高速铁路56m节段预制胶拼简支箱梁施工关键技术研究

孙约瀚，赵硕硕，赵 兵，陈文尹，柯宇庆

(1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；2.中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230022)

我国桥梁施工正朝着构件生产的工厂化、标准化、装配化以及施工设备机械化的方向转变，节段预制拼装是现今国内外发展的趋势[1]。节段预制拼装技术大幅度简化了施工过程，降低了施工难度，也节省了大量时间。

节段预制拼装桥梁按用途可分为铁路桥梁、公路桥梁、市政桥梁桥梁等[2]；按结构形式可分为简支梁桥、连续梁桥、拱桥和斜拉桥等；按连接形式可分为湿接、胶接和干接桥梁等。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[3]，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[4]的特殊技术特点。

目前铁路节段拼装梁大多采用湿接方法施工，并形成了成熟的工艺流程，但缺乏胶接拼装施工的应用。本文以国内首例高速铁路大跨度简支梁采用预制胶接拼装技术的桥梁——银西铁路陕西段YXZQ-4标段漠谷河2号特大桥为应用实例，从节段胶结拼装的方案选择、拼装设备的选用、节段架设与调整、涂胶和预应力张拉等关键技术进行分析，总结了其施工速度快、质量易控制、对周围环境影响小等优点[5]。

1 工程概况

银西高铁陕西段漠谷河2号特大桥位于陕西省乾县漠西乡和梁山乡两乡界内，孔跨布置为1×32 m简支箱梁+(97+2×180+97) m加劲钢桁连续刚构+(15×56) m节段拼装简支梁+(5×32) m简支箱梁，桥梁全长1 605.22 m。

漠谷河2号特大桥15×56 m节拼预制拼装简支箱梁采用单箱、单室等高度预应力混凝土简支箱梁。梁顶宽12.6 m，底宽6.7 m，箱梁端部支点位置横向支座间距5.2 m，梁高5.1 m。跨中截面底板厚35 cm，腹板厚52 cm，顶板厚40 cm。梁顶横向设2 %的排水坡。

56 m节段预制拼装简支箱梁计算跨径53.8 m，共分为13个梁段，12个接缝，长度分2.7 m和4.6 m两种。其中端头节段为2.7 m，中间标准节段为4.6 m，如图1所示。

图1 梁段划分与箱梁横断面(单位:cm)

2 梁段胶接拼装关键技术

2.1 施工方案

采用TPZ80/2500型造桥机进行节段拼装简支箱梁架设施工。先拼装造桥机，然后顶推至首孔架设位置，再利用场内200 t龙门吊将梁段从存梁台座上吊起放置桥面运梁车上。落稳后转入至造桥机下部，由造桥机吊梁天车吊运至造桥机指定位置。以造桥机承重梁为依托，按一定的顺序摆放、调整就位，涂胶拼装，然后穿放钢绞线、张拉，即完成墩顶原位成梁作业。

2.2 拼装系统

TPZ80/2500型节段拼装造桥机因其适应能力强、结构简单、机械化程度高、操作方便、性能稳定的特点，适用与简支梁及连续梁的胶拼、湿接拼装施工[6]。故用于本次案例的桥梁拼装施工(图2)。

图2 造桥机就位

该造桥机结构采用了新型分层分节的三角形桁架结构，节段之间连接采用对拉式双头螺柱连接型式，保证了接头的刚度，消除了接头有害的空隙挠度；同时，造桥机结构采用高强度低合金结构钢Q460C制造，减轻了结构自重，使造桥机主桁架在大悬臂的状态下，保证前支腿挠度小于1 m，所以能登上前方墩顶。

该造桥机采用上行悬挂、两跨迈步纵移式总体方案，主要由主桁框架系统、支承体系、吊梁天车、悬挂体系、纵移过孔装置、操作平台和附属结构等部分组成[7]。造桥机整机拼装完成后，对结构进行预压荷载试验，检验其结构的承载能力和稳定性，预压荷载应不小于最大施工荷载的1.1倍。

