铁路节段预制胶结拼装法建造桥梁技术与应用

·桥梁·1/5铁路节段预制胶结拼装法建造桥梁技术与应用张立青（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）摘要节段预制胶结拼装法造桥是分段建造桥梁的一种，在原理上是从预应力结构、箱梁设计和分段施工法综合而成，经济技术性强，适用范围广。结合铁五院承担的国内首座采用节段预制胶拼法建造的铁路桥梁工程实例，从包括节段预制胶结拼装造桥基本理论入手，对节段预制技术、胶结拼装装备、胶结拼装技术进行了叙述，以期对其他节段预制胶结拼装法建造桥梁工程提供借鉴。关键词铁路；桥梁；节段；预制；胶结；拼装中图分类号：U448.21+2文献标识码：A文章编号：ApplicationandTechnologyforPrecastSegmentsCementingAssemblingBridgesonRailwaysZHANGLiqing(TheFifthSurveyandDesignInstitute(Group)CO.,Ltd.ofCRCC,Beijing102600,China)Abstract:Theprecastsegmentscementingassemblingbridge-buildingisonekindofsegmentedbridgebuildingmethods，inprinciplefromtheprestressedstructures,boxgirderdesignandsegmentedconstructionmethod.Theprecastsegmentsassemblingbridge-buildingistechnical,economic,andforawiderange.CombiningthefirstprecastsegmentscementingassemblingbridgesonrailwaysbytheFifthSurveyandDesignInstitute(Group)CO.,Ltd.,andstartingfromtheprecastsegmentscementingassemblingbridge-buildingbasictheory,thisarticleexploresandanalysesprecastsegmentaltechnology,segmentassemblyequipment,segmentassemblytechnology,inordertoprovideareferencetotheotherengineerings.Keywords:railways;bridges;segments;precast;cementing;assemble1概述一般来说，节段预制拼装法建造桥梁是指以纵向为主进行分段预制和拼装的桥梁建造技术，其将梁体延纵向划分为若干节段，在工厂（场）预制后运至桥位进行组拼，以先“化整为零”后“化零为整”的方式，施加预应力使之成为整体桥梁结构的一种桥梁建造技术。和常规悬臂分段浇筑、节段预制顶推等本质上一样，节段预制拼装法建造桥梁技术是分段建造桥梁的一种，在原理上是从预应力结构、箱型梁设计和分段施工法的综合[1]。在我国铁道工程领域，上世纪90年代始，以湿接拼装为代表的节段预制拼装造桥技术在灵武支线杨家滩黄河特大桥得到成功应用，其后在包兰二线三盛公黄河特大桥、神延线秃尾河特大桥、兰武二线河口黄河特大桥、郑西客专磨沟河大桥、温福铁路白马河特大桥等得到推广，但是相对于胶结拼装法在市政、城市轨道交通节段预制拼装建造桥梁的应用程度相比，我国铁路采用采用节段预制胶结拼装法建造桥梁技术仍然空白[2-6]。2014年在黄韩候铁路芝水沟大桥的建造中，在行业内首次采用了节段预制胶结拼装法建造技术，并取得了成功[7]。在现阶段，相对于每年建造桥梁总量，铁路上采的用该技术的桥梁极少，其应用范围与其技术优势完全不匹配；随着近年来桥梁设计电算与仿真分析、新型国产胶结材料、铁路高性能混凝土构件预制、试验检测和精确量测控制、起重与液压电控等技术的发展，节段预制胶结拼装法建造铁路桥梁技术值得进一步规模推广。