铁路节段预制胶接拼装法建造桥梁技术与应用.pdf

·桥涵工程·收稿日期：２０１４１１０４铁路节段预制胶接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）摘要节段预制胶接拼装法造桥是分段建造桥梁的一种，在原理上是预应力结构、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，从节段预制胶接拼装造桥基本理论入手，对节段预制技术、胶接拼装装备、胶接拼装技术进行了叙述，以期对其他节段预制胶接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接拼装中图分类号Ｕ４４５．４６９文献标识码Ｂ文章编号１００９４５３９（２０１５）０１０００８０４ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＰｒｅｃａｓｔＳｅｇｍｅｎｔｓＣｅｍｅｎｔｉｎｇＡｓｓｅｍｂｌｉｎｇＢｒｉｄｇｅｓｏｎＲａｉｌｗａｙｓＺｈａｎｇＬｉｑｉｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＦｉｆｔｈＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐｒｅｃａｓｔｓｅｇｍｅｎｔｓｃｅｍｅｎｔｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｂｒｉｄｇｅｂｕｉｌｄｉｎｇｉｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｓｅｇｍｅｎｔｅｄｂｒｉｄｇｅｂｕｉｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｂｏｘｇｉｒｄｅｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｅｇｍｅｎｔｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｗｈｉｃｈｂｏａｓｔｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｒｓｔｐｒｅｃａｓｔｓｅｇｍｅｎｔｓｃｅｍｅｎｔｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｂｒｉｄｇｅｓｆｏｒｒａｉｌｗａｙｓｔｈｅｐａｐｅｒｅｘｐｌｏｒｅｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｐｒｅｃａｓｔｓｅｇｍｅｎｔａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｅｇｍｅｎｔａｓｓｅｍｂｌｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｓｅｇｍｅｎｔａｓｓｅｍｂｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｏｔｈｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｐｒｅｃａｓｔｓｅｇｍｅｎｔｓｃｅｍｅｎｔｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｂｒｉｄｇｅｂｕｉｌｄｉｎｇｂａｓｉｃ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｒａｉｌｗａｙ；ｂｒｉｄｇｅ；ｓｅｇｍｅｎｔ；ｐｒｅｃａｓｔ；ｃｅｍｅｎｔｉｎｇ；ａｓｓｅｍｂｌｅ１引言一般来说，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，在原理上是预应力结构、箱形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，但是相对于胶接拼装法在市政、城市轨道交通节段预制拼装建造桥梁的应用程度相比，我国铁路采用节段预制胶接拼装法建造桥梁技术仍然空白［２－６］。在现阶段，相对于每年建造桥梁总量，铁路上采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、新型国产胶接材８铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·桥涵工程·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，节段预制胶接拼装法建造铁路桥梁技术值得进一步规模推广。下面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接拼装法———建造的铁路桥梁黄韩候铁路芝水沟大桥工程实例，对铁路节段预制胶接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节段预制胶接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、胶接和干接。而由于在受力性能、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［７］。２．１技术特点相对于湿接拼装，采用胶接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矩；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“”接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，采用胶接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接缝处边缘抗拉强度的降低。