膠拼連續梁吊桿力精度及膠接縫應力控制

王勝杰 李艷

中國鐵路設計集團有限公司土建院， 天津 300308

鐵路膠拼連續梁具有工廠化預制程度高、架設速度快、施工環保等優點。吊桿是重要傳力構件。受施工過程中多種復雜因素影響，節段轉換時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量驗收標準》給出了不同橋型對應的施工張拉精度。對于膠拼梁吊桿力的張拉精度，現行設計施工規范未給出規定。關于吊桿力偏差對膠拼連續梁施工過程的影響也未見報道。

1 工程概況

新建鄭濟鐵路設計了22 聯3 × 56 m 等跨膠拼連續梁，一聯梁體全長167.85 m，每聯37片節段，節段預制數量總計為814 片。全橋分為3 個整段拼裝。整體施工方案：第1 步拼裝12A—3B 號節段，第2 步拼裝4B—3C 號節段，第3步拼裝4C—12C號節段。

第3 步在吊桿懸掛狀態下的節段拼裝布置見圖1。

圖1 第3步節段拼裝布置

第1步拼裝時先安裝0A 節段并臨時錨固，并向兩側依次拼裝剩余各節段，12A 節段拼裝后，安裝1#墩支座。第2 步從4B 節段開始拼裝，拼裝至0B 節段時安裝3#墩支座，繼續拼裝1C—3C 節段。第3 步拼裝至12C 節段時安裝4#墩支座。每個小節段拼裝后張拉體外臨時預應力，使環氧樹脂膠結縫在拼裝固化過程中始終處于受壓狀態，每整段拼裝完成后按照設計要求依次張拉相應永久預應力并拆除吊桿。

2 吊桿力張拉精度的影響

膠拼過程中梁體節段先在天車鋼絲繩吊掛狀態下進行抹膠、拼裝，并張拉臨時體外預應力，然后用精軋螺紋鋼吊桿連接節段和架橋機，將梁體節段重量由天車鋼絲繩轉換給吊桿，天車則繼續拼裝下一節段。2A 節段吊桿力轉換過程見圖2。節段重量轉換時，應控制節段重量完全由吊桿承擔，否則節段重量將通過膠結縫的剪力鍵傳遞給已拼裝節段，使已拼裝節段膠結縫承受剪力和彎矩，降低預存應力的同時影響拼裝線形［2］，若控制不當，已拼裝膠結縫尤其懸臂根部存在開裂風險［3］。為使吊桿力可調整，在吊桿與架橋機連接時，必須設置主動張拉設備對吊桿力進行調整。

圖2 吊桿力轉換過程

施工過程中受節段重量測量誤差、張拉操作規范程度、錨固設備松動等各種因素的影響，節段轉換后的吊桿力與節段重量不可避免地會存在偏差。為研究吊桿力的精度要求，建立有限元計算模型計算3 × 56 m 膠拼連續梁在施工過程中吊桿力分別降低1%、3%及5%時，對線形和膠拼縫應力的影響。計算模型中的架橋機鋼材及主梁混凝土材料參數均按照文獻［4-5］取值。

2.1 線形

膠拼梁拼裝時節段之間必須完全匹配，預制線形基本決定了拼裝線形。將按照切線位移法計算得到的線形作為結構的預制線形［4］。吊桿力降低時膠拼梁預制線形見圖3。

圖3 吊桿力降低時膠拼梁預制線形

由圖3 可知，吊桿力降低對預制線形產生了顯著的影響。吊桿力降低1%、3%、5%時，計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 中拼裝預應力混凝土連續梁高程允許偏差為±20 mm。由此可見，即使吊桿力偏差較小，也會對預制線形產生顯著的影響。施工中，雖然吊桿力偏差比理論值大或小存在一定的隨機性，但為有效控制線形，偏于保守考慮，吊桿力偏差應控制在1%以內。

2.2 膠縫預存應力

膠接縫是整個橋梁的關鍵部位。為了使膠結縫在施工過程中始終處于受壓狀態，在箱梁頂板、底板及腹板上設置臨時預應力筋，采用體外粗鋼筋張拉，有效錨下張拉力均為500 kN，每道膠結縫的頂板、底板、腹板共設有12根臨時預應力束，施工過程中的體外預應力可為膠結縫提供0.42 ～ 0.53 MPa 的壓應力。一般節段拼裝時膠結縫壓應力應控制在0.3 ～ 0.6 MPa［6］。

膠結縫預存應力計算時，先利用不考慮體外預應力的有限元模型計算膠結縫的應力，然后與預存應力疊加作為膠結縫的實際應力。吊桿力降低時拼裝三個整段的膠結縫上下緣應力見圖4。

