm，腹板厚52 cm，頂板厚40 cm。梁頂橫向設2 %的排水坡。

56 m節(jié)段預制拼裝簡支箱梁計算跨徑53.8 m，共分為13個梁段，12個接縫，長度分2.7 m和4.6 m兩種。其中端頭節(jié)段為2.7 m，中間標準節(jié)段為4.6 m，如圖1所示。

圖1 梁段劃分與箱梁橫斷面(單位:cm)

2 梁段膠接拼裝關鍵技術

2.1 施工方案

采用TPZ80/2500型造橋機進行節(jié)段拼裝簡支箱梁架設施工。先拼裝造橋機，然后頂推至首孔架設位置，再利用場內(nèi)200 t龍門吊將梁段從存梁臺座上吊起放置橋面運梁車上。落穩(wěn)后轉入至造橋機下部，由造橋機吊梁天車吊運至造橋機指定位置。以造橋機承重梁為依托，按一定的順序擺放、調(diào)整就位，涂膠拼裝，然后穿放鋼絞線、張拉，即完成墩頂原位成梁作業(yè)。

2.2 拼裝系統(tǒng)

TPZ80/2500型節(jié)段拼裝造橋機因其適應能力強、結構簡單、機械化程度高、操作方便、性能穩(wěn)定的特點，適用與簡支梁及連續(xù)梁的膠拼、濕接拼裝施工[6]。故用于本次案例的橋梁拼裝施工(圖2)。

圖2 造橋機就位

該造橋機結構采用了新型分層分節(jié)的三角形桁架結構，節(jié)段之間連接采用對拉式雙頭螺柱連接型式，保證了接頭的剛度，消除了接頭有害的空隙撓度；同時，造橋機結構采用高強度低合金結構鋼Q460C制造，減輕了結構自重，使造橋機主桁架在大懸臂的狀態(tài)下，保證前支腿撓度小于1 m，所以能登上前方墩頂。

該造橋機采用上行懸掛、兩跨邁步縱移式總體方案，主要由主桁框架系統(tǒng)、支承體系、吊梁天車、懸掛體系、縱移過孔裝置、操作平臺和附屬結構等部分組成[7]。造橋機整機拼裝完成后，對結構進行預壓荷載試驗，檢驗其結構的承載能力和穩(wěn)定性，預壓荷載應不小于最大施工荷載的1.1倍。

在TPZ80/2500型移動支架造橋機拼裝完成后，首先吊裝全部梁體作為額定滿載。梁體吊裝完后，再施加預壓荷載。

均布荷載一般采用預壓塊壓重的方式施加，工效低。若采用造橋機吊裝一個梁段在造橋機上移動提供集中荷載來取代均布荷載，不僅可以消除支架的非彈性變形，而且預壓非常高效。

橋機滿載時荷載為G，預壓荷載為1.1G，則理論上還需0.1G的均布荷載需要施加，設梁長為L，那么均布荷載q=0.1G/L。

均布荷載作用于造橋機的跨中彎矩M1為：

利用造橋機天車吊裝一個梁段(重量N≥0.1G)至跨中位置時，其跨中彎矩M2為：

顯然，M2>M1，且兩種預壓方式梁段剪力和跨中剪力均相同。所以造橋機吊裝一個梁段在造橋機上移動提供集中荷載取代均布荷載預壓完全可行。

在額定滿載和預壓過程的各工況中，對該造橋機在各工況作用下各控制截面的撓度及關鍵截面應力進行監(jiān)測。

造橋機在節(jié)段箱梁吊裝拼裝過程的撓度變形實測數(shù)據(jù)與有限元計算模擬結果如表1所示。

試驗結果：試驗結構的最大豎向位移出現(xiàn)在跨中截面，最大位移值滿足規(guī)范設計要求。整個試驗過程中，試驗結構各個測點的豎向位移未發(fā)生異常變化。試驗與理論分析數(shù)據(jù)擬合良好，說明造橋機施工過程的撓度變形在可控范圍內(nèi)。

