關(guān)于節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁膠接縫的研究探討

王博

摘 要：節(jié)段預(yù)制拼裝造橋技術(shù)是近年來在我國新發(fā)展起來的施工技術(shù)，雖然在國內(nèi)已經(jīng)有了一些工程經(jīng)驗，但是缺少對節(jié)段預(yù)制拼裝膠接縫橋梁的理論研究與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)理論方面只能參考國外的一些相關(guān)內(nèi)容。介紹基本理論和節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的發(fā)展歷程，并提出了新的膠接縫模擬方法，以便于今后對節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁進行系統(tǒng)的研究，從而推動預(yù)制節(jié)段拼裝膠接縫橋梁在我國橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁;膠接縫;環(huán)氧樹脂膠性能;數(shù)值模擬

中圖分類號：U446 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-0-03

Abstract： Precast segmental assembling bridges technology is a new construction technology developed in China in recent years. Although there has been some engineering experience in China， there is a lack of theoretical research and technical standards for precast segmental assembling bridges with epoxy resin joints， and the technical theory can only refer to some relevant foreign content. From the basic theory， to introduce the development of segmental precast assembling bridge， and put forward the new epoxy resin joints simulation method， in order to facilitate the future of segmental precast assembling bridge system is studied， in order to promote precast segmental assembling bridges with epoxy resin joints in application and development in the field of bridges in China.

Keywords： segmental precast and assembled bridges;epoxy resin joints;epoxy resin performance;numerical simulation

近些年來節(jié)段預(yù)制拼裝造橋技術(shù)在我國一些工程上進行了試點，并憑借其獨特的建設(shè)思想，在我國逐漸得到了發(fā)展。雖然從20世紀(jì)六七十年代開始，我國就已經(jīng)出現(xiàn)了體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)制節(jié)段拼裝施工法，但是由于當(dāng)時的技術(shù)比較落后，導(dǎo)致拼裝后出現(xiàn)了線性偏差較大、預(yù)應(yīng)力筋防腐效果不理想以及后期維護成本過大等問題，促使該項施工工藝逐漸被現(xiàn)澆技術(shù)所替代。改革開放以后，隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的成熟和各種先進架橋設(shè)備的發(fā)明，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)又得到了廣泛應(yīng)用。

雖然我國目前已經(jīng)積累了一些節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)施工經(jīng)驗，但相關(guān)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，因此有必要根據(jù)節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁建設(shè)的需要對節(jié)段拼裝橋梁進行系統(tǒng)研究，以期推動節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁在我國橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。為此，介紹了國內(nèi)外近年來節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的發(fā)展歷程，針對節(jié)段預(yù)制膠接縫橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——膠接縫介紹其材料性能，并根據(jù)研究現(xiàn)狀提出了新的數(shù)值模擬方法。

1 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)最早出現(xiàn)在1951年，德國工程師Finstwalder在lahn河上建成了一座使用懸臂澆筑技術(shù)的橋梁。這是現(xiàn)代第一座采用了節(jié)段澆筑與懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁[1]。1962年，法國工程師MULLER J設(shè)計建設(shè)了巴黎塞納河的Choisy-le-Roi橋。該座橋是世界上第一次使用長線法預(yù)制節(jié)段施工工藝，也是最早采用預(yù)制節(jié)段、懸臂拼裝方法的混凝土橋梁[2]。1966年，法國建成的Oleron大橋是世界上第一座采用上行式移動拼裝支架進行懸臂拼裝施工的大橋[3]。

20世紀(jì)70年代末，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在節(jié)段預(yù)制橋梁中的應(yīng)用逐漸發(fā)展開來，這也得益于體外防腐問題得到了較好的解決。1978年，法國工程師MULLER J等在美國佛羅里達州設(shè)計建造的Long Key橋，是首次體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在節(jié)段預(yù)制橋梁工程中的應(yīng)用[4]。

20世紀(jì)90年代，世界經(jīng)濟快速發(fā)展，隨之而來的是社會各行各業(yè)對交通發(fā)展的需求，而節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁以施工速度快、工程質(zhì)量高、經(jīng)濟效益好及適應(yīng)性廣等優(yōu)點滿足了這一需求[5]。以2000年建成的泰國曼谷曼納高架橋為典型代表，該橋全長55 km，是當(dāng)時世界上最長的橋梁，采用了節(jié)段逐跨拼裝、干接縫連接、體外預(yù)應(yīng)力等施工技術(shù)，是當(dāng)時世界上采用逐跨拼裝技術(shù)的最大規(guī)模的節(jié)段預(yù)制橋梁。

最早采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的鐵路橋梁是1976年法國建造的Marne la Yallee高架橋，全長1 528 m。此外，還有同年在日本建成的Kakogawa大橋，全長500 m。兩座橋梁都采用了上行式移動支架進行懸臂拼裝、短線法偶配澆筑節(jié)段，還采用了在當(dāng)時比較新穎的施工技術(shù)——環(huán)氧樹脂膠接縫[3-6]。

我國對節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究相比于歐美國家起步較晚，最早開始于20世紀(jì)60年代，而且一開始大多應(yīng)用于鐵路橋梁方面，代表有成昆鐵路上建成的舊莊河一號橋和孫水河五號橋[7]。但是，兩座橋在施工中的拼裝方法有所不同：舊莊河一號橋施工采用的是節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝法，而孫水河五號橋施工采用的是節(jié)段預(yù)制逐跨拼裝法。由于節(jié)段拼裝后橋梁線型控制不理想，偏差較大，后期成本維護太高，因此這項技術(shù)在之后逐漸被現(xiàn)澆施工技術(shù)所代替。

