鐵路節(jié)段預(yù)制膠接拼裝梁，是一種在濕接縫節(jié)段拼裝梁技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的新型橋梁結(jié)構(gòu)。節(jié)段預(yù)制膠結(jié)技術(shù)采用新型橋梁專用環(huán)氧密封膠，代替原有采用鋼筋和混凝土連接的濕接縫。節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝技術(shù)在國外起步較早，1962年，Jean Muller首先采用節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝膠結(jié)技術(shù)，建造了法國Choisy-le-Roi Bridge。后來，節(jié)段預(yù)制拼裝造橋技術(shù)在歐洲持續(xù)發(fā)展，并從歐洲逐步推廣到全世界，成為建造橋梁的主要技術(shù)之一[1]。1989年，美國AASHTO頒布了《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》，為該類型橋梁設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

近年來，國內(nèi)公路及城市軌道交通行業(yè)也相繼采用節(jié)段預(yù)制膠接拼裝技術(shù)，修建了大量的公路及城市軌道交通橋梁（如蘇通長江大橋、廣州地鐵4號線等），積累了一定的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，但該技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用卻相對滯后。黃韓侯鐵路芝水溝特大橋?yàn)槲覈F路橋梁首次采用節(jié)段預(yù)制膠結(jié)技術(shù)的鐵路橋梁，具有重要的里程碑意義。目前，國內(nèi)僅頒布了《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 111-2006)，適用于城市軌道交通。鐵路方面，國鐵集團(tuán)進(jìn)行了一系列重大科研攻關(guān)，關(guān)于節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在編制中，目前尚無正式標(biāo)準(zhǔn)頒布。

節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

作為預(yù)應(yīng)力混凝土梁的一種類型，節(jié)段預(yù)制膠接拼裝梁在受力、構(gòu)造等方面均具有其特殊性。膠接縫處混凝土和梁體鋼筋均不連續(xù)，而是采用新型材料環(huán)氧膠和剪力鍵來代替。梁體節(jié)段劃分、接縫處的抗剪強(qiáng)度計(jì)算、接縫處剪力鍵的設(shè)計(jì)、接縫處密封措施及梁體抗彎剛度的計(jì)算等，是節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

節(jié)段劃分

梁節(jié)段劃分不僅要考慮不同跨度、不同工法、剪力鍵設(shè)置、鋼束布置等設(shè)計(jì)問題，還需要考慮預(yù)制、運(yùn)輸和架設(shè)條件。預(yù)制梁節(jié)段長度的劃分，不宜太大或太小，節(jié)段太大就會對吊裝和運(yùn)輸條件要求較高，節(jié)段太小則使得施工工序增多、工期延長。一般而言，采用水上運(yùn)輸時(shí)，可采用相對較長的節(jié)段；而采用公路運(yùn)輸時(shí)，則需要采用相對較短的節(jié)段。

鐵路橋梁往往位于荒野、運(yùn)輸條件差，節(jié)段預(yù)制場一般遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場，梁體節(jié)段需要用運(yùn)梁機(jī)械從預(yù)制場通過既有道路、施工便道或水路運(yùn)輸至橋位拼裝。因此，節(jié)段重量不僅受吊裝設(shè)備的起吊能力限制，還受車、船、道路寬度及載重能力的限制，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸條件合理劃分節(jié)段長度，滿足節(jié)段運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及架設(shè)便利性的要求。

接縫面剪力鍵及密封措施設(shè)計(jì)

節(jié)段預(yù)制膠結(jié)梁的接縫處剪力鍵除了發(fā)揮截面抗剪的作用外，還會起到相互匹配節(jié)段梁連接時(shí)的定位作用。腹板內(nèi)剪力鍵主要用于承受和傳遞接縫面在正常使用狀態(tài)下的剪力；頂板內(nèi)剪力鍵主要用于傳遞接縫處橋面列車荷載引起的剪力，并協(xié)助節(jié)段拼裝對接時(shí)的定位；底板內(nèi)剪力鍵主要用于協(xié)助節(jié)段拼裝對接時(shí)定位。早期，接縫面較多使用大尺寸剪力鍵，這種剪力鍵尺寸較大、個(gè)數(shù)較少，剪力傳遞不均勻。隨著制造工藝沿著精細(xì)化的方向發(fā)展，剪力鍵尺寸逐漸變小、數(shù)量增多，截面剪力更加均勻，現(xiàn)在剪力鍵多采用均勻布置密鍵體系。