通過荷載試驗表明該造橋機可用于本工程15孔56 m簡支箱梁節(jié)段拼裝架梁施工，且有一定的安全儲備。

2.3 節(jié)段架設

2.3.1 架設準備

2.3.1.1 造橋機就位

首先在待架設梁體后方的梁面上拼裝中、后支腿、后支點

表1 造橋機的撓度變形實測與理論值對比 mm

小車，之后在支腿及后支點小車上直接進行造橋機拼裝，造橋機采用邊拼裝邊頂推的拼裝方式逐步進行。造橋機拼裝完成后連續(xù)通過倒運支腿的方式進行前移，移動至首孔梁架設位置，此時中支腿位于架設梁體的前方1#梁段上(采用8根32精軋螺紋鋼在梁體腹板處進行錨固)，后支腿位于已架設好的梁體上，見圖2。

2.3.1.2 梁段檢查

當預制梁段強度達到90 %，使用200 t龍門吊將梁段吊入整修臺座。首先對接縫面采用電動角磨機進行打磨處理(打磨隔離劑及混凝土錯臺)，之后使用高壓水槍沖洗接縫，避免在梁段膠接過程中存在剪力鍵難以咬合的情況。在整修臺座上，采用鋼絞線束逐個對每個梁段的全部預應力孔道進行通孔檢查，確保梁段預應力孔道在梁體架設前暢通無雜物。

2.3.2 首段梁吊裝與錨固

在預制梁場用200 t龍門吊將1#梁段吊裝至運梁車上，然后由運梁車運送至造橋機尾部。用造橋機上部行走天車將1#梁段吊裝至待架孔孔位相應的支撐墊石上，同時將支座上板螺栓與梁段預埋鋼板套筒扭緊。見圖3。首段吊裝調(diào)整定位完成后，采用重力灌漿方式進行錨固(對支座錨栓孔及支座與墊石之間空隙進行灌漿)。灌漿采用無收縮高強度灌注材料，待漿體材料強度達到20 MPa后，拆除千斤頂。

圖3 1#梁段吊裝與錨固

2.3.3 臨時支撐

臨時支撐體系的錨固包括架設梁體1#梁段與墩身的錨固及架設梁體1#梁段與下一孔1#梁段對中支腿臨時支撐的錨固。待2個1#梁段就位后，在2個1#梁段之間安裝內(nèi)襯型鋼骨架，兩端錨口處安裝錨具和鋼絞線，進行臨時張拉，將兩個梁段臨時錨固為整體，作為造橋機過孔的臨時支撐體系。

2.3.4 造橋機過孔

橋機過孔的步驟：

(1)1#梁段支座完成灌漿后，安裝后支點小車，后支腿拆除并前移至1#梁段頂部，使用精軋螺紋鋼進行錨固。

(2)橋機通過頂推裝置前移，同時后支點小車跟隨橋機移動，直至橋機前支腿落到架設梁體的下一孔橋墩上部位置。

橋機主要采用液壓邁步式走行系統(tǒng)進行橋機整體移位過孔，通過整套液壓系統(tǒng)與橋機結構系統(tǒng)組成頂進—邁步—頂進的循環(huán)步履。過孔時，設置后支點小車行走軌道，確保頂推過程平穩(wěn)。

2.3.5 梁段吊裝

造橋機過孔完成后，用橋機天車和運梁小車把后支點小車移走。提前在造橋機的懸吊縱梁上標記吊桿位置，采用梁場200 t龍門吊機吊取梁段到運梁車上，運梁至造橋機回轉天車下方。通過天車升降、縱移、旋轉將梁段運到其相應位置，用精軋螺紋鋼和扁擔梁將梁段懸掛在懸吊裝置上。卸載回轉天車，進行下一梁段運輸及吊裝。

梁段吊裝采用4根φ40 mm精軋螺紋鋼作為吊桿。由于梁段吊裝就位需要轉向(梁段橫向寬度遠大于梁段長度)，且需要留出足夠的空間方便后續(xù)涂膠施工，因此將5#、7#、9#、11#梁段與其它梁段錯層懸掛。起始涂膠梁段(1#、2#梁段)應預留出涂膠施工的空間，其余梁段可緊靠吊裝。整孔箱梁吊裝順序為：從梁端頭兩側對稱向跨中進行懸掛。每次錯層懸掛可節(jié)省出吊裝孔到梁體邊緣的距離，根據(jù)錯層懸掛的梁段個數(shù)，最終可判斷最后吊裝節(jié)段是否滿足旋轉空間的要求。施工時可增加橫向分配梁來減小吊桿與梁體邊緣的距離來增加施工空間，如圖4所示。