改革開放以后，隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的成熟、先進架橋設(shè)備的發(fā)明以及相關(guān)施工經(jīng)驗的積累，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)很好地滿足了我國橋梁建設(shè)的需求。1997年建設(shè)完成的石長線湘江鐵路大橋，是我國國內(nèi)首次采用專用移動支架進行的節(jié)段懸臂拼裝施工項目[8]。

另外，之后建成的閩江大橋、珠海淇澳大橋、夷陵長江大橋等公路橋梁結(jié)構(gòu)，在施工方面都采用了預(yù)應(yīng)力節(jié)段懸臂拼裝施工技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計上使用了單剪力鍵膠接縫[9]。此后，我國的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)發(fā)展突飛猛進，技術(shù)優(yōu)勢也表現(xiàn)得愈發(fā)明顯：①施工速度快，節(jié)段梁的預(yù)制與橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工可以同時進行，箱梁的預(yù)制和安裝可以分開進行，互不干擾，縮短了施工工期;②成橋的梁的徐變和預(yù)應(yīng)力損失較小，節(jié)段梁預(yù)制后的堆放養(yǎng)護時間較長;③投資少，采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)可節(jié)約10%～20%的工程造價，同時時間成本的減少也間接降低了工程造價。這些優(yōu)勢在節(jié)段預(yù)制橋梁的發(fā)展應(yīng)用中起到了重要作用。

2 接縫形式與性能

在節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)中，接縫是用來連接各個節(jié)段的一種特殊構(gòu)造。根據(jù)連接方式的不同，可分為干接縫、濕接縫及膠接縫3種類型。

干接縫因為梁段之間沒有任何連接材料，所以無法抵抗拉應(yīng)力，抗震性和耐久性有嚴(yán)重的缺陷和不足，目前國內(nèi)外應(yīng)用都較少。濕接縫的施工屬于傳統(tǒng)的混凝土澆筑施工，在20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用，但是由于施工工序步驟較多，導(dǎo)致施工時間長、施工質(zhì)量不易保證等一系列問題。此外，濕度縫技術(shù)易受溫度影響，節(jié)段拼裝時的線形不易控制，該項技術(shù)逐漸被膠拼技術(shù)所取代[10]。

膠接拼裝技術(shù)先用環(huán)氧樹脂膠將梁端粘接在一起，再進行預(yù)應(yīng)力張拉。相比于其他接縫，膠接縫的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面[11]。

①結(jié)構(gòu)受力更加合理。膠接縫節(jié)段梁的梁段之間的剪力由剪力鍵、預(yù)應(yīng)力筋和梁段之間的摩擦力來承擔(dān)，彎矩則由施加預(yù)應(yīng)力后形成的壓應(yīng)力來抵抗。膠接縫形成的密閉空間可有效保護預(yù)應(yīng)力筋，提高其防銹蝕能力。

②環(huán)境效益好。膠接縫的拼裝施工時間較短，對周圍的施工環(huán)境影響較小。另外，濕接縫施工會對周圍環(huán)境造成噪聲污染，而膠接縫施工可以避免這一點。

③工程質(zhì)量高。濕接縫的施工牽涉到混凝土水化熱問題對結(jié)構(gòu)的影響，而膠接縫節(jié)段梁在工廠預(yù)制完成后就有很長的養(yǎng)護時間，有效減少了混凝土收縮問題，在拼裝時不用考慮水化熱問題。而且環(huán)氧樹脂膠也更利于節(jié)段定位，線型更容易控制。

節(jié)段預(yù)制拼裝梁膠接縫專用的環(huán)氧樹脂膠是一種建筑類合成膠粘劑，為無溶劑型雙組分觸變性膠，分為A、B兩種成分，根據(jù)環(huán)境溫度與固化時間按一定配合比攪拌而成。其力學(xué)性能一般要求見表1。除了力學(xué)性能外，觸變性、濕熱老化性及擠壓性也是環(huán)氧樹脂膠性能的重要指標(biāo)。

3 膠接縫數(shù)值模擬方法

目前關(guān)于膠接縫抗拉強度已有的研究中，李學(xué)斌與盧文良[12-13]等人都在試驗中測得環(huán)氧樹脂膠與混凝土的粘連強度大于C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，約為3 MPa，且破壞試驗中裂縫都出現(xiàn)在膠接縫附近的素混凝土中，而工程實際中所使用的混凝土等級多不會超過C50。設(shè)計中有兩種情況會導(dǎo)致計算結(jié)果誤差較大：一是設(shè)計中忽略環(huán)氧樹脂膠與混凝土的粘連強度，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力設(shè)計偏保守，造成預(yù)應(yīng)力鋼筋的浪費;二是數(shù)值模擬計算中，通過正常模擬膠接縫材料屬性建立模型，而忽略膠接縫附近的素混凝土的安全狀態(tài)。因為工程實際中膠接縫的厚度僅為2～3 mm，膠接縫檢算安全，但與環(huán)氧樹脂膠粘連的素混凝土保護層不一定安全。

基于上述原因，提出了膠接縫數(shù)值模擬的新方法。在使用Ansys等有限元軟件建模計算時，膠接縫采用長度為兩個混凝土保護層厚度的梁單元模擬，材料屬性為素混凝土屬性。它的目的是通過檢算安全性能較弱的素混凝土，來確定整個膠接縫附近是否都處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過闡述節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的發(fā)展歷程，對節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁接縫形式的優(yōu)良判定、接縫材料的性能等進行了介紹，并根據(jù)已有的研究提出了有限元數(shù)值法分析中膠接縫新的模擬方法，希望可以對膠接縫之后的系統(tǒng)研究提供一些參考。

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