节段预制胶拼构件胶接缝厚度研究

卢文良，马晓蕾，郑 强

(北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044)

随着混凝土桥梁的发展，传统现场浇筑法修建桥梁的弊端越来越大，主要缺点：现场劳动力多，安全风险大；现场作业人员素质偏低，工效偏低；施工质量缺少保障；新建桥对桥下既有交通影响较大；施工噪声对周边居民干扰大；对桥址处生态环境影响大等。节段预制拼装混凝土桥梁采用预制装配技术设计施工，将桥梁上部结构和下部结构的主要构件在预制场分段预制，然后在现场进行拼装。这种建造技术克服了上述传统桥梁建造方式工业化程度不高、施工质量不稳定、建设效率低、材料损耗大且不能满足节能、环保要求的技术难题，是桥梁绿色建设的代表，尤其在施工条件困难或生态敏感区情况下，具有极高的经济和社会效益。

国内外学者对节段预制胶拼梁开展了相关研究。文献[1-2]对胶接缝试验梁的受力性能进行了试验研究；文献[3-4]对节段胶拼梁进行了试验与分析;文献[5]研究了胶接缝节段预制拼装梁抗裂性的计算方法;文献[6]对多键节段胶拼构件的抗剪性能进行了研究。目前国内外关于预制节段胶拼结构的研究主要集中于结构的受力性能及理论计算方面，针对胶接缝厚度的研究相对较少。本文对节段胶拼梁的胶缝厚度进行实测分析，为此类桥梁的设计施工提供参考。

1 接缝类型及胶接缝施工工艺

1.1 接缝类型

节段预制拼装桥梁的接缝类型通常有3种：干接缝、湿接缝和胶接缝。干接缝构造简单但抗震性能不足，且容易被水气和酸性物质渗入腐蚀，现在较少采用；混凝土湿接缝构造稍复杂，工序较多，施工时间较长，主要用于合龙段调节桥梁线形；胶接缝比干接缝密封性更好，比湿接缝施工耗时短，是目前节段预制桥梁采用较多的接缝类型。接缝处的拼接胶具有润滑、铆栓、密封等作用，是保障节段拼装桥梁安全及质量的关键。胶接缝厚度对桥梁受力性能和耐久性能有重要影响。

1.2 胶接缝施工工艺

节段预制胶拼梁的胶接缝施工工艺一般分为以下几个步骤。

1)准备工作。首先清除节段端面上的杂物、污渍以及脱模剂，同时保持截面干燥，以减少胶粘剂失效剥落的可能性。截面不平整时要进行处理。对于采用体内预应力筋的桥梁，在预应力孔道处加垫密封环形垫圈以防胶粘剂进入孔道和压浆漏浆现象。在涂胶至拼装结束过程中，应采取防雨防晒措施。

2)涂胶。拼接胶一般为双组分环氧树脂胶粘剂，拼接胶配方与固化时间和施工气温有关。使用之前环氧基和固化剂分别密封。将相邻节段吊装并精确对位后，再将梁段适当脱开以便涂抹作业。用电动搅拌头充分混合拌制胶粘剂后，使用齿形刮板或由技工戴橡胶手套按照预定顺序涂胶。可以选择单个端面涂胶，也可接缝两侧端面均涂胶。涂胶厚度不宜过厚，双面总胶层厚度在3 mm左右为宜。涂胶应全面覆盖混凝土梁节段端面。

3)挤胶。快速均匀涂抹完拼接胶以后，调整梁段标高及线形之后进行挤胶。采用张拉临时预应力筋的方式使胶缝处产生约0.3 MPa的压应力。挤胶应在环氧树脂初凝前完成，以防其硬化后施工不便。挤胶完毕后及时用通孔器清扫预应力孔道，并刮除表面溢出的胶粘剂。

根据国内外节段胶拼桥梁施工经验，环氧树脂胶接缝挤胶前的涂抹厚度宜保持在3 mm左右。胶缝太薄则无法充分发挥它连接混凝土节段的作用，容易导致接缝开裂；胶缝太厚可能导致梁体刚度及强度下降。

2 胶缝厚度实测

在某节段预制胶拼桥梁现场，参照实际施工工艺制作了节段胶拼构件，接缝涂胶并实测了胶缝厚度。

2.1 胶拼构件设计

箱梁是由顶板、底板和腹板组成，本次试验的构件为板件，为节段箱梁胶缝厚度分析积累数据。试件为设置剪力键、互相匹配的A,B两块板件，通过后张预应力使两者成为一个整体，构件尺寸如图1所示。混凝土强度等级为C55，采用依托桥梁施工现场的商品混凝土。构件剪力键采用等腰梯形键，等腰梯形上底10 cm,下底20 cm,高5 cm，相邻2键中心距离25 cm。板件A,B中预留孔道，高强粗钢筋从孔中穿过，用于对接缝截面施加预压应力。2块板件浇筑养护后，采用与依托桥梁相同的拼接胶按照相同的涂胶工艺及挤胶方法进行拼接，之后放置一段时间进行养护。

