胶拼连续梁吊杆力精度及胶接缝应力控制

王胜杰 李艳

中国铁路设计集团有限公司土建院， 天津 300308

铁路胶拼连续梁具有工厂化预制程度高、架设速度快、施工环保等优点。吊杆是重要传力构件。受施工过程中多种复杂因素影响，节段转换时吊杆力偏差难以避免，斜拉桥、系杆拱桥、悬索桥等桥型也存在索、杆张拉误差的情况［1］。TB 10752—2018《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》给出了不同桥型对应的施工张拉精度。对于胶拼梁吊杆力的张拉精度，现行设计施工规范未给出规定。关于吊杆力偏差对胶拼连续梁施工过程的影响也未见报道。

1 工程概况

新建郑济铁路设计了22 联3 × 56 m 等跨胶拼连续梁，一联梁体全长167.85 m，每联37片节段，节段预制数量总计为814 片。全桥分为3 个整段拼装。整体施工方案：第1 步拼装12A—3B 号节段，第2 步拼装4B—3C 号节段，第3步拼装4C—12C号节段。

第3 步在吊杆悬挂状态下的节段拼装布置见图1。

图1 第3步节段拼装布置

第1步拼装时先安装0A 节段并临时锚固，并向两侧依次拼装剩余各节段，12A 节段拼装后，安装1#墩支座。第2 步从4B 节段开始拼装，拼装至0B 节段时安装3#墩支座，继续拼装1C—3C 节段。第3 步拼装至12C 节段时安装4#墩支座。每个小节段拼装后张拉体外临时预应力，使环氧树脂胶结缝在拼装固化过程中始终处于受压状态，每整段拼装完成后按照设计要求依次张拉相应永久预应力并拆除吊杆。

2 吊杆力张拉精度的影响

胶拼过程中梁体节段先在天车钢丝绳吊挂状态下进行抹胶、拼装，并张拉临时体外预应力，然后用精轧螺纹钢吊杆连接节段和架桥机，将梁体节段重量由天车钢丝绳转换给吊杆，天车则继续拼装下一节段。2A 节段吊杆力转换过程见图2。节段重量转换时，应控制节段重量完全由吊杆承担，否则节段重量将通过胶结缝的剪力键传递给已拼装节段，使已拼装节段胶结缝承受剪力和弯矩，降低预存应力的同时影响拼装线形［2］，若控制不当，已拼装胶结缝尤其悬臂根部存在开裂风险［3］。为使吊杆力可调整，在吊杆与架桥机连接时，必须设置主动张拉设备对吊杆力进行调整。

图2 吊杆力转换过程

施工过程中受节段重量测量误差、张拉操作规范程度、锚固设备松动等各种因素的影响，节段转换后的吊杆力与节段重量不可避免地会存在偏差。为研究吊杆力的精度要求，建立有限元计算模型计算3 × 56 m 胶拼连续梁在施工过程中吊杆力分别降低1%、3%及5%时，对线形和胶拼缝应力的影响。计算模型中的架桥机钢材及主梁混凝土材料参数均按照文献［4-5］取值。

2.1 线形

胶拼梁拼装时节段之间必须完全匹配，预制线形基本决定了拼装线形。将按照切线位移法计算得到的线形作为结构的预制线形［4］。吊杆力降低时胶拼梁预制线形见图3。

图3 吊杆力降低时胶拼梁预制线形

由图3 可知，吊杆力降低对预制线形产生了显著的影响。吊杆力降低1%、3%、5%时，计算线形与理论线形最大偏差分别为-19.8、-58.6、-97.3 mm。TB 10752—2018 中拼装预应力混凝土连续梁高程允许偏差为±20 mm。由此可见，即使吊杆力偏差较小，也会对预制线形产生显著的影响。施工中，虽然吊杆力偏差比理论值大或小存在一定的随机性，但为有效控制线形，偏于保守考虑，吊杆力偏差应控制在1%以内。

2.2 胶缝预存应力

胶接缝是整个桥梁的关键部位。为了使胶结缝在施工过程中始终处于受压状态，在箱梁顶板、底板及腹板上设置临时预应力筋，采用体外粗钢筋张拉，有效锚下张拉力均为500 kN，每道胶结缝的顶板、底板、腹板共设有12根临时预应力束，施工过程中的体外预应力可为胶结缝提供0.42 ～ 0.53 MPa 的压应力。一般节段拼装时胶结缝压应力应控制在0.3 ～ 0.6 MPa［6］。

胶结缝预存应力计算时，先利用不考虑体外预应力的有限元模型计算胶结缝的应力，然后与预存应力叠加作为胶结缝的实际应力。吊杆力降低时拼装三个整段的胶结缝上下缘应力见图4。

