胶接缝节段预制拼装桥梁的抗裂性计算

曹增华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

胶接缝节段预制拼装桥梁的抗裂性计算

曹增华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

目前在胶接缝节段预制拼装桥梁设计中关于抗裂性的计算，偏安全的计算方法是不考虑混凝土抗拉强度，导致了胶接缝节段预制拼装桥梁预应力度偏高。本文结合试验结果提出了抗裂性计算公式，并对《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—1985)(以下简称85版桥规)的适用性进行了验证，为胶接缝节段拼装桥梁抗裂性计算提供参考依据。胶接缝节段拼装桥梁抗裂性与节段端面处理方法和清理干净程度有关，在节段拼装桥梁的施工中需重视节段端面的清理质量。在节段端面清理较好的情况下可以考虑环氧胶层与混凝土粘结抗拉强度对抗裂性的贡献，采用85版桥规的计算方法是安全可靠的，能够有效降低预应力度，节省材料。

胶接缝;节段拼装;抗裂性;计算公式

目前，我国铁路节段拼装桥梁均采用湿接缝，且积累了大量的设计和施工经验。胶接缝节段预制拼装桥梁的研究和应用始于20世纪60年代，由于材料、技术、设备等原因没有取得长足的发展，近20年来没有应用。近年来国内轨道交通和公路行业也对胶接缝节段拼装桥梁进行了少量的试点，但没有系统的研究，没有形成成熟的工法和设计施工规范。

胶接缝节段预制拼装桥梁接缝处混凝土和普通钢筋不连续，节段端面存在薄弱环氧胶层，环氧胶层与混凝土抗拉粘结强度也没有规范标准。目前在胶接缝节段预制拼装桥梁设计中关于抗裂性的计算，偏安全的计算方法是不考虑混凝土抗拉强度，导致了胶接缝节段预制拼装桥梁预应力度偏高。而在85版桥规中提出了接缝处抗裂性降低的参考计算方法，文章结合试验结果提出了抗裂性计算公式，并对85版桥规的适用性进行了验证，为胶接缝节段拼装桥梁抗裂性计算提供参考依据。

1 整体梁抗裂性计算方法

根据铁路桥梁设计规范，其抗裂安全系数Kf计算见公式(1)［1］

式中:σc为计算点处的预压应力;fct为混凝土抗拉极限强度;σ为计算荷载产生的拉应力;γ为考虑混凝土塑性的修正系数，γ=2S0/W0，S0为面积矩，W0为对检算的受拉边缘的换算截面抵抗矩。

在常规设计中，对胶接缝节段拼装梁的接缝截面，偏安全地忽略环氧胶与混凝土的粘结抗拉强度，即fct=0，于是其抗裂安全系数计算公式简化为

由式(2)可以看出，在不考虑环氧胶与混凝土的粘结抗拉强度情况下，胶接缝节段拼装梁其抗裂安全系数即为预应力度。因抗裂安全系数Kf≥1.2，即胶接缝节段拼装梁胶接缝处预应力度不小于1.2，也即在荷载作用下受拉侧的剩余预压应力≥0.2σ。这种设计方法，使得胶接缝桥梁梁高和预应力钢束大大增加，造成了材料的浪费，经济性差。

在85版桥规条文解释中提出:采用环氧树脂接缝时，抗裂性按0.5γfct计算，同时将抗裂安全系数Kf提高到1.25。

为准确研究环氧胶与混凝土粘结抗拉性能，提出胶接缝桥梁抗裂性计算公式，验证85版桥规的适用性，开展了环氧胶与混凝土粘结轴向抗拉强度试验研究。

2 环氧胶与混凝土粘结抗拉强度试验

节段拼装胶接梁的节段预制是通过节段间的匹配面作为端模实现的，节段预制时为方便脱模，需在已成型的节段端头涂抹脱模剂，粘结在节段端面上的脱模剂会影响节段拼装时环氧胶与混凝土的粘结强度。拼装前需对已成型的节段端头进行清洗，清洗的干净程度将直接影响环氧胶与混凝土的粘结强度。

接缝面密封胶需采用无溶剂型双组分触变性环氧粘结剂，涂抹厚度及工艺根据试验情况参照相关规定执行。接缝面临时预压应力保持不小于0.3MPa直至固化为止［2］。

抗拉试件共3组，第1组试件接缝面采用电动砂轮打磨，清理脱模剂和混凝土表面浮浆，清理最彻底;第2组试件接缝面采用电动钢丝刷打磨，清理脱模剂和混凝土表面浮浆，清理次之;第3组试件接缝面采用砂纸手工打磨，清理脱模剂，接缝面清理效果最差。每组3个试件，共9个试件。

试件采用哑铃形混凝土块，长2 m，接缝面高0.55 m，宽0.4 m，1个试件由2段组成，每段长1 m，试件采用C60混凝土。为真实反映施工状态，设计的试件与原设计梁剪力键尺寸一致，每个试件在接缝面设2个连续的剪力键。接缝面积0.22 m2，剪力键根部面积0.12 m2，见图1。