在TPZ80/2500型移动支架造桥机拼装完成后，首先吊装全部梁体作为额定满载。梁体吊装完后，再施加预压荷载。

均布荷载一般采用预压块压重的方式施加，工效低。若采用造桥机吊装一个梁段在造桥机上移动提供集中荷载来取代均布荷载，不仅可以消除支架的非弹性变形，而且预压非常高效。

桥机满载时荷载为G，预压荷载为1.1G，则理论上还需0.1G的均布荷载需要施加，设梁长为L，那么均布荷载q=0.1G/L。

均布荷载作用于造桥机的跨中弯矩M1为：

利用造桥机天车吊装一个梁段(重量N≥0.1G)至跨中位置时，其跨中弯矩M2为：

显然，M2>M1，且两种预压方式梁段剪力和跨中剪力均相同。所以造桥机吊装一个梁段在造桥机上移动提供集中荷载取代均布荷载预压完全可行。

在额定满载和预压过程的各工况中，对该造桥机在各工况作用下各控制截面的挠度及关键截面应力进行监测。

造桥机在节段箱梁吊装拼装过程的挠度变形实测数据与有限元计算模拟结果如表1所示。

试验结果：试验结构的最大竖向位移出现在跨中截面，最大位移值满足规范设计要求。整个试验过程中，试验结构各个测点的竖向位移未发生异常变化。试验与理论分析数据拟合良好，说明造桥机施工过程的挠度变形在可控范围内。

通过荷载试验表明该造桥机可用于本工程15孔56 m简支箱梁节段拼装架梁施工，且有一定的安全储备。

2.3 节段架设

2.3.1 架设准备

2.3.1.1 造桥机就位

首先在待架设梁体后方的梁面上拼装中、后支腿、后支点

表1 造桥机的挠度变形实测与理论值对比 mm

小车，之后在支腿及后支点小车上直接进行造桥机拼装，造桥机采用边拼装边顶推的拼装方式逐步进行。造桥机拼装完成后连续通过倒运支腿的方式进行前移，移动至首孔梁架设位置，此时中支腿位于架设梁体的前方1#梁段上(采用8根32精轧螺纹钢在梁体腹板处进行锚固)，后支腿位于已架设好的梁体上，见图2。

2.3.1.2 梁段检查

当预制梁段强度达到90 %，使用200 t龙门吊将梁段吊入整修台座。首先对接缝面采用电动角磨机进行打磨处理(打磨隔离剂及混凝土错台)，之后使用高压水枪冲洗接缝，避免在梁段胶接过程中存在剪力键难以咬合的情况。在整修台座上，采用钢绞线束逐个对每个梁段的全部预应力孔道进行通孔检查，确保梁段预应力孔道在梁体架设前畅通无杂物。

2.3.2 首段梁吊装与锚固

在预制梁场用200 t龙门吊将1#梁段吊装至运梁车上，然后由运梁车运送至造桥机尾部。用造桥机上部行走天车将1#梁段吊装至待架孔孔位相应的支撑垫石上，同时将支座上板螺栓与梁段预埋钢板套筒扭紧。见图3。首段吊装调整定位完成后，采用重力灌浆方式进行锚固(对支座锚栓孔及支座与垫石之间空隙进行灌浆)。灌浆采用无收缩高强度灌注材料，待浆体材料强度达到20 MPa后，拆除千斤顶。

图3 1#梁段吊装与锚固

2.3.3 临时支撑

临时支撑体系的锚固包括架设梁体1#梁段与墩身的锚固及架设梁体1#梁段与下一孔1#梁段对中支腿临时支撑的锚固。待2个1#梁段就位后，在2个1#梁段之间安装内衬型钢骨架，两端锚口处安装锚具和钢绞线，进行临时张拉，将两个梁段临时锚固为整体，作为造桥机过孔的临时支撑体系。

2.3.4 造桥机过孔

桥机过孔的步骤：

(1)1#梁段支座完成灌浆后，安装后支点小车，后支腿拆除并前移至1#梁段顶部，使用精轧螺纹钢进行锚固。

(2)桥机通过顶推装置前移，同时后支点小车跟随桥机移动，直至桥机前支腿落到架设梁体的下一孔桥墩上部位置。

桥机主要采用液压迈步式走行系统进行桥机整体移位过孔，通过整套液压系统与桥机结构系统组成顶进—迈步—顶进的循环步履。过孔时，设置后支点小车行走轨道，确保顶推过程平稳。

