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环氧树脂粘结剂在节段预制拼装桥梁中的应用

2019-11-23吴世曾张文锋陈兴波

城市道桥与防洪 2019年11期
关键词:顺桥粘结剂胶体

吴世曾,张文锋,杨 靖,陈兴波

(重庆市市政设计研究院,重庆市400020)

0 引 言

桥梁节段预制拼装技术已经在欧美国家以及东南亚地区得到广泛应用,国内节段预制拼装技术也日渐成熟,自90 年代以来建成了上海新浏河大桥、上海沪闵高架二期、广州地铁6 号线,如图1 所示,另外芜湖长江二桥、虎门二桥、郑州四环路也采用节段预制拼装技术施工。节段预制拼装箱梁梁端均为工厂预制,运输到现场由架桥机吊装施工,节段间的接缝需要刮涂粘结剂使节段箱梁粘结为一体。本文结合华岩隧道西延伸段项目,如图2 所示,介绍了环氧树脂粘结剂在节段预制拼装箱梁上的应用,为节段预制拼装桥梁的设计以及施工提供一定参考。

图1 广州地铁6 号线

1 华岩隧道西延伸段项目工程概况

华岩隧道西延伸段项目是重庆市快速路网的重要组成部分,是西出中梁山的一个重要通道,该项目是重庆市首次采用节段预制拼装工艺的桥梁项目,该项目高架段起点桩号为K5+725.596,终点桩号为K7+457.722,全长1731.7 m,其中K6+007.722~K6+577.722 以及K6+787.722~K7+177.722 段采用节段预制拼装箱梁,跨径布置为9 联3×30 m 连续箱梁加1 联4×30 m 连续箱梁组成,如图3 所示,上部结构均采用双幅布置,节段箱梁采用填充型环氧涂覆钢绞线体外索结构[1]。

图2 华岩隧道西延伸段

图3 华岩隧道西延伸段断面布置(单位:cm)

2 粘结剂作用

阶段预制拼装箱梁的接缝之间采用环氧树脂粘结剂填充。

常用环氧树脂粘结剂分为A、B 两种组分,其中A 类通常为环氧树脂,B 类为固化剂,为改善某些性能,满足不同用途还可以加入增韧剂、稀释剂、促进剂、偶联剂等辅助材料。环氧树脂主要具有以下作用[2,3]:

(1)润滑作用: 节段箱梁拼装时箱梁截面上的凸键要嵌入凹键内,截面涂胶后环氧树脂胶为黏稠状态,胶的润滑作用有利于截面的凸键顺利滑入凹键进行梁段定位。

(2)粘结作用: 节段箱梁通过环氧树脂胶在预应力作用的帮助下粘结成一个整体。节段箱梁接缝原则上在各种工况作用下均应处于受压状态,环氧树脂胶的粘结抗拉作用并未得到充分利用,但粘结作用使接缝的抗剪能力有了很大提高。

(3)防水密封作用:环氧粘结剂填充接缝,可以使体内索的预应力管道起到良好的密封作用,有利于真空辅助灌浆施工,还可以防潮防渗,提高体内索的耐久性能。

(4)协调变形作用:环氧树脂胶的抗拉、抗压性能以及弹性模量均不小于常规桥梁使用的C50混凝土,可有效传递钢束张拉产生的压应力以及主梁弯矩、剪力造成的弯剪应力。

3 环氧粘结剂性能

3.1 基本力学性能鉴定

现阶段国内并没有针对桥梁用拼接胶的相关规范标准,在建或已建成的节段预制拼装项目多参照建筑行业《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》(GB 50728—2011)的要求或FIP(国际预应力协会)《关于分段施工中环氧粘合剂验收试验及认定标准的建议》标准[4,5]。

胶体的基本力学性能鉴定标准主要包括以下几种:

(1)胶体本身的力学性能:主要有抗拉、抗压强度、弹性模量以及伸长率。

(2)胶体的粘结能力:主要有钢对钢拉伸抗剪强度、钢对钢粘结抗拉强度、抗冲击剥离强度以及钢对混凝土正拉粘结强度。

按照《工程结构加固材料安全性鉴定基础规范》(GB 50728—2011)的规定:承重结构用的胶粘剂,宜按其基本性能分为A 级与B 级胶;对重要结构、悬挑构件、承受动力作用的结构、构件,应采用A 级胶[4];华岩隧道西延伸段项目节段箱梁作为主要承重构件,所采用的环氧树脂粘结剂均要满足A级胶的要求。

3.2 长期使用性能鉴定

长期使用性能是结构胶粘剂必须具备的质量特征, 因为胶粘剂绝大多数都是由高分子材料组成,在长期应力的作用下会产生应力松弛和蠕变,粘结强度也会随时间的推移而降低,塑性变形也会增加,因此对胶体长期使用性能鉴定的重要性不亚于胶体的基本性能以及粘结能力。但是耐久性试验耗时较长,在实际工程应用中较难实现。故规范《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》(GB 50728—2011)在多次组织论证并进行验证性试验的基础上,提出以下耐久性鉴定指标[4]:

(1)耐湿热老化性能:在一般大气环境中湿、热的共同作用是胶体老化的主要原因。

(2)耐热老化性能:胶体在大气中,特别是在高温作用下,多数易预热氧化,产生降解或发生蠕变破坏,严重影响胶体性能。

3.3 可施工性

节段拼装桥梁用环氧树脂胶所涉及的主要施工性能为触变性,胶体的触变性是指胶体在一定的剪切速率作用下,其剪应力随时间延长而减小的特性,在粘结工艺上具体表现为:搅动下,胶体黏度迅速下降,便于涂刷,停止时胶体黏度迅速增加,不会随意流淌,可通过触变指数来衡量胶体的触变性。

3.4 性能要求

结合《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》(GB 50728—2011)的要求[4]以及类似项目的施工经验,对华岩隧道西延伸段项目环氧树脂粘结剂提出主要性能要求见表1。

4 环氧粘结剂接缝的数值分析

4.1 总体分析模型

采用Midas civil 建立空间杆系模型[6],计算出各个梁截面在各种荷载组合下的内力值,这些内力值是作为下截取的局部模型上的荷载条件。取其中一联跨径布置为3×30 m 的标准节段箱梁在Midas 中进行整体力学模型计算,标准段箱梁为两幅布置,取左幅计算。全桥共划分为84 个节点,83个单元,建立的模型如图4 所示。

在按正常使用极限状态设计时的作用长期效应组合下跨中梁段单元13 的i节点和单元14 的j节点上的弯矩、剪力和轴力值见表2。

表1 环氧树脂胶参数取值表

图4 标准段箱梁计算模型

表2 单元内力值

4.2 局部分析模型

为了分析通过环氧树脂胶粘剂连接的混凝土梁段的应力状态分布,选取Midas 模型中的单元13、14 在ANSYS 中建立三维实体模型进行局部分析[7],混凝土梁段及环氧树脂均采用结构实体单元solid95 单元进行模拟,偏安全地忽略梁体内的普通钢筋。C50 混凝土的弹性模量为34500 MPa,泊松比取0.2,环氧树脂弹性模量取1000 MPa,泊松比取0.38。

边界条件采用简支形式,即一端约束顺桥向,横桥向和竖向,另一端约束横桥向和竖向。为了简化建模的过程以及减少单元划分数量,仅取箱梁的一半,在箱梁的中心线位置处施加对称约束。整个模型共划分为3372 个节点,12844 个单元,建立的三维有限元模型如图5 所示。

图5 带胶接缝的节段箱梁三维实体模型

4.3 计算结果分析

将Midas 中提取的作用长期效应组合下的梁端弯矩,剪力和轴力计算结果以节点荷载的形式施加在ANSYS 三维实体模型上,得到的结构正应力结果如图6 所示。

图6 节段箱梁顺桥向正应力图(单位:MPa)

如图6 所示,在荷载长期作用下,节段箱梁在顺桥向基本上受压,压应力主要集中在-8.46 MPa左右,部分区域在-4.25 MPa 左右,另有少部分区域达到-12.66 MPa,均在混凝土抗压强度范围以内。

环氧树脂胶结缝位于截取腹板处的胶接缝应力云图如图7 至图11 所示。

图7 胶接缝顺桥向应力图(单位:MPa)

图8 胶接缝横桥向应力图(单位:MPa)

图9 胶接缝竖向应力图(单位:MPa)

图10 胶接缝第一主应力图(单位:MPa)

图11 胶接缝第三主应力图(单位:MPa)

腹板处胶接缝顺桥向应力分布均匀,主要以受压为主,压应力集中在-6.93 MPa 左右;横桥向以受压为主,压应力集中在-5 MPa 左右,有少部分区域受拉,拉应力集中在1.16 MPa 左右;竖向以受压为主,压应力集中在-5.6 MPa,部分区域压应力在-1.4 MPa 左右,另有少部分区域受拉,拉应力在2.8 MPa 左右。第一主应力、第三主应力计算结果分别和横桥向、顺桥向结果接近,接缝应力均在环氧树脂胶允许应力范围以内。

5 结 语

本文主要介绍了节段预制拼装桥梁环氧树脂粘结剂的应用,以华岩隧道西延伸段的节段预制拼装箱梁部分例,建立了全桥整体计算模型和通过胶接缝连接的两个梁段三维实体模型,详细分析了节段箱梁和胶接缝处的应力分布情况,接缝在荷载作用下的应力状况均在环氧树脂胶允许应力范围以内,对节段预制拼装梁的设计和研究提供了一定的参考。

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