由圖4 可知：①吊桿力降低1%時，全梁截面均處于受壓狀態，3 個整段上下緣壓應力分別為0.27 ～0.65、0.28 ～ 0.66、0.36 ～ 0.50 MPa，第一、第二整段有截面應力已不滿足設計要求。②吊桿力降低3%時第一整段上緣出現了0.08 MPa的拉應力，最大壓應力為1.08 MPa。③吊桿力降低5%時第一整段和第二整段上緣分別出現了0.43、0.28 MPa 的拉應力，最大壓應力為1.53 MPa。

施工中的拉應力必然導致未固化的膠縫開裂，施加后的永久預應力雖然可以使裂縫閉合，但需等待2 ～ 3 d。環氧樹脂膠在開裂狀態下數小時即硬化，閉合時膠結縫漏水的風險會顯著增加。拼接縫漏水將給結構耐久性、箱內防腐等諸多方面帶來不利因素［7］。硬化后閉合截面會出現部分干接縫，使接縫抗剪能力降低［8-9］。此外，過大的壓應力會使環氧樹脂膠擠出量增加，導致膠縫厚度減小［10］。因此，吊桿力偏差應控制在1%以內。

2.3 膠縫拼裝及成橋應力

實際施工中，在缺少吊桿力監控的情況下，某聯梁在拼裝第一整段膠拼梁至11A 段時，在1A 和0A 之間的13號截面發生了膠結縫輕微開裂的情況。此時，懸臂端實測標高低于理論值2 cm。原因是吊桿力偏低導致裂縫及線形偏差，與計算中吊桿力整體偏低5%的結果接近。現場通過整體分級調整了吊桿力，調整后裂縫閉合良好。

偏于安全考慮，按照吊桿力偏差5%且未調整的狀態，對第一整段12A—3B 號節段的后續施工中張拉第一批鋼束（頂板、底板通長束）及吊桿全部拆除兩個關鍵步驟的膠結縫應力進行計算，結果見圖5。

圖5 施工過程中的膠結縫應力

由圖5可知：兩個關鍵施工步驟中，膠結縫的頂板和底板均處于受壓狀態，說明裂縫在張拉第一批鋼束后即閉合。閉合后，開裂的13號截面頂板上緣壓應力為0.61 MPa，全部吊桿拆除未出現拉應力。由于后續的鋼束張拉，13 號截面的頂板上緣壓應力增加為3.29 MPa。可見膠拼過程中出現的裂縫在后續施工中將閉合，閉合后為了避免膠結縫在開裂和閉合過程中防水能力下降，對此處進行加強防水處理。

成橋運營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 + 支點沉降），計算吊桿力降低1% ～ 5%時截面上緣、下緣應力的最大值和最小值，計算結果見表1。

表1 主力 + 附加力作用下截面應力

由表1可知：吊桿力降低1% ～ 5%時，膠結截面上緣壓應力儲備有所降低，但依然滿足設計給出的運營時最不利荷載作用下設計控制壓應力不小于1.0 MPa的要求。因此，考慮膠拼后的施工階段和成橋運營階段時，吊桿力偏差按照5%控制可滿足結構受力要求。

3 膠結縫應力控制

3.1 吊桿力精準控制

實際施工中節段混凝土參數與設計理論值存在偏差［11］。吊桿力的偏差會影響結構的膠結縫應力和線形。膠結縫應力主要依靠臨時束張拉和吊桿力的精確控制得以保證，與彈性模量關系較小。由于膠拼過程中結構尚未形成連續的狀態，因此，彈性模量對線形幾乎沒有影響［12］。實際節段重量與吊桿力有直接關系，需要根據重度實測結果重新計算，并考慮鋼筋、預應力孔道、齒塊及施工附屬設備的重量。即便如此，節段中的齒塊分布不均、橫隔板的偏重等因素還可能導致同一節段的4根吊桿的吊桿力不相同。例如，邊支點處12A 節段，考慮實際重度時，設計總重量比實際重量大8.64%，考慮隔板偏重時，靠近隔板的吊桿力比平均吊桿力大20.00%，遠離隔板的吊桿力比平均吊桿力小16.67%，產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，全橋理論吊桿力為303.0 ～ 472.5 kN，第一整段吊桿力見表2。

表2 第一整段吊桿力

壓力環測量精度為 ±0.1 kN，可滿足1%的精度（3.030 ～ 4.725 kN）要求，且壓力環帶有無線傳輸功能，無需逐根人工讀數，可通過一臺計算機同時讀取全橋壓力環的數值。壓力環在節段準備懸掛階段安裝，安裝在懸掛鋼橫梁與節段相連的吊桿上，架橋機與節段的連接均通過懸掛鋼橫梁，后續懸掛、拼裝及體系轉換階段均無需再調整壓力環的位置，可實現對吊桿力的連續監測。同時，為了彌補理論計算工作量大和準確度不高的問題，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