由图4 可知：①吊杆力降低1%时，全梁截面均处于受压状态，3 个整段上下缘压应力分别为0.27 ～0.65、0.28 ～ 0.66、0.36 ～ 0.50 MPa，第一、第二整段有截面应力已不满足设计要求。②吊杆力降低3%时第一整段上缘出现了0.08 MPa的拉应力，最大压应力为1.08 MPa。③吊杆力降低5%时第一整段和第二整段上缘分别出现了0.43、0.28 MPa 的拉应力，最大压应力为1.53 MPa。

施工中的拉应力必然导致未固化的胶缝开裂，施加后的永久预应力虽然可以使裂缝闭合，但需等待2 ～ 3 d。环氧树脂胶在开裂状态下数小时即硬化，闭合时胶结缝漏水的风险会显著增加。拼接缝漏水将给结构耐久性、箱内防腐等诸多方面带来不利因素［7］。硬化后闭合截面会出现部分干接缝，使接缝抗剪能力降低［8-9］。此外，过大的压应力会使环氧树脂胶挤出量增加，导致胶缝厚度减小［10］。因此，吊杆力偏差应控制在1%以内。

2.3 胶缝拼装及成桥应力

实际施工中，在缺少吊杆力监控的情况下，某联梁在拼装第一整段胶拼梁至11A 段时，在1A 和0A 之间的13号截面发生了胶结缝轻微开裂的情况。此时，悬臂端实测标高低于理论值2 cm。原因是吊杆力偏低导致裂缝及线形偏差，与计算中吊杆力整体偏低5%的结果接近。现场通过整体分级调整了吊杆力，调整后裂缝闭合良好。

偏于安全考虑，按照吊杆力偏差5%且未调整的状态，对第一整段12A—3B 号节段的后续施工中张拉第一批钢束（顶板、底板通长束）及吊杆全部拆除两个关键步骤的胶结缝应力进行计算，结果见图5。

图5 施工过程中的胶结缝应力

由图5可知：两个关键施工步骤中，胶结缝的顶板和底板均处于受压状态，说明裂缝在张拉第一批钢束后即闭合。闭合后，开裂的13号截面顶板上缘压应力为0.61 MPa，全部吊杆拆除未出现拉应力。由于后续的钢束张拉，13 号截面的顶板上缘压应力增加为3.29 MPa。可见胶拼过程中出现的裂缝在后续施工中将闭合，闭合后为了避免胶结缝在开裂和闭合过程中防水能力下降，对此处进行加强防水处理。

成桥运营阶段梁体将承载更多荷载，控制组合工况为主力 + 附加力（恒载 + 活载 + 温度 + 摇摆力 + 支点沉降），计算吊杆力降低1% ～ 5%时截面上缘、下缘应力的最大值和最小值，计算结果见表1。

表1 主力 + 附加力作用下截面应力

由表1可知：吊杆力降低1% ～ 5%时，胶结截面上缘压应力储备有所降低，但依然满足设计给出的运营时最不利荷载作用下设计控制压应力不小于1.0 MPa的要求。因此，考虑胶拼后的施工阶段和成桥运营阶段时，吊杆力偏差按照5%控制可满足结构受力要求。

3 胶结缝应力控制

3.1 吊杆力精准控制

实际施工中节段混凝土参数与设计理论值存在偏差［11］。吊杆力的偏差会影响结构的胶结缝应力和线形。胶结缝应力主要依靠临时束张拉和吊杆力的精确控制得以保证，与弹性模量关系较小。由于胶拼过程中结构尚未形成连续的状态，因此，弹性模量对线形几乎没有影响［12］。实际节段重量与吊杆力有直接关系，需要根据重度实测结果重新计算，并考虑钢筋、预应力孔道、齿块及施工附属设备的重量。即便如此，节段中的齿块分布不均、横隔板的偏重等因素还可能导致同一节段的4根吊杆的吊杆力不相同。例如，边支点处12A 节段，考虑实际重度时，设计总重量比实际重量大8.64%，考虑隔板偏重时，靠近隔板的吊杆力比平均吊杆力大20.00%，远离隔板的吊杆力比平均吊杆力小16.67%，产生的吊杆力偏差与上文按照控制精度1%所得吊杆力有较大差距。

为了精确控制吊杆力，施工控制中引入了压力环，全桥理论吊杆力为303.0 ～ 472.5 kN，第一整段吊杆力见表2。

表2 第一整段吊杆力

压力环测量精度为 ±0.1 kN，可满足1%的精度（3.030 ～ 4.725 kN）要求，且压力环带有无线传输功能，无需逐根人工读数，可通过一台计算机同时读取全桥压力环的数值。压力环在节段准备悬挂阶段安装，安装在悬挂钢横梁与节段相连的吊杆上，架桥机与节段的连接均通过悬挂钢横梁，后续悬挂、拼装及体系转换阶段均无需再调整压力环的位置，可实现对吊杆力的连续监测。同时，为了弥补理论计算工作量大和准确度不高的问题，在不影响原施工步骤的情况下，制定如图6控制步骤。

