关于节段预制拼装桥梁胶接缝的研究探讨

王博

摘 要：节段预制拼装造桥技术是近年来在我国新发展起来的施工技术，虽然在国内已经有了一些工程经验，但是缺少对节段预制拼装胶接缝桥梁的理论研究与技术标准，技术理论方面只能参考国外的一些相关内容。介绍基本理论和节段预制拼装桥梁的发展历程，并提出了新的胶接缝模拟方法，以便于今后对节段预制拼装桥梁进行系统的研究，从而推动预制节段拼装胶接缝桥梁在我国桥梁领域的应用与发展。

关键词：节段预制拼装桥梁;胶接缝;环氧树脂胶性能;数值模拟

中图分类号：U446 文献标识码：A 文章编号：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

近些年來节段预制拼装造桥技术在我国一些工程上进行了试点，并凭借其独特的建设思想，在我国逐渐得到了发展。虽然从20世纪六七十年代开始，我国就已经出现了体内预应力混凝土桥梁预制节段拼装施工法，但是由于当时的技术比较落后，导致拼装后出现了线性偏差较大、预应力筋防腐效果不理想以及后期维护成本过大等问题，促使该项施工工艺逐渐被现浇技术所替代。改革开放以后，随着体外预应力技术的成熟和各种先进架桥设备的发明，节段预制拼装技术又得到了广泛应用。

虽然我国目前已经积累了一些节段预制拼装技术施工经验，但相关规范与技术标准还不够完善，因此有必要根据节段预制拼装桥梁建设的需要对节段拼装桥梁进行系统研究，以期推动节段预制拼装桥梁在我国桥梁领域的应用与发展。为此，介绍了国内外近年来节段预制拼装技术的发展历程，针对节段预制胶接缝桥梁的关键结构——胶接缝介绍其材料性能，并根据研究现状提出了新的数值模拟方法。

1 节段预制拼装桥梁国内外发展状况

节段预制拼装技术最早出现在1951年，德国工程师Finstwalder在lahn河上建成了一座使用悬臂浇筑技术的桥梁。这是现代第一座采用了节段浇筑与悬臂浇筑的预应力混凝土桥梁[1]。1962年，法国工程师MULLER J设计建设了巴黎塞纳河的Choisy-le-Roi桥。该座桥是世界上第一次使用长线法预制节段施工工艺，也是最早采用预制节段、悬臂拼装方法的混凝土桥梁[2]。1966年，法国建成的Oleron大桥是世界上第一座采用上行式移动拼装支架进行悬臂拼装施工的大桥[3]。

20世纪70年代末，体外预应力技术在节段预制桥梁中的应用逐渐发展开来，这也得益于体外防腐问题得到了较好的解决。1978年，法国工程师MULLER J等在美国佛罗里达州设计建造的Long Key桥，是首次体外预应力技术在节段预制桥梁工程中的应用[4]。

20世纪90年代，世界经济快速发展，随之而来的是社会各行各业对交通发展的需求，而节段预制拼装桥梁以施工速度快、工程质量高、经济效益好及适应性广等优点满足了这一需求[5]。以2000年建成的泰国曼谷曼纳高架桥为典型代表，该桥全长55 km，是当时世界上最长的桥梁，采用了节段逐跨拼装、干接缝连接、体外预应力等施工技术，是当时世界上采用逐跨拼装技术的最大规模的节段预制桥梁。

最早采用节段预制拼装技术的铁路桥梁是1976年法国建造的Marne la Yallee高架桥，全长1 528 m。此外，还有同年在日本建成的Kakogawa大桥，全长500 m。两座桥梁都采用了上行式移动支架进行悬臂拼装、短线法偶配浇筑节段，还采用了在当时比较新颖的施工技术——环氧树脂胶接缝[3-6]。

我国对节段预制拼装预应力混凝土桥梁的研究相比于欧美国家起步较晚，最早开始于20世纪60年代，而且一开始大多应用于铁路桥梁方面，代表有成昆铁路上建成的旧庄河一号桥和孙水河五号桥[7]。但是，两座桥在施工中的拼装方法有所不同：旧庄河一号桥施工采用的是节段预制悬臂拼装法，而孙水河五号桥施工采用的是节段预制逐跨拼装法。由于节段拼装后桥梁线型控制不理想，偏差较大，后期成本维护太高，因此这项技术在之后逐渐被现浇施工技术所代替。

改革开放以后，随着体外预应力技术的成熟、先进架桥设备的发明以及相关施工经验的积累，节段预制拼装技术很好地满足了我国桥梁建设的需求。1997年建设完成的石长线湘江铁路大桥，是我国国内首次采用专用移动支架进行的节段悬臂拼装施工项目[8]。

另外，之后建成的闽江大桥、珠海淇澳大桥、夷陵长江大桥等公路桥梁结构，在施工方面都采用了预应力节段悬臂拼装施工技术，结构设计上使用了单剪力键胶接缝[9]。此后，我国的节段预制拼装技术发展突飞猛进，技术优势也表现得愈发明显：①施工速度快，节段梁的预制与桥梁下部结构的施工可以同时进行，箱梁的预制和安装可以分开进行，互不干扰，缩短了施工工期;②成桥的梁的徐变和预应力损失较小，节段梁预制后的堆放养护时间较长;③投资少，采用节段预制拼装技术可节约10%～20%的工程造价，同时时间成本的减少也间接降低了工程造价。这些优势在节段预制桥梁的发展应用中起到了重要作用。