文章结合中铁第五勘察设计院集团有限公司承担建造的国内首座采用节段预制胶结拼装法建造的铁路桥梁——黄韩候铁路芝水沟大桥工程实例，对铁路节段预制胶结拼装建造桥梁技术进行探析，以期对其他类似工程提供借鉴和参考。2节段预制胶结拼装法建造桥梁特点与优劣势根据节段间连接形式的不同，节段预制拼装法建造桥梁技术可分为湿接、胶结和干接。而由于在·桥梁·2/5受力性能、抗震性能及耐久性等方面严重不足，根据2003年临时修改版的AASHTO《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》的规定，新建节段预制拼装桥梁将不再使用干接形式[8]。2.1技术特点相对于湿接拼装，采用胶结拼装建造的铁路桥梁具有接缝处普通钢筋不连续、混凝土不连续，采用设置剪力键和胶结剂接缝、通过纵向预应力钢筋连成整体结构的特殊技术特点。在节段接缝处的受力上：桥梁结构依靠节段端面设置的剪力键和预应力钢筋施加预应力后断面产生的摩擦力共同抵抗剪力；依靠预应力钢筋施加预应力后产生的压应力抵抗弯距；而接缝处胶结剂仅起到保证接缝处密闭性能、提高预应力钢筋防锈蚀性能、保护桥梁整体耐久性能等作用。桥梁是依托剪力键和对梁段施加预应力，实现节段预制和胶结拼装“化零为整”建造桥梁整体结构的目标。2.2设计和施工特点对比湿接拼装梁和整体混凝土梁，采用胶结拼装建造的铁路桥梁有如下设计特点：（1）结构预应力度高。由于胶结剂与混凝土之间的粘结力小于连续混凝土抗拉强度，因此胶接缝处的抗裂性能降低，相对需配备较大预应力以提高胶结缝处边缘抗拉强度的降低。（2）强度和刚度折减。由于胶结缝的存在，在设计中，均需对桥梁弯曲强度和刚度进行折减，因此梁截面高度较同等跨度湿接拼装梁或整体混凝土梁有所增加。（3）接缝面正截面抗剪性能受多方控制。胶结拼装梁接缝面正截面抗剪性能受剪力键的布置、预应力钢筋弯起效应及与截面压应力控制。（4）节段梁端面剪力键宜设置混凝土密键。除在节段梁端面腹板上除预应力孔道位置外满布外，可在节段梁端面顶板及底板布置剪力键[7]。对比湿接拼装梁，采用采用胶结拼装建造的铁路桥梁最大的施工特点是在接缝处理上采用了胶结剂连接，而不是混凝土连接，同时在节段涂胶后环氧胶固化前，需要对胶接缝施加临时预应力。临时预应力拆除，应在张拉部分永久预应力后并满足整个施工阶段接缝不出现拉应力为原则。2.2优缺点节段预制胶结拼装造桥技术主要优缺点如下：（1）适用范围广泛，可应用于各种桥型和跨度，而不仅限于常用的简支梁和连续梁，更可采用大跨度斜拉桥；可用于跨越繁忙交通干线、江河湖海和艰险山区，尤其适合施工困难的山区和环境保护要求高的城市地区。（2）工程质量高，梁部结构为工厂预制，质量可靠，同时由于养护时间长，加载龄期晚，有效减少结构混凝土收缩、梁体徐变上拱和预应力损失，线形易控制，外形美观，行车条件好。（3）环境效益好，有效减少施工对环境、交通等的影响，去除湿接缝施工对环境的噪声污染问题，同整孔预制架设相比减少了预制场占地面积，有效实现节约用地，降低复垦数量；由于胶拼拼装梁节段全部在工厂生产，现场无需现浇和养生，节约大量用水。（4）经济效益好，工期短，据相关文献显示[1]，采用节段预制拼装造桥技术较常规方法可节约10%～20%；同时由于平行施工，较湿接拼装时间节约50%左右，可在冬季低温和夏季高温条件下拼装作业，间接降低工程造价。（5）对设计和施工技术要求高，施工工艺复杂，节段预制时的线形控制和局部构造、安装时的节段定位和连接等技术要求高；拼装需专用设备，对工人技能素质要求较高。2.3节段预制胶结拼装与湿接拼装的技术对比在同等跨度条件下，节段预制胶结拼装桥梁梁高和预应力度相对湿接拼装桥梁增大，梁高增加的混凝土量约为1.6%，预应力增加约5%。在实践中，由于结构预应力度提高，主拉应力相对降低，故可取消竖向预应力，但同时将增加胶结剂数量。