節(jié)段間接縫是節(jié)段預(yù)制拼裝梁的固有薄弱環(huán)節(jié)，接縫面的質(zhì)量直接關(guān)系到體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋灌漿質(zhì)量和預(yù)應(yīng)力筋耐久性。接縫處的環(huán)氧密封膠應(yīng)性能可靠，具有良好的物理和化學(xué)性能，能夠與箱梁共同受力、協(xié)調(diào)變形、密封性能好，能夠防水、防侵蝕，保護(hù)箱梁預(yù)應(yīng)力不被侵蝕。同時(shí)，環(huán)氧密封膠還應(yīng)具有較好的施工性能，易于涂刮而不滴落、不流掛，顏色與混凝土表面顏色一致，其工藝指標(biāo)可根據(jù)現(xiàn)場的施工條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，滿足不同的環(huán)境溫度及施工工藝要求、適用性強(qiáng)，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《裝接縫用環(huán)氧密封膠產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)表》的要求。

圖1 孔道密封方式

預(yù)制節(jié)段梁對位拼接，在全截面涂刷環(huán)氧密封膠并張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，為避免預(yù)應(yīng)力管道壓漿液從接縫處漏出梁體，或擠壓時(shí)膠體進(jìn)入預(yù)應(yīng)力孔道造成孔道堵塞，需對接縫面預(yù)應(yīng)力孔道接頭采取可靠的構(gòu)造處理措施[2]。根據(jù)鐵科院《鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁膠接縫預(yù)應(yīng)力孔道密閉性能試驗(yàn)》，并結(jié)合國內(nèi)其他橋梁試驗(yàn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，接縫面孔道密閉措施采用“密封墊圈+涂膠”方式（圖1），能夠取得較好的效果。密封墊圈采用閉孔發(fā)泡聚乙烯材料，彈性好，壓縮量大，能與環(huán)氧樹脂膠協(xié)調(diào)變形，施工方便，密封圈環(huán)寬10mm，內(nèi)環(huán)直徑比預(yù)應(yīng)力孔道直徑大10mm，厚度為5mm。

為提高膠結(jié)面的耐久性，保證其可靠性，在每個(gè)接縫處內(nèi)外側(cè)一定寬度范圍涂刷聚氨酯防水涂料，或選擇性能更優(yōu)的防護(hù)材料防止環(huán)氧密封膠老化，如氟碳樹脂。涂刷防護(hù)材料前應(yīng)清潔混凝土上的粉塵、拼接擠出的環(huán)氧樹脂膠，確保涂刷面平整整潔。

膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度

節(jié)段拼裝膠接梁在接縫處混凝土和普通鋼筋不連續(xù)，而是采用環(huán)氧膠粘結(jié)并設(shè)剪力鍵。接縫面抗剪由腹板預(yù)應(yīng)力彎起預(yù)剪力、剪力鍵和環(huán)氧膠三部分組成，腹板預(yù)應(yīng)力彎起預(yù)剪力可直接采用現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算，但對接縫面摩擦力及膠接面剪力鍵抗剪目前還沒有成熟的理論計(jì)算公式。

鐵科院在2006年對干接縫摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]，在《節(jié)段預(yù)制膠接拼裝梁模型試驗(yàn)研究》報(bào)告中提出干接縫摩擦系數(shù)取值為0.6，與美國《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》計(jì)算公式參數(shù)取值一致，即摩擦系數(shù)按0.6進(jìn)行計(jì)算。