2 接缝形式与性能

在节段预制拼装桥梁结构中，接缝是用来连接各个节段的一种特殊构造。根据连接方式的不同，可分为干接缝、湿接缝及胶接缝3种类型。

干接缝因为梁段之间没有任何连接材料，所以无法抵抗拉应力，抗震性和耐久性有严重的缺陷和不足，目前国内外应用都较少。湿接缝的施工属于传统的混凝土浇筑施工，在20世纪90年代开始应用，但是由于施工工序步骤较多，导致施工时间长、施工质量不易保证等一系列问题。此外，湿度缝技术易受温度影响，节段拼装时的线形不易控制，该项技术逐渐被胶拼技术所取代[10]。

胶接拼装技术先用环氧树脂胶将梁端粘接在一起，再进行预应力张拉。相比于其他接缝，胶接缝的优势主要体现在以下方面[11]。

①结构受力更加合理。胶接缝节段梁的梁段之间的剪力由剪力键、预应力筋和梁段之间的摩擦力来承担，弯矩则由施加预应力后形成的压应力来抵抗。胶接缝形成的密闭空间可有效保护预应力筋，提高其防锈蚀能力。

②环境效益好。胶接缝的拼装施工时间较短，对周围的施工环境影响较小。另外，湿接缝施工会对周围环境造成噪声污染，而胶接缝施工可以避免这一点。

③工程质量高。湿接缝的施工牵涉到混凝土水化热问题对结构的影响，而胶接缝节段梁在工厂预制完成后就有很长的养护时间，有效减少了混凝土收缩问题，在拼装时不用考虑水化热问题。而且环氧树脂胶也更利于节段定位，线型更容易控制。

节段预制拼装梁胶接缝专用的环氧树脂胶是一种建筑类合成胶粘剂，为无溶剂型双组分触变性胶，分为A、B两种成分，根据环境温度与固化时间按一定配合比搅拌而成。其力学性能一般要求见表1。除了力学性能外，触变性、湿热老化性及挤压性也是环氧树脂胶性能的重要指标。

3 胶接缝数值模拟方法

目前关于胶接缝抗拉强度已有的研究中，李学斌与卢文良[12-13]等人都在试验中测得环氧树脂胶与混凝土的粘连强度大于C50混凝土的抗拉强度标准值，约为3 MPa，且破坏试验中裂缝都出现在胶接缝附近的素混凝土中，而工程实际中所使用的混凝土等级多不会超过C50。设计中有两种情况会导致计算结果误差较大：一是设计中忽略环氧树脂胶与混凝土的粘连强度，导致预应力设计偏保守，造成预应力钢筋的浪费;二是数值模拟计算中，通过正常模拟胶接缝材料属性建立模型，而忽略胶接缝附近的素混凝土的安全状态。因为工程实际中胶接缝的厚度仅为2～3 mm，胶接缝检算安全，但与环氧树脂胶粘连的素混凝土保护层不一定安全。

基于上述原因，提出了胶接缝数值模拟的新方法。在使用Ansys等有限元软件建模计算时，胶接缝采用长度为两个混凝土保护层厚度的梁单元模拟，材料属性为素混凝土属性。它的目的是通过检算安全性能较弱的素混凝土，来确定整个胶接缝附近是否都处于安全状态。

4 结语

通过阐述节段预制拼装桥梁的发展历程，对节段预制拼装桥梁接缝形式的优良判定、接缝材料的性能等进行了介绍，并根据已有的研究提出了有限元数值法分析中胶接缝新的模拟方法，希望可以对胶接缝之后的系统研究提供一些参考。

参考文献：

[1]PODOLNY W，MULLER J M.Construction and design of prestressed concrete segmental bridges[M].Melbourne：Krieger Publishing Company，1982：324.

[2]徐栋.桥梁体外预应力设计技术[M].北京：人民交通出版社，2008：35.

[3]MILLER M D.Durability of segmental concrete bridges[J].Journal of Bridge Engineering，1995（6）：539-542.

[4]裘伯永，盛兴旺.桥梁工程[M].北京：中國铁道出版社，2001：57-60.

[5]张立青.节段预制拼装法建造桥梁技术综述[J].铁道标准设计，2014（12）：63-66.

[6]陈轶鹏.RPC铁路预制节段拼装预应力简支箱梁受力特性研究[D].北京：北京交通大学，2005：23.

[7]范立础.世界预应力混凝土桥梁发展现状[C]//95预应力混凝土连续梁和刚构桥学术会议论文集，1995.

[8]林荫岳.大跨度造桥机及其在石长线湘江铁路大桥上的使用[J].铁道标准设计，1999（2）：2-6.

[9]朱新安.节段箱梁预制拼装连续梁体系关键技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2014：53.

[10]高明昌.铁路节段预制胶接拼装简支箱梁的技术特点和优势[J].铁道建筑，2015（10）：60-63.

[11]张立青.铁路节段预制胶接拼装法建造桥梁技术与应用[J].铁道建筑技术，2015（1）：8-11.

[12]李学斌，杨心怡，李东昇，等.节段梁环氧树脂胶接缝抗拉强度的试验研究[J].铁道建筑，2015（1）：23-26.

[13]卢文良，杨雷，郑强.节段预制胶拼构件轴拉强度试验研究[J].铁道标准设计，2019（10）：89-92.

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