懸掛時節段重量必然是由吊桿完全承擔，稱重后無需再對節段重量進行計算，可在懸掛體系轉換時精確控制吊桿力。本文工程按照該方法取得了良好的吊桿力控制效果，實際控制精度達到 ±0.5%，實測全梁兩端最大線形偏差 +10.8、-8.5 mm，滿足規范中±20 mm的要求。

3.2 架設方案優化

通過引入壓力環雖然可達到吊桿力控制精度要求，但油壓千斤頂施加吊桿力時，由于設備精度不高、人員操作不規范等因素，實際施加的吊桿力達到1%控制精度需多次調整，現場操作中耗費時間和人力，與膠拼梁可輕便施工的設計理念不符。現行施工規范中對于張拉施工的精度要求均未見有 ±1%的要求，例如Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術規程》中對斜拉橋施工階段索力偏差規定應在 ±5%以內，成橋索力偏差規定應在 ±3%以內，對預應力張拉時管道摩阻系數及偏差系數要求在±5%以內。結合工程實際和Q/CR 9603—2015可知，按照1%的精度控制吊桿張拉力的要求實際過于嚴格。因此，有必要研究在設計階段通過調整節段一次懸拼長度使得吊桿力偏差具備更高的適用性，尤其應控制吊拼過程中節段膠結縫應力。

吊桿力偏差時的吊拼狀態與懸臂梁結構受力特征相似，懸臂梁內力與懸臂長度的平方成正比，因此，可通過降低懸臂長度來降低內力。將吊桿力敏感性最高的第一整段分別調整為2 步和3 步拼裝并計算截面的應力來研究本橋懸拼長度的合理范圍。調整為2 步拼裝后的節段施工步驟見圖7。調整為3 步時拼裝步驟為：第一步拼裝4A—3B、第二步拼裝5A—8A、第三步拼裝9A—12A。調整后的一次懸拼長度由整段拼的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 節段吊桿力布置

每一步完成后張拉鋼束，使已拼裝節段處于永久預應力作用下。拼裝剩余節段。已張拉永久預應力的節段處于較大軸力作用下，吊桿力出現輕微偏差時節段已無開裂風險。結合工程實際并參考施工規范中類似的張拉要求，按照吊桿力降低5%，計算各節段吊拼過程的膠結縫應力，見圖8。可知，分2 段拼裝時上緣最小壓應力為-0.26 MPa，下緣最大壓應力為-0.98 MPa，分3段拼裝時上緣最小壓應力為-0.31 MPa，下緣最大壓應力為-0.82 MPa，相較于整段拼裝時的上緣拉應力0.43 MPa 和下緣壓應力-1.53 MPa 均有了顯著的改善，說明減小一次懸拼節段長度可提高結構對吊桿力的容許偏差能力。

圖8 第一整段膠結縫應力

多分段雖然使膠接縫應力對吊桿力的容許偏差能力顯著提高，但施工步驟、張拉次數和工期必將增加，因此，在保證結構質量的前提下綜合考慮經濟適用性，選擇分段長度方案。本橋調整為3步后，上緣最小應力滿足膠結縫壓應力為0.3 ～ 0.6 MPa的要求，下緣壓應力不滿足，但壓應力大時并不會導致嚴重工程質量問題。因此，偏于安全考慮，一次懸臂長度應不大于18.00 m，按照吊桿力偏差5%控制，懸拼結構施工過程中處于安全狀態。可見，長懸臂吊拼時的膠結縫應力對吊桿力敏感性過高，是導致膠拼梁施工過程產生裂縫甚至運營后漏水問題的重要原因。

4 結論

1）吊桿力偏差按照1%的精度控制時，線形及施工過程膠結縫應力可滿足要求；按照5%的精度控制時，成橋運營階段結構受力可滿足要求。綜合考慮，吊桿力偏差應按照1%的精度控制。

2）利用壓力環對膠拼節段預先稱重再拼裝的控制方案，可精確控制吊桿力，控制精度能達到 ±0.5%。

3）結合工程實際和Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術規程》可知，吊桿力偏差按照1%的精度控制過于嚴苛，減小一次懸拼節段長度可提高結構對吊桿力的容許偏差能力。

4）施工時吊桿力偏差過大和設計時長懸臂吊拼的方案使得膠結縫應力對吊桿力敏感性過高，是導致膠拼梁施工過程產生裂縫甚至運營后漏水問題的重要原因。