圖4 梁段懸掛吊裝

2.4 梁段調(diào)平

2.4.1 調(diào)平裝置

造橋機吊裝采用回轉天車及吊具吊裝梁段，回轉天車可縱向全范圍移動，可橫向移動(60 cm)調(diào)整，采用鋼絲繩及動滑輪連接吊具吊裝梁段，吊具可空間橫向、縱向精確調(diào)整梁段高度,見圖5。

回轉天車由兩套25 t液壓缸提供動力，可橫向調(diào)整，調(diào)整范圍為±600 mm，另可360°自由旋轉(喂梁)。

吊具設置了獨立的整套液壓電控系統(tǒng)，設置了兩根橫傾油缸和兩根縱傾油缸，可以通過控制器，對梁段進行調(diào)平。系統(tǒng)采用全液壓，可實現(xiàn)梁段縱傾、橫傾動。三維精調(diào)梁段，準確對位。

2.4.2 線型控制

整孔梁架設完成后，對梁體中線及標高進行復測和調(diào)整[8]。調(diào)整時在梁底安裝兩個500 t液壓千斤頂，將梁段頂起。梁底安裝防落梁擋塊，在防落梁擋塊與支承墊石之間安裝液壓千斤頂，實現(xiàn)梁體的橫移。反復測量梁體中線，利用千斤頂進行調(diào)整，使整孔梁的中線與設計相符。最后調(diào)整豎向千斤頂，保證梁體標高與設計一致。在梁段調(diào)整完畢后，對支座進行灌漿，完成整孔梁的錨固。

梁體橫向移動及高程調(diào)節(jié)時應注意：在錨固梁段拼接前，應將固定端支座上螺栓與梁體底板緊固完成，同時支座下螺栓安裝完畢；待梁體橫移和標高調(diào)節(jié)到位后直接進行支座灌漿施工。

2.5 涂膠

在膠拼之前進行試拼，試拼時，根據(jù)轉換后標高控制點相對高差調(diào)整梁段空間位置。

涂膠前對接縫面清洗處理，檢查張拉、涂膠機具設備的性能，準備安全牢固的涂膠腳手架，涂膠人員佩戴抗腐蝕手套和防護眼鏡。在預應力孔道周圍貼閉孔發(fā)泡聚乙烯密封墊圈，保證預應力孔道的密封，防止環(huán)氧樹脂膠擠進孔道內(nèi)(圖6)。

圖6 涂膠

(1)拌膠。通過試驗選擇適宜指標的膠體，拌制按材料說明要求的比例配置[9]，膠性能如表2所示。先將A膠通過攪膠器攪拌，然后將B膠放入A膠中，將環(huán)氧樹脂膠在約400 r/min的狀態(tài)下攪拌2～3 min，直到顏色均勻為止，攪拌過程中盡量避免引入空氣，盡量使用扁平工具攪拌，便于散熱，延長使用時間。

(2)抹膠。抹膠前，應再次清除接縫混凝土面，在預應力孔道周圍貼一塊10 mm寬，5 mm厚的環(huán)型海綿墊，以保證預應力孔道的密封，防止孔道壓漿時串漿漏漿。

拌制好的膠體隨著時間的增加，推移施工難度增加。為加快施工進度，抹膠作業(yè)分4個工作面12人同時進行，頂板4人，箱內(nèi)4人，箱外4人。接縫面涂膠時應自下而上，快速均勻，采用人工將混合后的膠體涂抹在結構表面。為保證厚度均勻，涂刷密貼，采用雙面涂膠，每面1.5 mm，不出現(xiàn)斷膠現(xiàn)象，宜在45 min內(nèi)完成一道接縫涂膠，3 h內(nèi)完成梁段拼接。

表2 膠結涂料性能參數(shù)

2.6 預應力張拉

2.6.1 臨時張拉

臨時張拉采用相鄰節(jié)段(2#段與1#梁段縫、3#段與2#段縫、…、13#與12#段縫)分別施加臨時預應力的方法，每個錨固塊采用抗拉強度PSB830的2根φ32 mm精軋鋼進行張拉。采用60 t穿心千斤頂，同時張拉8根精扎螺紋鋼分級張拉到設計噸位，1#梁段和2#梁段間膠接縫每根螺紋鋼張拉力為550 kN，其余膠接縫每根螺紋鋼張拉力為420 kN。原則上臨時張拉采用雙端張拉，若張拉空間不足時，可采用單端張拉。