图1 试验构件尺寸(单位：cm)

2.2 胶缝厚度实测数据

将试验构件胶缝处表面打磨处理，钻芯取样，样品如图2(a)所示。从11 个构件上取样，每个样品上取10个测点，利用裂缝测宽仪测量胶缝厚度，得到110 个胶缝厚度数据。统计分析结果显示，试验构件中胶缝厚度主要集中在0.1～0.9 mm，在0.4～0.6 mm区间数据最多。将数据以0.1 mm为单位分段计数，见表1，绘制胶缝厚度频率直方图如图2(b)所示。 由表1和图2(b)可以看出，胶缝厚度有少量小于0.1 mm和大于0.9 mm的数据。胶缝厚度数据基本服从正态分布，按正态分布拟合分析，胶缝厚度均值为0.48 mm，标准差为0.23 mm，胶缝厚度具有较大的离散性。

图2 胶缝厚度试样和频率分布直方图

表1 胶缝厚度统计

3 胶缝厚度影响分析

3.1 影响胶缝厚度的因素分析

结合现场观察胶缝厚度实测数据和以往工程实践，影响胶接缝厚度的主要因素包括：节段端面表层剥落、挤胶应力不均匀及节段拼装误差。

1)节段端面表层剥落

节段预制箱梁的梁段浇筑通常采用长线匹配预制法(简称“长线法”)或短线匹配法(简称“短线法”)。长线法是以桥梁跨度一半的梁体长度作为预制长度，结合梁体曲线、高程并进行调整后完成预制台座，按一定次序浇筑各梁段。短线法以一个邻接块为匹配梁段，待浇梁段的一端采用固定端模，另一端利用已浇筑完成的相邻节段作为端模，预制台座上只保留一套模具、一段预制梁。无论是采用长线法还是短线法，相邻梁段都是匹配浇筑的，梁段之间接缝理论上是“无缝对接”、“零误差”的。实际施工中，在节段相互脱离的过程中，由于脱模剂效果、脱开设备操作等存在不确定性，节段端面不同程度地存在表层脱落的现象。表层剥落及必要的修补会造成节段之间的匹配度发生变化，导致胶缝变厚。

2)挤胶应力不均匀

为了使接缝两侧的梁段拼接良好，需要在节段端面涂胶以后施加一定的压应力。节段接缝面的压应力大小一般在0.2～0.5 MPa。压应力一般通过锚固于钢锚块上的临时预应力钢筋施加。为方便施加临时预应力，一般底板上的预应力钢锚块布置在箱梁内部，顶板上的钢锚块布置在箱外的顶板顶面，腹板一般不设临时预应力锚块。受预应力锚块布置位置和数量的限制，节段端面的挤胶应力分布不均匀，会导致胶缝厚度不同。本次试验构件的胶缝厚度数据表明，构件表面的胶缝厚度通常大于构件内部，原因是试验构件内部施加的压应力比表面略大。

3)节段拼装误差

节段预制梁的梁段数量比较多，拼装过程中线形控制的难度很大。各吊点力不均匀、温度应力、前序节段位置偏差等都会影响节段间匹配的精度，产生拼装误差，进而引起胶缝厚度的差异。

3.2 胶缝厚度对梁体的影响

拼接胶的作用包括润滑节段端面、密封防水、形成黏结力等，是保障节段拼装桥梁受力性能和耐久性能的关键因素。形成接缝胶粘力并不需要胶层太厚。拼接胶在环境温湿度变化、紫外线照射、化学溶剂的作用下，会发生性能老化的现象。因此，过厚的胶层对结构耐久性不利。结构胶的弹性模量远低于混凝土，节段间胶缝厚度越厚，节段胶拼梁的整体刚度越低。过厚的胶层也会引起梁体永久预应力筋的预应力损失增大。胶拼构件接缝局部的有限元分析表明[6]，接缝处混凝土及拼接胶的主拉应力均随胶缝厚度增加而变大，接缝处应力分布不均匀的程度也增大。混凝土和环氧树脂拼接胶弹性模量相差近10倍是造成接缝区域应力不均匀的主要原因。

4 结语

拼接胶是节段预制拼装桥梁的重要建筑材料，胶接缝厚度对桥梁受力性能和耐久性能有重要影响。本文设计了胶缝厚度试验构件，统计分析了胶缝实测厚度，分析了影响胶缝厚度的原因，探讨了胶缝厚度对桥梁的影响，为类似桥梁的设计施工提供参考。目前，节段预制拼装梁胶缝厚度的实测资料还比较少，缺乏胶缝厚度对桥梁影响的深入研究，为了节段预制胶拼桥梁的推广应用，应对胶接缝开展系统深入的理论与试验研究。