鐵科院的報(bào)告中提出，純剪力鍵（不涂膠）剪切極限承載力簡化計(jì)算公式為：

圖2 節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁橋的拼裝方式

式中：Qu為剪切極限承載力（MN），為截面平均正壓應(yīng)力（MPa），為剪力鍵混凝土極提供的極限剪應(yīng)力為剪力鍵投影面積（m2）。

有膠有鍵接縫截面的剪切極限承載力簡化計(jì)算公式為：

美國《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》中，按照干接縫模式計(jì)算膠接縫直剪承載力的公式[4]為：

式中：Vj拼接面抗剪承載力（lbf），Ak為破壞面上鍵齒根部的總面積（in2），fc'為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度（psi），σn為接縫面壓應(yīng)力（psi），Asm為破壞面上平整部分摩擦接觸面積（in2）。

梁體的抗彎剛度

由于接縫面混凝土與普通鋼筋不連續(xù)，需要在接縫面涂刷環(huán)氧膠。同時(shí)由于環(huán)氧膠的彈性模量比混凝土的彈性模量小，接縫的存在會降低梁體抗彎剛度，影響程度與梁體跨度和接縫數(shù)量都有關(guān)系，不同跨度、不同接縫數(shù)量，抗彎剛度折減系數(shù)不同。

根據(jù)美國《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南》，對抗彎強(qiáng)度按照0.95的修正系數(shù)進(jìn)行折減。鐵科院24m模型梁試驗(yàn)梁體實(shí)測豎向抗彎剛度比計(jì)算剛度偏小約7.2%，研究報(bào)告提出，計(jì)算梁體抗彎剛度時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行折減。

貴南高鐵56m梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 箱梁橫截面

貴南高鐵澄江雙線特大橋全長15507.793m，穿越澄江國家濕地公園，故在動(dòng)植物保育區(qū)段采用46×56m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁、移動(dòng)模架造橋機(jī)施工的方案穿越該區(qū)段，減少橋墩，盡量減小對濕地功能、景觀和鳥類等野生動(dòng)物棲息環(huán)境的影響。其中46×56m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁采用了節(jié)段預(yù)制膠結(jié)梁，采用整孔吊裝拼接，根據(jù)當(dāng)時(shí)移動(dòng)模架造橋機(jī)調(diào)研，設(shè)計(jì)時(shí)梁段重量控制在2000KN以內(nèi)，并盡量減少梁段的種類（圖2）。

梁體構(gòu)造

56m梁計(jì)算跨度為55.4m，梁端距支座中心0.85m、梁體全長57.1m，橫向支點(diǎn)距5.2m。梁體采用單箱、單室、等高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁高5.1m、梁頂寬12.6m、底寬6.7m、頂板厚0.4m、底板厚0.35m、腹板厚0.52m。在箱梁兩端支座處設(shè)置橫隔板，橋面寬度12.6m、防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0m（圖3）。

預(yù)制節(jié)段劃分

56m節(jié)段預(yù)制梁根據(jù)澄江橋梁廠位置、運(yùn)輸條件、梁段重量控制在2000KN以內(nèi)及減少梁段種類等原則，箱梁預(yù)制段長度分為4.8m、4.4m和2.3m三種，每跨箱梁采用奇數(shù)分塊，跨中不設(shè)接縫，共分為13個(gè)梁段，其中4.8m節(jié)段有9段、4.4m有 2段、2.3m有2段，2.3m梁端設(shè)在梁體端部（圖4）。其中，1號和13號節(jié)段為梁體端部，節(jié)段長2.55m，重約1700KN；3號-11號為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，共9段，節(jié)段長4.8m，重約1600KN；最重的2號和12號節(jié)段為過渡段，重約1800KN，節(jié)段長4.4m。

