铁路节段预制胶拼连续梁桥设计总结与思考

杜振华 张 政

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063；2.中国铁路上海局集团有限公司徐州铁路枢纽工程建设指挥部 江苏徐州 221003)

1 概述

节段预制拼装法是将混凝土结构先“化整为零”再“集零为整”的一种施工方法，基本原理是利用预应力束施加于混凝土预制节段上的压力，使得节段接触面紧密贴合，形成一个整体共同承担荷载。早在20世纪60年代，欧美国家已经开始采用节段预制拼装法建造桥梁。目前，在美国、日本及欧洲等发达国家，节段预制胶拼法在高速公路、高速铁路、城市轨道交通预应力混凝土简支梁、连续梁等桥型中得到了广泛的应用，成为混凝土桥梁的主流施工方法。2000年建成通车的法国TGV地中海线Avignon(阿维尼翁)特大桥是首座采用节段预制胶拼法建造的高速铁路桥梁，采用了上行式移动支架进行悬臂拼装。

随着我国经济的高速发展及桥梁施工工艺、施工设备和材料技术等的不断进步，节段预制胶拼技术在国内也进行了推广应用，苏通大桥引桥、上海长江大桥引桥、芜湖长江二桥引桥、港珠澳大桥引桥、广州地铁四号线高架桥等均采用了节段预制胶拼技术。2014年竣工的黄韩侯铁路芝水沟特大桥是国内首座采用节段胶拼法建造的大跨度简支梁[1]，2017年竣工的郑阜高铁周淮特大桥(40+56+40)m预应力混凝土连续梁是国内首座采用节段胶拼法建造的铁路预应力混凝土连续梁[2]。在连徐高铁、京唐高铁、银西高铁、阎机城际、郑许市域铁路、鲁南高铁、广汕铁路等项目又开展了进一步试点应用和研究。

与预应力混凝土连续梁传统的支架现浇法和挂篮悬臂浇筑法相比，节段预制胶拼法工厂化和机械化作业程度较高，具有施工速度快，工期短，利于环保，对桥下既有交通影响小、节段养护时间长，后期徐变变形和预应力损失小等优势，但对施工质量控制、现场管理、线形控制、施工设备以及工人的专业技能要求更高，需要精细化的设计、施工和管理。

接缝处纵向普通钢筋及混凝土不连续是节段预制胶拼梁区别于整体现浇或湿接缝节段拼装桥梁的最基本特征[3]。接缝既是节段梁的关键部位，也是节段梁的薄弱部位，直接关系到桥梁的安全和耐久性。接缝对结构强度和刚度的影响、接缝截面剪力键布置、抗剪承载力、压应力储备、耐久性等是设计中需要重点关注和解决的问题。目前铁路行业对节段预制拼装法的施工工艺有简单的规定，但尚无设计相关的规范和标准，设计时只能参照国外规范、公路行业相关规范及工程设计实例进行，需要进一步总结和积累设计经验。本文结合铁路节段预制拼装连续梁的设计实践，对以上几个值得关注的地方进行总结和探讨，为以后的工程设计提供参考。

2 节段预制胶拼连续梁设计要点

2.1 设计控制指标

节段预制拼装桥梁设计主要控制指标有预应力度、强度安全系数、抗裂安全系数、施工及运营阶段胶接缝截面的应力控制指标等。

接缝是节段预制拼装桥梁中的特殊构造，可理解为结构中人为形成的贯通裂缝，在运营阶段必须要有一定的压应力储备，以避免水汽进入梁体，腐蚀预应力筋。因此，节段梁应按全预应力构件设计，其预应力度不小于1，所有的项目都是按此进行控制的。而运营阶段压应力储备，有的项目按不小于0.5 MPa控制，有的按不小于1.0 MPa控制，尚未形成统一的标准。有关试验表明，为保证开裂截面闭合，需施加不小于1.0 MPa的压应力[4]，从这个角度考虑，运营阶段接缝截面压应力储备按1.0 MPa考虑是合理的，也是偏于安全的，实践证明也是可行的。