图6 控制步骤

悬挂时节段重量必然是由吊杆完全承担，称重后无需再对节段重量进行计算，可在悬挂体系转换时精确控制吊杆力。本文工程按照该方法取得了良好的吊杆力控制效果，实际控制精度达到 ±0.5%，实测全梁两端最大线形偏差 +10.8、-8.5 mm，满足规范中±20 mm的要求。

3.2 架设方案优化

通过引入压力环虽然可达到吊杆力控制精度要求，但油压千斤顶施加吊杆力时，由于设备精度不高、人员操作不规范等因素，实际施加的吊杆力达到1%控制精度需多次调整，现场操作中耗费时间和人力，与胶拼梁可轻便施工的设计理念不符。现行施工规范中对于张拉施工的精度要求均未见有 ±1%的要求，例如Q/CR 9603—2015《高速铁路桥涵工程施工技术规程》中对斜拉桥施工阶段索力偏差规定应在 ±5%以内，成桥索力偏差规定应在 ±3%以内，对预应力张拉时管道摩阻系数及偏差系数要求在±5%以内。结合工程实际和Q/CR 9603—2015可知，按照1%的精度控制吊杆张拉力的要求实际过于严格。因此，有必要研究在设计阶段通过调整节段一次悬拼长度使得吊杆力偏差具备更高的适用性，尤其应控制吊拼过程中节段胶结缝应力。

吊杆力偏差时的吊拼状态与悬臂梁结构受力特征相似，悬臂梁内力与悬臂长度的平方成正比，因此，可通过降低悬臂长度来降低内力。将吊杆力敏感性最高的第一整段分别调整为2 步和3 步拼装并计算截面的应力来研究本桥悬拼长度的合理范围。调整为2 步拼装后的节段施工步骤见图7。调整为3 步时拼装步骤为：第一步拼装4A—3B、第二步拼装5A—8A、第三步拼装9A—12A。调整后的一次悬拼长度由整段拼的55.83 m 降低为2 步拼装的29.65 m 和3 步拼装的18.00 m。

图7 节段吊杆力布置

每一步完成后张拉钢束，使已拼装节段处于永久预应力作用下。拼装剩余节段。已张拉永久预应力的节段处于较大轴力作用下，吊杆力出现轻微偏差时节段已无开裂风险。结合工程实际并参考施工规范中类似的张拉要求，按照吊杆力降低5%，计算各节段吊拼过程的胶结缝应力，见图8。可知，分2 段拼装时上缘最小压应力为-0.26 MPa，下缘最大压应力为-0.98 MPa，分3段拼装时上缘最小压应力为-0.31 MPa，下缘最大压应力为-0.82 MPa，相较于整段拼装时的上缘拉应力0.43 MPa 和下缘压应力-1.53 MPa 均有了显著的改善，说明减小一次悬拼节段长度可提高结构对吊杆力的容许偏差能力。

图8 第一整段胶结缝应力

多分段虽然使胶接缝应力对吊杆力的容许偏差能力显著提高，但施工步骤、张拉次数和工期必将增加，因此，在保证结构质量的前提下综合考虑经济适用性，选择分段长度方案。本桥调整为3步后，上缘最小应力满足胶结缝压应力为0.3 ～ 0.6 MPa的要求，下缘压应力不满足，但压应力大时并不会导致严重工程质量问题。因此，偏于安全考虑，一次悬臂长度应不大于18.00 m，按照吊杆力偏差5%控制，悬拼结构施工过程中处于安全状态。可见，长悬臂吊拼时的胶结缝应力对吊杆力敏感性过高，是导致胶拼梁施工过程产生裂缝甚至运营后漏水问题的重要原因。

4 结论

1）吊杆力偏差按照1%的精度控制时，线形及施工过程胶结缝应力可满足要求；按照5%的精度控制时，成桥运营阶段结构受力可满足要求。综合考虑，吊杆力偏差应按照1%的精度控制。

2）利用压力环对胶拼节段预先称重再拼装的控制方案，可精确控制吊杆力，控制精度能达到 ±0.5%。

3）结合工程实际和Q/CR 9603—2015《高速铁路桥涵工程施工技术规程》可知，吊杆力偏差按照1%的精度控制过于严苛，减小一次悬拼节段长度可提高结构对吊杆力的容许偏差能力。

4）施工时吊杆力偏差过大和设计时长悬臂吊拼的方案使得胶结缝应力对吊杆力敏感性过高，是导致胶拼梁施工过程产生裂缝甚至运营后漏水问题的重要原因。