截面剪力鍵布置

圖4 節(jié)段劃分立面圖

表1 各梁段截面間的剪力鍵的抗剪強(qiáng)度及截面最大剪力設(shè)計(jì)值

圖5 接縫剪力鍵

圖6 臨時(shí)張拉筋圖

56m節(jié)段梁剪力鍵（圖5）的布置，在腹板上除預(yù)應(yīng)力孔道位置外滿布，同時(shí)在箱梁頂板及底板布置少量剪力鍵，剪力鍵采用梯形鍵，鍵槽與鍵塊上下側(cè)面的傾斜角為45°，鍵高5cm（剪力鍵高度不小于混凝土最大粗骨料粒徑的2倍，混凝土最大粗骨料粒徑按不大于25mm考慮），鍵寬5cm，剪力鍵根部高15cm。為方便膠體順利擠出梁體，腹板剪力鍵在箱梁內(nèi)側(cè)設(shè)為通縫，頂板和底板剪力鍵分別在頂板頂面和底板頂面設(shè)膠體擠膠槽口。

預(yù)應(yīng)力筋布置

節(jié)段預(yù)制膠結(jié)梁預(yù)應(yīng)力筋，分為永久預(yù)應(yīng)力筋和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋兩類，永久預(yù)應(yīng)力筋是用于滿足結(jié)構(gòu)受力需求，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋是用于滿足節(jié)段拼裝。永久預(yù)應(yīng)力布置結(jié)合節(jié)段構(gòu)造、剪力鍵的布置統(tǒng)籌考慮，預(yù)留出頂、底板剪力鍵的尺寸空間。同時(shí)，為均勻布置腹板剪力鍵，腹板預(yù)應(yīng)力鋼束宜采用較大規(guī)格，較少的排數(shù)，盡量減少對剪力鍵布置的干擾。貴南線56m節(jié)段預(yù)制箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用15-7φ5鋼絞線，采用內(nèi)徑100mm的金屬波紋管成孔，真空壓漿。腹板采用雙列預(yù)應(yīng)力束，以留出更多空間布置腹板剪力鍵，同時(shí)提供足夠的梁體截面壓應(yīng)力，以滿足截面抗剪的需要。此外，箱梁橫向及豎向不設(shè)預(yù)應(yīng)力。

臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉主要有兩個(gè)作用：一是固定梁段，保證在永久預(yù)應(yīng)力前，節(jié)段之間不會相對錯(cuò)動(dòng)；二是提供膠體凝結(jié)所需的壓力，匹配面的混凝土預(yù)壓應(yīng)力不小于0.3MPa，最大不超過0.6MPa，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力在箱梁第一批縱向預(yù)應(yīng)力張拉完成后方可拆除。梁體設(shè)計(jì)時(shí)需考慮張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)的設(shè)置，臨時(shí)錨固點(diǎn)需與截面中心對稱設(shè)置，錨固點(diǎn)撤除后，螺栓預(yù)留孔洞需用與梁體同標(biāo)號的微膨脹混凝土填充（圖6）。

接縫面剪力強(qiáng)度計(jì)算

接縫面抗剪強(qiáng)度公式（1）和公式（3）均未考慮接縫處環(huán)氧膠的抗剪作用，公式（2）考慮了環(huán)氧膠的抗剪作用，公式（2）計(jì)算截面抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于公式（1）計(jì)算截面抗剪強(qiáng)度。為此，本研究均不考慮接縫處環(huán)氧膠的抗剪作用，按公式（1）和（3）計(jì)算得出56m節(jié)段預(yù)制梁各梁段截面間的剪力鍵的抗剪強(qiáng)度及截面最大剪力設(shè)計(jì)值（表1）。

