高速鐵路節段預制膠拼連續梁設計研究

楊繼光

中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071

為推進建筑工業化、數字化、智能化升級，加速建造方式轉變，促進建筑業高質量發展［1］，在高速鐵路建設中大力推行綠色環保、信息化、工廠化和智能化建造。節段預制拼裝造橋技術將梁體沿縱向劃分為節段，在工廠預制后進行橋位拼裝，先化整為零、后集零為整，是一種先進的橋梁建造技術［2-3］，可滿足高速鐵路建設需求，是國內鐵路工程研究熱點之一。

在成昆鐵路舊莊河和孫水河連續梁橋的建設中，首次采用了節段預制膠接縫技術［4-5］。受施工技術、材料和設備條件的限制，直到20世紀末在石長鐵路湘江特大橋主跨連續梁建造中再次采用了該技術。進入21世紀，隨著國民經濟的發展，國內施工技術、施工設備、施工材料等方面取得了長足發展，節段預制膠拼技術在公路、市政、城市軌道混凝土橋梁等工程領域的應用條件日益成熟，逐步得以推廣。鐵路橋梁采用節段膠拼還處于探索階段，黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是國內首座采用節段預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首座采用節段預制膠拼施工的高速鐵路預應力混凝土連續梁［7］。連徐高速鐵路跨大沙河連續梁和跨規劃324省道連續梁采用了節段預制膠拼技術，為設計施工積累了經驗。

與傳統連續梁懸臂澆筑施工相比，預制拼裝技術在工程質量、工法適應性、提高結構耐久性與安全性、縮短工期等方面具有明顯優勢，但由于缺少相應的設計標準，在應用過程中缺乏節段預制膠拼施工的設計方法及控制參數。目前，高速鐵路節段預制膠拼連續梁的應用多以試驗性應用為主，尚未在實際工程中得到廣泛應用。

本文對高速鐵路節段預制膠拼連續梁的主要幾何尺寸、強度剛度設計措施、剪力鍵、臨時預應力等方面進行討論，為高速鐵路節段預制膠拼連續梁設計提供借鑒。

1 節段預制膠拼連續梁在高速鐵路中的適用性分析

隨著高速鐵路建設的快速發展，橋梁占比越來越大。由于混凝土設計強度的要求，采用常規連續梁懸臂澆筑施工方法施工周期普遍較長，至少需要8 d才能完成一個節段施工。而采用節段預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，常用節段預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段，一次完成一跨節段拼裝的施工方法［圖1（a）］。平衡懸臂拼裝法是以橋墩為中心，兩側對稱順序地拼裝預制節段的施工方法。節段吊裝設備有造橋機［圖1（b）］和橋面吊機［圖1（c）］兩種。

2 高速鐵路節段預制膠拼連續梁總體設計

2.1 主要截面尺寸設計

圖1 節段預制拼裝工法

預制節段不可直接套用懸臂澆筑施工或現澆施工連續梁中主梁和預應力鋼束的設計方法，應結合標準化預制和拼裝過程的受力需求設計梁體。遵循的原則如下：

1）對于變高度連續梁，結合受力需求對梁底縱向曲線進行優化，盡量增加等高度段長度，以便外模板重復利用。高速鐵路節段預制拼裝連續梁外形輪廓見圖2。

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

圖2 高速鐵路節段預制拼裝連續梁外形輪廓（單位：cm）

3）對稱節段輪廓尺寸、頂底板齒塊尺寸及位置，節段端面預應力鋼束位置應保持一致，減少因端模種類差異和節段預制時模板調整所產生的工作量。

4）在滿足吊裝設備能力的前提下，盡量采用較長的節段，減少膠接縫數量，縮短拼裝周期。

2.2 強度和剛度設計

接縫處縱向普通鋼筋和混凝土的不連續性是節段預制拼裝梁的主要特點。節段間膠接縫會造成結構整體剛度、接縫截面抗彎和抗剪能力降低，是影響結構耐久性的重要原因之一，設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、增大預壓應力、忽略環氧膠與混凝土的黏結抗拉強度等措施來提高結構的安全儲備。因此，節段梁預應力設計值、混凝土設計強度應適當增大，普通鋼筋用量應比常規設計時適當增多。

關于膠接縫強度折減，許多學者開展了實橋調研或者現場研究。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段預制膠拼簡支梁的抗彎試驗，梁長度均為4 m，節段梁分為5個節段，普通鋼筋在接縫處斷開，其他條件兩者一致，發現節段梁的抗彎承載力約為整體梁的86.0%。文獻［10］通過設置平接縫、單鍵及多鍵剪力鍵形式進行剪力鍵破壞試驗，發現膠接縫試件的抗剪承載力與整體試件接近。文獻［11］開展了彎剪復合作用膠拼構件破壞試驗，發現當膠拼構件和整體構件兩側施加4 MPa預壓應力時，膠拼構件極限承載力為整體構件的92.5%。

與歐美國家相比，我國在節段預制梁橋技術方面發展相對滯后，還沒有制定成熟的節段預制橋梁規范。國際上權威的節段橋梁設計指導規范是美國國家公路與運輸協會制定的《節段式混凝土橋梁設計和施工指導性規范》，該規范于1989年制定［12-13］，經多次修改，最新版本為2003年修訂版［14］。環氧樹脂膠接縫強度比梁體混凝土略低，通常用折減系數來表示。文獻［14］指出，膠接縫處抗彎強度折減系數取0.95，抗剪強度折減系數取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取0.90。針對具體工程也可開展相關試驗，根據試驗結果合理取值。

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

3 膠拼連續梁關鍵局部設計

3.1 剪力鍵

剪力鍵常采用密齒型剪力鍵，剪力鍵內不配鋼筋，其作用是提供抗剪力并協助節段拼裝對接定位。剪力鍵的構造尺寸可參考文獻［14］。剪力鍵尺寸、位置應標準化和模數化，以便于端模板設計和重復利用。剪力鍵在截面上的布置力求均勻，并盡量避開縱向預應力束位置，若剪力鍵與縱向預應力孔道位置沖突，可取消局部位置或減小沖突位置的剪力鍵。

3.2 臨時預應力

節段涂環氧樹脂膠后，固化以前須對節段間的環氧膠接縫施加臨時預應力。臨時預應力的作用為：①固定梁段，保證在永久預應力張拉前節段之間不會相對錯動；②提供環氧樹脂膠固化凝結所需的壓力。臨時預應力通過張拉錨固在梁頂（底）板的臨時張拉臺座預應力筋來實現，拆除臨時預應力筋時應在張拉部分永久預應力筋后實施（節段接縫不出現拉應力）。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 臨時預應力臺座

3.3 墩梁臨時固結

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

4 結論

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

2）環氧樹脂膠接縫抗彎強度折減系數取0.95，抗剪強度折減系數取0.90，梁體剛度折減系數取0.90。節段涂環氧樹脂膠后，固化以前須對節段間的環氧膠接縫施加臨時預應力。

3）剪力鍵的構造尺寸可借鑒美國國家公路與運輸協會制定的《節段式混凝土橋梁設計與施工指導性規范》，剪力鍵尺寸、位置應標準化和模數化，便于端模板設計和重復利用。

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