2.3.5 梁段吊装

造桥机过孔完成后，用桥机天车和运梁小车把后支点小车移走。提前在造桥机的悬吊纵梁上标记吊杆位置，采用梁场200 t龙门吊机吊取梁段到运梁车上，运梁至造桥机回转天车下方。通过天车升降、纵移、旋转将梁段运到其相应位置，用精轧螺纹钢和扁担梁将梁段悬挂在悬吊装置上。卸载回转天车，进行下一梁段运输及吊装。

梁段吊装采用4根φ40 mm精轧螺纹钢作为吊杆。由于梁段吊装就位需要转向(梁段横向宽度远大于梁段长度)，且需要留出足够的空间方便后续涂胶施工，因此将5#、7#、9#、11#梁段与其它梁段错层悬挂。起始涂胶梁段(1#、2#梁段)应预留出涂胶施工的空间，其余梁段可紧靠吊装。整孔箱梁吊装顺序为：从梁端头两侧对称向跨中进行悬挂。每次错层悬挂可节省出吊装孔到梁体边缘的距离，根据错层悬挂的梁段个数，最终可判断最后吊装节段是否满足旋转空间的要求。施工时可增加横向分配梁来减小吊杆与梁体边缘的距离来增加施工空间，如图4所示。

图4 梁段悬挂吊装

2.4 梁段调平

2.4.1 调平装置

造桥机吊装采用回转天车及吊具吊装梁段，回转天车可纵向全范围移动，可横向移动(60 cm)调整，采用钢丝绳及动滑轮连接吊具吊装梁段，吊具可空间横向、纵向精确调整梁段高度,见图5。

回转天车由两套25 t液压缸提供动力，可横向调整，调整范围为±600 mm，另可360°自由旋转(喂梁)。

吊具设置了独立的整套液压电控系统，设置了两根横倾油缸和两根纵倾油缸，可以通过控制器，对梁段进行调平。系统采用全液压，可实现梁段纵倾、横倾动。三维精调梁段，准确对位。

2.4.2 线型控制

整孔梁架设完成后，对梁体中线及标高进行复测和调整[8]。调整时在梁底安装两个500 t液压千斤顶，将梁段顶起。梁底安装防落梁挡块，在防落梁挡块与支承垫石之间安装液压千斤顶，实现梁体的横移。反复测量梁体中线，利用千斤顶进行调整，使整孔梁的中线与设计相符。最后调整竖向千斤顶，保证梁体标高与设计一致。在梁段调整完毕后，对支座进行灌浆，完成整孔梁的锚固。

梁体横向移动及高程调节时应注意：在锚固梁段拼接前，应将固定端支座上螺栓与梁体底板紧固完成，同时支座下螺栓安装完毕；待梁体横移和标高调节到位后直接进行支座灌浆施工。

2.5 涂胶

在胶拼之前进行试拼，试拼时，根据转换后标高控制点相对高差调整梁段空间位置。

涂胶前对接缝面清洗处理，检查张拉、涂胶机具设备的性能，准备安全牢固的涂胶脚手架，涂胶人员佩戴抗腐蚀手套和防护眼镜。在预应力孔道周围贴闭孔发泡聚乙烯密封垫圈，保证预应力孔道的密封，防止环氧树脂胶挤进孔道内(图6)。

图6 涂胶

(1)拌胶。通过试验选择适宜指标的胶体，拌制按材料说明要求的比例配置[9]，胶性能如表2所示。先将A胶通过搅胶器搅拌，然后将B胶放入A胶中，将环氧树脂胶在约400 r/min的状态下搅拌2～3 min，直到颜色均匀为止，搅拌过程中尽量避免引入空气，尽量使用扁平工具搅拌，便于散热，延长使用时间。

(2)抹胶。抹胶前，应再次清除接缝混凝土面，在预应力孔道周围贴一块10 mm宽，5 mm厚的环型海绵垫，以保证预应力孔道的密封，防止孔道压浆时串浆漏浆。

拌制好的胶体随着时间的增加，推移施工难度增加。为加快施工进度，抹胶作业分4个工作面12人同时进行，顶板4人，箱内4人，箱外4人。接缝面涂胶时应自下而上，快速均匀，采用人工将混合后的胶体涂抹在结构表面。为保证厚度均匀，涂刷密贴，采用双面涂胶，每面1.5 mm，不出现断胶现象，宜在45 min内完成一道接缝涂胶，3 h内完成梁段拼接。