（２）强度和刚度折减。由于胶接缝的存在，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。胶接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，可在节段梁端面顶板及底板布置剪力键［８］。对比湿接拼装梁，采用胶接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。２．３优缺点节段预制胶接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，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。２．４节段预制胶接拼装与湿接拼装的技术对比在同等跨度条件下，节段预制胶接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９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·桥涵工程·中，由于结构预应力提高，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。胶接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，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，故胶接拼装桥梁工期显著缩短，其经济效益显著增加。３节段预制胶接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形进行预制，可较佳地实现线形控制，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，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接拼装桥梁，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接拼装装备中，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，因此节段胶接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。平衡悬臂法节段胶接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节段胶接拼装技术３．３．１节段拼装方法节段胶接拼装方法包括逐跨拼装法、悬臂平衡拼装法等。逐跨胶接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。悬臂平衡胶接拼装法适合连续梁和斜拉桥。３．３．２胶接材料胶接拼装用胶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拼装技术胶接拼装技术包括拼装装备组拆、胶接缝、预应力技术和线形控制等。在胶接缝技术上，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；胶接拼装线形控制，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接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工程设计［９］４．２．１方案选择该桥进行了简支Ｔ形梁桥、一联或多联连续箱形梁桥、斜拉桥、钢桥、大跨简支箱形梁桥经济技术多方案比选。根据比选结果，采用大跨简支箱形梁０１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·桥涵工程·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形梁＋（６－３２ｍ＋１－２４ｍ）简支Ｔ形梁方案，长１６０８ｍ，其中６４ｍ和４８ｍ简支箱形梁采用节段预制胶接拼装法建造。４．２．２结构构造以６４ｍ简支箱形梁为例，设计箱形梁计算跨度６３．８ｍ，梁长６６．２ｍ，Ｃ６０混凝土，约８００ｍ３，重约２１００ｔ。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～１５＃段），１４个胶接缝。４．２．３剪力键剪力键采用与预制梁段一次成型的混凝土密键形式：腹板满布（除预应力孔道位置，计２８个），顶、底板尽可能多布置（顶板６个、底板３个）。剪力键采用梯形键，键槽与键块上、下侧面倾斜角为４５°，键高、宽５ｃｍ，键根部高１５ｃｍ。腹板剪力键在箱梁内侧设为通缝，顶、底板剪力键在顶、底板顶面设挤胶槽口。４．２．４预应力箱梁纵向设置预应力，横向与竖向不设置预应力，预应力采用体内布置。底板采用１４束１７客ｓ１５．２ｍｍ钢绞线，腹板采用３２束１５桥ｓ１５．２ｍｍ钢绞线，采用桥９０ｍｍ塑料波纹管成孔。４．３工程施工４．３．１节段预制芝水沟特大桥节段预制采用了长短线法相结合工艺，节段梁预制场设置２条长线台座、４个短线台座、２个观测台。梁端节段在短线台座上预制，其余节段在长线台座上预制；梁端节段使用短线法预制后，然后将梁段节段移至长线法台座施工后续节段，即首尾段用短线法预制，其余段用长线法预制。节段梁预制场长２５０ｍ，宽约５５ｍ，占地约３３亩，生产区平面布置如图１所示［１０］。图１制梁区平面布置４．３．２逐跨拼装法节段拼装装备该桥逐跨拼装法节段拼装装备采用铁五院研发的专用下承式移动支架造桥机，造桥机如图２所示，包括承重主梁、支撑系统、回转天车、悬吊系统、运梁设备、走行系统六大部分。承重主梁采用桁架形式，承受箱梁与桁架自重；支撑系统包括前支腿、中支腿、后支腿三部分，将承重主梁上的荷载传递至桥墩或已成箱梁上；回转天车具备节段梁起吊、旋转、就位的功能；悬吊系统负责将节段梁悬吊到承重主梁上；运梁设备将节段喂送到造桥机尾部；走行系统负责造桥机纵移过孔。