和简支梁不同，连续梁既有正弯矩区段又有负弯矩区段，其控制截面不一定都发生在接缝截面上，如中跨跨中截面、中支点截面虽然是设计控制截面，但不一定是接缝位置，因此，节段预制拼装连续梁设计中应注意对接缝截面和非接缝截面区别对待:接缝截面普通钢筋不连续，不考虑纵向钢筋的贡献，强度检算时还要考虑接缝对强度的折减、运营阶段应保证足够的压应力储备；而非接缝截面，例如中支点截面检算时，由于预制节段有一定的长度，在一个节段范围内纵向钢筋是连续的，如果检算截面两侧纵向钢筋的锚固长度足够，是可以参与该截面受力的，强度检算时也可以考虑纵向普通钢筋的贡献，强度安全系数可按工厂制造条件的结构控制，运营阶段的压应力储备可以参照悬灌或现浇连续梁的成熟经验取值，不按接缝的压应力储备值进行控制，这样既可以保证结构的安全，也可以减少预应力筋的用量。

2.2 接缝面构造设计

胶接缝面断面设置剪力键，拼装过程中涂抹环氧树脂胶并施加临时预应力使环氧树脂胶固化。剪力键在节段拼装时可以辅助定位，在成桥后可以承担接缝面上的一部分剪力，目前常采用密齿型剪力键。剪力键可分为腹板剪力键、顶板剪力键、底板剪力键以及腹板与顶底板结合区剪力键。腹板剪力键可以参与接缝截面的剪力传递；底板剪力键主要用于协助节段拼装定位，顶板剪力键不仅可以协助节段拼装对接定位，还可以传递接缝位置桥面荷载引起的剪力。剪力键构造尺寸可参照AASHTO《节段式混凝土桥梁设计与施工指南》要求办理。

环氧树脂胶在拼装过程中主要起到润滑调节定位的作用，固化后可以对拼接缝起到密封防水、预防预应力钢绞线锈蚀的作用。其主要性能指标包括触变性、可施胶时间、可粘结时间、开放时间、抗压强度、抗压强度、粘结强度、化学性能、耐湿热老化性能等方面[5]，其固化所需压应力常按0.3 MPa控制。施工时需要结合实际温度选择相应的产品，并在可施胶时间范围内完成环氧树脂胶的涂抹并及时施加临时预应力。临时预应力施工完后应注意及时进行清孔，以防止孔道被固化后的环氧树脂胶堵塞影响后期预应力穿束和灌浆。

2.3 接缝截面抗裂验算

验算胶接缝截面的抗裂安全系数时，通常偏安全地忽略环氧胶与混凝土的粘结抗拉强度，仅作为抗裂性能的安全储备，即取fct＝0[6]。国内外相关试验研究表明，在接缝混凝土界面处理效果比较好的情况下，环氧树脂胶和混凝土表面的粘结抗拉极限强度平均值可以超过3 MPa[7]，接近C50混凝土的抗拉极限强度。节段梁抗裂系数计算时考虑接缝的抗拉强度可以降低梁体预应力钢绞线的用量，从而节约梁部结构的工程费用，提高节段梁的经济性。

节段匹配预制时需要在已成型的节段端面上涂抹隔离剂以方便脱模，隔离剂会影响环氧树脂胶与混凝土的粘结强度，拼装前应对已成型的节段端头进行打磨、清洗干燥，打磨清洗的干净、干燥程度等将直接影响环氧胶与混凝土的粘结强度。相关试验也表明环氧胶和混凝土表面的粘结抗拉极限强度离散性比较大，有必要结合相关试验成果，总结归纳经验，同步制定节段端面处理工艺、流程及相关质量验收标准，严格控制节段断面的清理和涂胶质量。如果设计中考虑了环氧树脂胶的抗拉强度，应同步给出接缝截面混凝土的处理措施及施工工艺要求以指导现场施工，这对提高节段梁的经济性和施工质量是大有裨益的。

2.4 接缝截面抗剪承载力

目前对接缝抗剪承载力的研究主要有三种方法:第一种是基于抗剪承载力试验，分析影响承载力的因素，得到简化计算公式；第二种是基于理论研究，通过对接缝的剪切破坏机理分析，建立理论公式；第三种是建立非线性有限元模型来研究接缝抗剪问题[8]。接缝承载力相关试验表明:胶接缝的直剪承载力比干接缝的要大，按胶接缝抗剪承载力计算公式得出的结果比干接缝的要大。胶接缝通常呈现出脆性破坏，破坏面都出现在环氧树脂胶和混凝土的粘结界面上[9]。