通過以上計(jì)算可知，兩公式計(jì)算的接縫面的抗剪強(qiáng)度差值較大，主要是美國規(guī)范公式計(jì)算了接縫面的摩擦力，而鐵科院研究報(bào)告中公式?jīng)]有計(jì)算接縫面摩擦力的作用，實(shí)際上兩公式只計(jì)剪力鍵的抗剪強(qiáng)度還是比較接近的。從計(jì)算表格可以看出，兩公式計(jì)算的抗剪強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于截面設(shè)計(jì)的最大剪力值，所以節(jié)段拼裝膠結(jié)面只要預(yù)應(yīng)力有效，就能保證截面有效的正應(yīng)力，膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度只需考慮剪力鍵的抗剪強(qiáng)度也是完全可靠的。可以說，結(jié)構(gòu)的抗剪能力主要依賴預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的正面摩阻力及剪力鍵的抗剪能力，并不依賴環(huán)氧材料提供抗剪能力[5]。拼接面的環(huán)氧膠不僅使拼接面更加密貼、阻止預(yù)應(yīng)力筋與結(jié)構(gòu)外界大氣的接觸，作為一種防水劑，防止預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生銹蝕的作用，另外，還可在孔道壓漿時(shí)保持密貼，防止?jié){液外泄，保證壓漿密實(shí)[6]。由此可見，預(yù)應(yīng)力筋的耐久性、預(yù)應(yīng)力管道的灌漿質(zhì)量及膠結(jié)面密封性，都將直接影響節(jié)段拼裝梁的耐久性。

梁體的抗彎剛度計(jì)算

節(jié)段拼裝梁梁體抗彎剛度與梁體跨度和接縫數(shù)量都有關(guān)系，不同跨度、不同接縫數(shù)量，所得出的抗彎剛度折減系數(shù)不同。貴南56m節(jié)段預(yù)制膠結(jié)梁，一孔梁分為13個(gè)節(jié)段，設(shè)有12道膠接縫，根據(jù)中鐵一院主持的原鐵道部《鐵路節(jié)段預(yù)制膠接拼裝箱梁成套技術(shù)研究》（G016-2010E）科研課題成果，設(shè)計(jì)時(shí)抗彎剛度按照0.9的修正系數(shù)進(jìn)行折減。

主要計(jì)算結(jié)果

通過以上關(guān)鍵參數(shù)的研究設(shè)計(jì)，貴南高鐵56m梁在強(qiáng)度、剛度及線形控制方面均滿足運(yùn)營及施工各方面的規(guī)范要求。在最不利荷載作用下，梁體接縫面的正應(yīng)力不小于2.0MPa，為接縫面抗剪強(qiáng)度提供了有效保證；ZK靜活載作用下跨中撓度為1.08mm，為跨度的1/5115，ZK靜活載作用下梁端豎向折角為0.628‰，均滿足規(guī)范要求。由于節(jié)段梁預(yù)制養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長，加載齡期晚，混凝土收縮徐變效應(yīng)小，預(yù)應(yīng)力長期損失小，成橋至運(yùn)營后期，梁體跨中豎向殘余徐變?yōu)?0mm，較現(xiàn)澆梁殘余徐變上供值小，能夠較好控制線性。

另外，貴南高鐵56m節(jié)段預(yù)制梁施工過程中，不需現(xiàn)場綁扎鋼筋及澆筑混凝土，而是直接在接縫面涂抹環(huán)氧膠，張?拉預(yù)應(yīng)力，節(jié)省了混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間，大大縮短了橋梁施工周期，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約投資、縮短施工周期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

結(jié)論

節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝梁能在預(yù)制廠預(yù)制梁節(jié)段后運(yùn)輸至工點(diǎn)，在橋位拼裝，實(shí)現(xiàn)了梁部工程的工廠化，工序簡潔、工效提高，質(zhì)量更容易保證，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。尤其在大力提倡環(huán)境保護(hù)、建造綠色交通工程的當(dāng)下，膠拼梁更能體現(xiàn)出其潛在的優(yōu)越性。隨著新型材料及設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，節(jié)段預(yù)制膠接拼裝技術(shù)也將成為傳統(tǒng)橋梁技術(shù)升級的重要手段。本研究從節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，以貴南高鐵56m節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝簡支梁設(shè)計(jì)為背景，介紹了梁體構(gòu)造、預(yù)制節(jié)段劃分、剪力鍵設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力布置、接縫面抗剪強(qiáng)度及抗彎剛度計(jì)算等，提出了節(jié)段預(yù)制膠結(jié)拼裝梁設(shè)計(jì)參數(shù)取值原則和應(yīng)考慮的因素，以期為此類橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。