图２专用下承式移动支架造桥机４．３．３节段胶接拼装节段胶接拼装主要包括造桥机拼装（过孔）就位、节段梁吊装、节段胶接拼装、预应力钢筋穿束与张拉、压浆与封锚等工序。其中，节段胶接拼装是节段胶接拼装法建造桥梁技术的核心工艺，它包含了涂胶、挤胶张拉、体系转换与线型调整工艺等。涂胶：从自１＃段、２＃段始进行，涂胶应控制涂胶厚度，单面涂胶以２～３ｍｍ（以能覆盖混凝土表面为宜）。１＃段、２＃段涂胶后，采用天车配合三向作用千斤顶吊运２＃段向１＃段移动，调整１＃段、２＃段的三维位置，使中线、标高、接缝等控制因素与设计线形完全吻合后，进行挤胶张拉工作。其后按同样的方法胶接拼装其他节段。（下转第２３页）１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）·桥涵工程·６结论本文对原有纵横梁加固设备进行优化，对设备缺点进行了原理分析，提出了纵横梁加固设备优化方案并对其进行建模计算分析，得出以下结论：（１）优化后的Ｕ型螺栓和扣板较原体系不易产生变形，强度和刚度上有很大的提高，减少现场人工的调整量。（２）优化后楔形滑车采用机械楔形结构替代传统木楔方式并实现自锁，取消了木材弹性的影响，提高了安全性。楔形滑车在功能上增加了转动平台保证其轮系滚动方向与框构桥顶进方向一致，适应框构桥与既有线斜交的施工工况。纵横梁加固设备的优化使该加固体系更加完善、更加稳定、更加安全。参考文献［１］孟国清．既有线框构桥顶进施工纵横梁加固体系的分析［Ｊ］．铁道工程学报，２０１１（７）：４３－４６．［２］高玉兰．下穿铁路咽喉区顶进框构桥设计与施工技术［Ｊ］．铁道标准设计，２０１２（Ｓ１）：６９－７３．［３］张青松．既有线上就地现浇框构桥线路加固工程的设计和施工［Ｊ］．铁道标准设计，２００８（１０）：２８－３０．［４］闻邦椿．机械设计手册［Ｍ］．５版．北京：机械工业出版社，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪２０１０．（上接第１１页）挤胶张拉：依靠顶板、腹板上的临时安装的钢垫块，采用精轧螺纹钢、锚具和张拉千斤顶进行张拉挤胶。体系转换与线形调整：临时张拉结束后，节段梁由天车承担转为由造桥机承担。需要注意的是，在进行体系转换过程中，由于造桥机扁担梁和钢棒自身将发生弹性变形，体系转换后节段梁高程与转换前节段高程有所变化，因此需要对线形进行调整［１１］。５结束语节段预制胶接拼装法可实现梁部的工厂化预制和机械化拼装，预制拼装质量确实可靠、建造效率大幅提高、施工安全得到有效保障，采用节段预制胶接拼装法建造中大跨度铁路简支桥梁，是我国铁路桥梁的发展趋势之一［１２］。我国正处于建设资源节约环境友好型社会、建造绿色交通工程的大环境下，采用节段预制胶接拼装法建造铁路桥梁技术有着极佳的技术和经济优势，对于形成节约资源和保护环境的产业结构有着积极意义，下一步大力推广我国铁路具有知识产权的大跨度节段预制胶接拼装法建造桥梁成套技术很有必要，依托近年对该技术研究成果、工程实践经验，《铁路预应力混凝土简支梁节段拼装施工技术指南》也正在由铁五院主持编制中，希望对该技术的推广应用提供帮助。参考文献［１］（美）小波尔特·波多尔尼，（法）米勒尔．ＪＭ．预应力混凝土桥梁分段施工和设计［Ｍ］．万国朝，黄邦本，译．北京：人民交通出版社，１９８６：１－１０．［２］铁道部工程管理中心，中铁第五勘察设计院集团有限公司．节段预制拼装移动支架造桥机施工技术要点手册［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００９：２２－２３．［３］余为．预制节段逐跨拼装施工技术在上海市沪闵高架道路工程中的应用［Ｊ］．城市道桥与防洪，２００８（６）：６５－６９，８．［４］徐永利，高明昌．兰武二线河口黄河特大桥主桥连续弯梁设计［Ｊ］．铁道标准设计，２００５（１１）：９９－１０１．［５］任国辉．客运专线３２ｍ跨单箱双线造桥机节段拼装法施工［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（６）：４３－４４，７３．［６］刘春凤，刘家锋．高速铁路中小跨度桥梁结构模式及架设方法［Ｊ］．铁道标准设计，２０００（３）：１８－２０．［７］美国州际公路和运输工作者协会．节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范［Ｓ］．美国州际公路和运输工作者协会，２００３：２２－２３．［８］中铁第一勘察设计院集团有限公司，北京中铁建北方路桥工程有限公司，等．———新线建设关键技术研究铁路节段预制胶接拼装箱梁成套技术研究［Ｒ］．西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，２０１４：１６－３０．［９］中铁第一勘察设计院集团有限公司．新建黄韩侯铁路北塬至芝阳段芝水沟特大桥施工图设计图［Ｑ］．西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，２０１３．［１０］北京中铁建北方路桥工程有限公司．新建黄韩侯铁路芝水沟特大桥节段梁预制场设计图［Ｑ］．北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，２０１３．［１１］葛耀君．分段施工桥梁分析与控制［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３：１２０－１２３．［１２］中铁第五勘察设计院集团有限公司．铁路６４ｍ及以下跨度简支箱梁节段拼装法施工技术研究［Ｒ］．北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，２００９：９５－９６．３２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（１）