胶结拼装桥梁施工工艺较湿接拼装桥梁复杂，但其机械设备效率更高、利用率高，故从单纯工程量比较，两者经济指标基本相当。但由于取消湿接混凝土作业，故胶结拼装桥梁工期显著缩短，其经济效益显著增加。3节段预制胶结拼装法建造桥梁技术3.1节段预制技术3.1.1节段预制方法节段预制可分为长线法和短线法。长线法是按桥梁设计线型进行预制，可较佳的实现线型控制，但占用场地大，对台座基础、制梁装备等要求较高，特别适用于连续梁桥、拱桥和斜拉桥的等对线形要求高的桥梁。短线法线形控制精度要求高，技术要求高，·桥梁·3/5但占地面积小，对制梁台座、装备要求较少，预制灵活且可平行作业，尤其适合简支桥梁。由于精密测控仪器与技术的发展，短线法在其他线形要求高的节段预制胶结拼装桥梁，而不仅仅适用于简支梁。同时，在进行节段预制方法比选时，可考虑采用长短线结合的方法。3.1.2制梁技术制梁技术主要包括钢筋、模板、混凝土等分项技术：钢筋安装宜采用整体绑扎、整体吊装方式；外模宜采用整体钢模，底模应具有足够刚度；混凝土浇筑应在规定时间内分层浇筑，并宜采用蒸汽养护。3.1.3节段梁吊装和运输节段梁宜采用门式起重机作搬移梁工具，并按四点起吊三点平衡原则进行吊点设计。节段梁运输可采用轮轨或轮胎式运输车，需进行支撑点设置，支撑点宜置于腹板下。3.2节段拼装装备根据施工方法的不同，节段拼装装备可分为逐跨拼装法节段拼装装备、平衡悬臂法节段拼装装备。在逐跨拼装法节段胶结拼装装备中，由于节段梁通过吊杆吊装于造桥机主梁下方，对节段梁顶板宽度无限制，因此节段胶结拼装宜优先选用下承式，当条件受限时，也可根据实际选择上承式和中承式。平衡悬臂法节段胶结拼装装备包括悬拼吊机和悬拼导架，其主要适用于连续梁；当为拱桥、斜拉桥等时，也可根据桥梁结构采用固定式斜拉装置，或利用自身的斜拉索。3.3节段胶结拼装技术3.3.1节段拼装方法节段胶结拼装方法包括逐跨拼装法、悬臂平衡拼装法等：逐跨胶结拼装法适用于简支梁、连续梁和先简支后连续的连续梁；其施工效率较高，但受经济跨距控制，其经济跨度一般为40～64m。悬臂平衡胶结拼装法适合连续梁和斜拉桥。3.3.2胶结材料胶结拼装用胶采用主要起到密封及防水、弥补节段接缝不平整、润滑剪力键等作用。其应具有有良好的施工性能、耐老化性能和耐腐蚀性能，并满足冬期施工和夏期施工需求。现在一般采用无溶剂型双组分触变性环氧树脂胶，并由环氧基和固化剂按比例拌和，其配合比应据强度要求、环境温度、固化时间等因素确定。3.3.3拼装技术胶结拼装技术包括拼装装备组拆、胶结缝、预应力技术和线性控制等。在胶结缝技术上，应在合理环境下，严格按照设计要求进行胶结剂配比、拌制、涂胶、挤胶张拉；胶结拼装线形控制，应结合桥梁的平、竖曲线及预拱度设计参数，考虑节段拼装装备变形、预应力分期施加、二期恒载施加、混凝土收缩徐变效应等因素综合设置，4工程应用4.1工程简介中铁第五勘察设计院集团有限公司承担建造芝水沟特大桥位于新建黄韩侯铁路北塬至芝阳段内，为一次双线桥梁，是我国首座采用节段预制胶结拼装法建造的铁路桥梁。该桥跨越主沟呈U形，两岸冲沟发育，最大墩高88m。4.2设计[9]4.2.1方案选择该桥进行了简支T型梁桥、一联或多联连续箱型梁桥、斜拉桥、钢桥、大跨简支箱型梁桥经济技术多方案比选。根据比选结果，采用大跨简支箱型梁桥为较佳方案：全桥采用（1-48m+1-64m+1-48m+18-64m）预应力混凝土简支箱型梁+(6-32m+1-24m)简支T型梁方案，长1608m，其中64m和48m简支箱型梁采用节段预制胶接拼装法建造。4.2.2结构构造设计以64m简支箱型梁为例：设计箱型梁计算跨度63.8m，梁长66.2m，C60混凝土，约800m3，重约2100t。如下图所示。采用单箱、单室等高度预应力混凝土简支箱梁:顶宽9.1m，底宽5.2m，梁高5.2m；跨中截面顶底板厚35cm，腹板厚52cm，梁段处适当加厚；梁端支点处设1.5m厚横隔墙。箱梁采用奇数分块方法（跨中不设接缝），以跨中对称布置，分为15个梁段（3.2m、4.6m两种，1#端