假定环氧胶与混凝土粘结强度为3 MPa，则最大破坏轴向拉力约为660 kN。

试验结果见表1。从试验结果可以看出，3组试件环氧胶与混凝土粘结抗拉强度与C60极限抗拉强度的比值分别为0.89，0.85和0.74，3组试件的实测值基本符合规律。实测结果说明接缝混凝土界面的处理好坏程度对环氧胶和混凝土表面的粘结抗拉极限强度影响比较明显，施工时应采取有效措施提高接缝混凝土界面的处理干净程度［3］。

图1 抗拉试件(单位:cm)

表1 抗拉强度试验模型测试结果

3 节段拼装梁抗裂性计算公式

基于以上试验结果，在胶接缝桥梁抗裂性计算中引入胶接缝截面混凝土抗拉强度的修正系数，此修正系数为环氧胶与混凝土粘结抗拉强度与混凝土极限抗拉强度试验结果比值。考虑到试验结果的离散性，对试验数据进行了保守处理。从而得出胶接缝节段拼装桥梁抗裂性计算公式［4］

式中，kct为胶接缝截面混凝土抗拉强度的修正系数。根据节段端面手动砂纸打磨处理、电动钢丝刷打磨处理及电动砂轮打磨处理，kct分别取0.5，0.6及0.8。

根据85版桥规，抗裂性按0.5γfct计算，同时将抗裂安全系数Kf提高到1.25。该规定将kct取为0.5，而且提高了Kf值，抗裂性折减后较第3组试验结果保守，可以应用于胶接缝节段拼装桥梁的抗裂性计算。

4 模型梁试验验证

为验证胶接缝节段拼装梁抗裂性计算的正确性，开展了1片跨度为24 m的简支工型模型梁破坏试验，模型梁全长24.9 m，计算跨度24 m，梁高2.1 m，腹板厚0.38 m，顶板宽2.35 m，底板宽1.42 m。梁体沿纵向分为11个节段，10个接缝面，跨中不设接缝，接缝拼装面采用环氧树脂胶粘结。破坏试验采用5点加载，各加载点沿梁纵向间距为4 m。

试验结果显示，开裂荷载下梁体裂缝首先从跨中预制梁段实体截面出现，实测开裂荷载与计算开裂荷载一致。推算抗裂安全系数1.435与根据铁路桥规公式计算的设计抗裂安全系数1.44一致。从裂缝分布情况看，其破坏形态表现为弯曲破坏的特征［5］，抗裂控制截面是跨中截面而不是接缝截面。由此判断，胶接缝节段拼装梁具有很好的抗裂性能，其受力形式基本与整体梁相似。

根据模型梁试验结果，在胶接缝节段拼装桥梁设计中，抗裂安全系数计算时不考虑接缝处环氧胶与混凝土粘结抗拉强度是偏于保守的，在一定程度上造成了材料的浪费。考虑抗裂性的降低，根据不同的接缝面处理形式，将混凝土的抗拉极限强度乘以相应的修正系数的抗裂性计算公式是可行的。

5 结语

胶接缝节段预制拼装桥梁技术优势明显，具有广阔的应用前景。目前国内应用较少，由于试验研究数据偏少，目前的设计都偏于保守。后续应加强系统性课题研究，通过大量科学试验数据，得出设计计算方法和施工工艺要求，为今后制定适合于节段拼装桥梁的设计施工规范奠定良好的基础。在今后的结构设计施工中做到有据可依，规范设计施工行为，才能更好地将胶接缝节段拼装梁大范围推广应用。

［1］中华人民共和国铁道部．TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］AASHTO．2003 Interim Revisions to the Guide Specifications for design and Construction of Segmental Concrete Bridge，Second Eidtion(1999)［S］．Washington:American Association of State Highway and Transportation Officeais，2003．

［3］李学斌，杨心怡，李东昇，等．节段梁环氧树脂胶接缝抗拉强度的试验研究［J］．铁道建筑，2015(1):23-26．

［4］中铁第一勘察设计员集团有限公司．节段预制胶接拼装箱梁设计研究［R］．西安:中铁第一勘察设计员集团有限公司，2014．

［5］中铁第一勘察设计员集团有限公司．节段预制胶接拼装箱梁模型试验研究［R］．西安:中铁第一勘察设计员集团有限公司，2014．

Crack Resistance Calculation of Precast Segmental Assembling Bridge with Epoxy Resin Joints

CAO Zenghua
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

In the design of precast segmental assembling bridge with epoxy resin joints，the method of crack resistance calculation does not consider the concrete tensile strength，leading to high prestressing degree in the bridge．T he crack resistance calculation formula was proposed by combining the test results．T he applicability of Code for design on reinforced and prestressed concrete structure of railway bridge and culvert(T B 10002．3—1985)was verified to provide reference for crack resistance calculation．T he crack resistance of precast segmental assembling bridge has a relationship with the treatment of segment surface and cleaning degree．Attention should be paid to the cleaning quality of segment surface in construction．In segment surface clean up good cases，the resistance of epoxy adhesive layer and concrete to crack could be considered．T he 85 edition of the calculation method of railway bridge specification is safe and reliable，can effectively reduce the prestressing degree and save material．

Epoxy resin joint;Segment assembling;Crack resistance;Calculation formula

U448．35;U441+．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．06

1003-1995(2016)12-0021-03

(责任审编赵其文)

2016-07-12;

2016-09-23

中国铁路总公司科技研究开发计划(2010G010-E)

曹增华(1971—)，男，高级工程师。