桥梁主体结构设计使用寿命为100年，环氧树脂胶作为接缝截面的重要组成部分，后期不可能进行更换，其使用寿命应不低于桥梁主体结构。而环氧胶在水汽、温度、阳光、氧气和应力等多种环境场耦合作用下，其物理化学性质可能减少甚至损坏，界面粘接强度会降低或丧失。目前尚缺乏环氧树脂胶性能退化机理及对结构受力影响的研究。考虑到环氧树脂胶性能劣化是一个长期和渐变的过程，主要发生在后期的运营阶段，在涂胶工艺、质量有保证、环氧树脂胶的力学性能指标达到设计要求的前提下，施工阶段可按胶接缝公式验算接缝的直剪承载力；从偏于安全的角度考虑，运营阶段可按干接缝承载力计算公式进行检算。

2.5 接缝的耐久性设计

节段梁耐久性设计主要包括预应力体系、材料的合理选择，混凝土配合比设计、预应力管道接头及防护构造及桥梁防排水设计等。铁路节段桥梁通常采用体内预应力束，节段间接缝的耐久性设计最终反映到体内预应力筋的灌浆质量和接缝对体内预应力筋保护的可靠性上面[10]。施工中常通过选择合理的管道密封形式、合格的管道压浆料并采用真空辅助压浆工艺等措施来提高预应力筋的防腐性能。

预应力孔道的密封形式和密闭性能是影响节段梁耐久性的重要方面。为防止压浆液从接缝处漏出和涂胶后梁体施加临时预应力时胶体进入预应力孔道内，为真空辅助压浆创造条件，接缝面管道接头应采取可靠的构造处理措施。目前常采用密封垫圈+涂胶的密封方式，密封垫圈可采用闭孔发泡聚乙烯密封垫圈和橡胶垫圈两种类型，闭孔发泡聚乙烯垫圈比橡胶垫圈弹性要好，压缩量大，能与环氧树脂胶协调变形，施工方便，推荐采用闭孔发泡聚乙烯材料密封垫圈+涂胶方式作为预应力孔道接缝密封方式[11-12]。

采用密封垫圈+涂胶的方式虽然可以满足施工过程中管道密封的需求，但在后期穿束及张拉过程中，预应力钢束可能会紧贴预应力管道，从而造成预应力钢绞线压浆料厚度较薄或没有压浆料包裹的情况，影响后期运营阶段接缝的耐久性。因此，为了进一步提高节段梁的耐久性，除控制管道定位质量、预应力管道压浆质量外，有必要进一步改进接缝处管道接头构造，加强对接缝截面预应力钢筋的防护。

3 结束语

节段预制胶拼法施工预应力混凝土桥梁在铁路领域的推广有利于提高桥梁设计施工的标准化、专业化、工业化和信息化程度，符合“绿色发展”的要求，对促进我国传统产业的转型升级具有极大的社会效益。目前尚无铁路节段预制拼装桥梁相关的设计施工规范或技术标准，本文结合铁路连续梁节段预制拼装桥梁的设计实践，总结得出了以下结论可供后期设计项目参考:

(1)节段预制拼装连续梁设计中应注意对接缝截面和非接缝截面区别对待，采用不同的控制指标进行设计。运营阶段接缝截面压应力储备可偏安全按1.0 MPa控制。

(2)相关试验研究表明，环氧树脂胶和混凝土表面的粘结抗拉极限强度可以接近混凝土的抗拉强度，但节段端面清洗的干净程度会直接影响环氧胶与混凝土的粘结强度，有必要结合相关试验成果取值，继续加强试验研究，积累更加系统的试验数据和施工经验，为标准和规范的编制提供依据，且节段梁设计和施工相关规范和标准应同步制定。

(3)在涂胶工艺、质量及检验标准有保证的情况下，节段预制胶拼法桥梁验算运营阶段接缝直剪承载力时，建议按干接缝考虑；验算施工阶段接缝直剪承载力时，可按胶接缝考虑。

(4)目前采用的密封垫圈+涂胶的工艺可以满足施工过程中接缝密封的要求，但无法解决接缝截面体内预应力钢绞线张拉灌浆后可能会出现的保护层厚度过薄或无保护层的问题，有必要进一步改进接缝处连接构造，加强对接缝截面预应力钢筋的防护。