臨時張拉完成后，清理接縫擠出的膠體，并清理預應力孔道的膠體。張拉力應確保接縫面臨時預壓應力不小于0.3 MPa(確保環(huán)氧樹脂在不小于0.3 MPa的壓力下固化)，最大不超過0.6 MPa。臨時預應力在箱梁第一批縱向預應力張拉完成后方可拆除。

2.6.2 第一批預應力張拉

臨時張拉完畢后，接縫處環(huán)氧樹脂膠完全固化后，進行第一批(腹板束和底板束)預應力鋼束張拉，在擠膠張拉30 h后進行永久預應力張拉。

在節(jié)段梁預制時，在2#段頂板預留通向內(nèi)腔的孔道，作為鋼絞線穿束時的通道。穿束前應用高壓空氣沖洗孔道內(nèi)的雜物，將孔道沖洗干凈。

采用卷揚機穿束的方式穿束，在造橋機中支腿處架設前方橫梁上安裝卷揚機，并通過定滑輪實現(xiàn)拉力的傳輸，拉動鋼束穿入波紋管中。

根據(jù)設計圖紙預應力鋼束張拉噸位按錨下控制應力為σcon=0.66fpk控制，即σcon=0.66×1860×140×17×1.06=3094.989kN(預應力鋼筋與錨圈口及喇叭口摩擦損失率為0.06σcon)，采用4臺400 t張拉千斤頂逐級加載、兩端對稱的方法進行。

張拉采用數(shù)控智能張拉設備，張拉兩端同步進行，左右對稱；先長束后短束，先外側后內(nèi)側，先上后下交錯進行施作。

2.6.3 支撐轉換

張拉過程中梁體在預應力的作用下起拱，造橋機的鋼桁架會隨著梁體自身承載力的加大逐漸回彈。在起拱的同時，梁端發(fā)生轉角，此時精軋螺紋鋼吊桿受力發(fā)生較大變化，需逐漸解除精軋螺紋鋼吊桿。解除順序為由梁段跨中方向向兩端交叉進行。每根吊桿分級卸載，逐步解除，最終完成支撐轉換。

2.6.4 第二批預應力張拉

在第一批預應力孔道張拉壓漿完成15 d后，進行第二批預應力孔道(鋸齒塊預應力鋼束)的張拉壓漿作業(yè)。

2.7 孔道壓漿

壓漿前應清除梁體管道內(nèi)的雜物和積水，采用密封罩或水泥漿等對錨具夾片空隙和其他可能泌漿處封堵，待封堵料達到一定強度后方可壓漿。

梁體壓漿采用智能壓漿及真空輔助工藝進行預應力的壓漿，壓漿順序先下后上；從底板到腹板進行壓漿，同一管道壓漿應持續(xù)進行，一次完成。從漿體拌料到壓入體的時間不應超過40 min。待出漿口出漿順暢后，關閉出漿端閥門，使壓漿泵的壓力達到0.6 MPa，持壓3 min。在持壓的條件下，關閉壓漿端閥門及壓漿泵，完成壓漿。

2.8 封錨

待所有孔道壓漿完成之后，對箱梁端部進行清理，切割超長的預應力筋(預留外露長度30 mm)，鏟除喇叭管承壓面的黏漿和錨具與外漏鋼絞線外部的灰漿。封端的鋼筋骨架綁扎前，將錨穴側邊的原梁體混凝土表面鑿毛，露出堅實的石子面。封端采用C60補償收縮混凝土，重力式灌注的方法進行。

3 結束語

漠谷河2號特大橋安全、高效完成節(jié)段梁膠結拼裝施工，它的施工方案、拼裝系統(tǒng)、節(jié)段架設、梁段調(diào)平、涂膠與預應力張拉等關鍵技術得到了驗證，為今后高速鐵路大跨簡支梁節(jié)段預制膠接拼裝施工積累了經(jīng)驗。該技術適用于采用節(jié)段預制生產(chǎn)的公路、鐵路不同跨徑的簡支梁或不同跨徑的連續(xù)梁在直線或曲線段的梁段架設施工，有較大推廣應用前景。