表2 胶结涂料性能参数

2.6 预应力张拉

2.6.1 临时张拉

临时张拉采用相邻节段(2#段与1#梁段缝、3#段与2#段缝、…、13#与12#段缝)分别施加临时预应力的方法，每个锚固块采用抗拉强度PSB830的2根φ32 mm精轧钢进行张拉。采用60 t穿心千斤顶，同时张拉8根精扎螺纹钢分级张拉到设计吨位，1#梁段和2#梁段间胶接缝每根螺纹钢张拉力为550 kN，其余胶接缝每根螺纹钢张拉力为420 kN。原则上临时张拉采用双端张拉，若张拉空间不足时，可采用单端张拉。

临时张拉完成后，清理接缝挤出的胶体，并清理预应力孔道的胶体。张拉力应确保接缝面临时预压应力不小于0.3 MPa(确保环氧树脂在不小于0.3 MPa的压力下固化)，最大不超过0.6 MPa。临时预应力在箱梁第一批纵向预应力张拉完成后方可拆除。

2.6.2 第一批预应力张拉

临时张拉完毕后，接缝处环氧树脂胶完全固化后，进行第一批(腹板束和底板束)预应力钢束张拉，在挤胶张拉30 h后进行永久预应力张拉。

在节段梁预制时，在2#段顶板预留通向内腔的孔道，作为钢绞线穿束时的通道。穿束前应用高压空气冲洗孔道内的杂物，将孔道冲洗干净。

采用卷扬机穿束的方式穿束，在造桥机中支腿处架设前方横梁上安装卷扬机，并通过定滑轮实现拉力的传输，拉动钢束穿入波纹管中。

根据设计图纸预应力钢束张拉吨位按锚下控制应力为σcon=0.66fpk控制，即σcon=0.66×1860×140×17×1.06=3094.989kN(预应力钢筋与锚圈口及喇叭口摩擦损失率为0.06σcon)，采用4台400 t张拉千斤顶逐级加载、两端对称的方法进行。

张拉采用数控智能张拉设备，张拉两端同步进行，左右对称；先长束后短束，先外侧后内侧，先上后下交错进行施作。

2.6.3 支撑转换

张拉过程中梁体在预应力的作用下起拱，造桥机的钢桁架会随着梁体自身承载力的加大逐渐回弹。在起拱的同时，梁端发生转角，此时精轧螺纹钢吊杆受力发生较大变化，需逐渐解除精轧螺纹钢吊杆。解除顺序为由梁段跨中方向向两端交叉进行。每根吊杆分级卸载，逐步解除，最终完成支撑转换。

2.6.4 第二批预应力张拉

在第一批预应力孔道张拉压浆完成15 d后，进行第二批预应力孔道(锯齿块预应力钢束)的张拉压浆作业。

2.7 孔道压浆

压浆前应清除梁体管道内的杂物和积水，采用密封罩或水泥浆等对锚具夹片空隙和其他可能泌浆处封堵，待封堵料达到一定强度后方可压浆。

梁体压浆采用智能压浆及真空辅助工艺进行预应力的压浆，压浆顺序先下后上；从底板到腹板进行压浆，同一管道压浆应持续进行，一次完成。从浆体拌料到压入体的时间不应超过40 min。待出浆口出浆顺畅后，关闭出浆端阀门，使压浆泵的压力达到0.6 MPa，持压3 min。在持压的条件下，关闭压浆端阀门及压浆泵，完成压浆。

2.8 封锚

待所有孔道压浆完成之后，对箱梁端部进行清理，切割超长的预应力筋(预留外露长度30 mm)，铲除喇叭管承压面的黏浆和锚具与外漏钢绞线外部的灰浆。封端的钢筋骨架绑扎前，将锚穴侧边的原梁体混凝土表面凿毛，露出坚实的石子面。封端采用C60补偿收缩混凝土，重力式灌注的方法进行。

3 结束语

漠谷河2号特大桥安全、高效完成节段梁胶结拼装施工，它的施工方案、拼装系统、节段架设、梁段调平、涂胶与预应力张拉等关键技术得到了验证，为今后高速铁路大跨简支梁节段预制胶接拼装施工积累了经验。该技术适用于采用节段预制生产的公路、铁路不同跨径的简支梁或不同跨径的连续梁在直线或曲线段的梁段架设施工，有较大推广应用前景。