缓粘结预应力技术在铁路桥梁中的研究与应用

2023-03-14吴延伟

铁道标准设计 2023年3期

吴延伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

1.1 传统预应力技术存在的问题

预应力技术在铁路桥梁中的应用非常普遍，桥梁纵向、竖向及横向预应力大量采用波纹管有粘结预应力技术。由于波纹管预应力技术施工工艺复杂、现场施工质量不易控制，经常存在因灌浆密实度不足而产生的孔道内积水、塌陷、空洞、堵塞等现象[1]，从而导致预应力钢筋锈蚀、耐久性降低[2]、疲劳寿命衰减，致使结构存在安全隐患，在设计基准期限内养护及维修费用大幅增加[3]。因此，提高材料利用率，扩展材料使用性能，保障桥梁结构耐久性与疲劳寿命尤为重要。

1.2 缓粘结预应力技术研究及发展现状

1.2.1 缓粘结预应力技术简介

缓粘结预应力是目前国内和国际预应力领域中的新型预应力混凝土技术，缓粘结预应力由外包护套、缓凝粘合剂和钢绞线组成[4]，组成示意见图1。缓粘结预应力工作机理为：通过缓粘合剂的固化实现预应力筋与混凝土之间从无粘结逐渐过渡到有粘结的一种预应力形式。其是指在施工阶段预应力筋可伸缩自由变形、不与周围缓凝粘合剂产生粘结，而在施工完成后的预定时期内预应力筋通过固化的缓凝粘合剂与周围混凝土产生粘结作用，预应力筋与周围混凝土形成一体，共同工作，达到粘结效果。因此，缓粘结预应力技术综合了有粘结预应力结构性能优异，无粘结预应力施工简便，质量易于控制的共同优点[5]。

图1 缓粘结预应力组成示意

1.2.2 缓粘结预应力技术研究及应用现状

缓粘结预应力技术的研究持续了30年左右，日本1987年开始研制缓粘结预应力筋[6]，并于1996年开始应用于桥梁的横向预应力部位，2001年应用在桥梁纵向预应力部位；1997年日本道路公团修订的桥梁设计标准中增加了缓粘结预应力钢束在预应力混凝土桥中的相关内容[7]；日本的建筑及桥梁工程界2001年、2002年分别制定了相应的设计和施工质量标准[7]，并开始大规模工程推广应用；2010年由日本土木学会制定了《环氧树脂预应力钢材的设计施工规范》。我国于20世纪90年代中期开始研究缓粘结预应力技术[8]，起初缓粘结预应力技术的研究与应用是以缓凝砂浆为介质、以塑料布包裹的手工加工工艺的缓粘结预应力体系为主，但缓凝砂浆从配制到使用时间间隔较短，在现场以手工制作来完成，很难批量生产，工厂化生产难度较大，且产品外部仅靠塑料布包裹缠绕很难进行有效的成品保护，妨碍了此项技术的大面积推广应用，未形成规模化效应。目前，缓粘结预应力技术以缓凝粘合剂为介质，以工厂化生产为工艺的缓粘结预应力体系为主。从2000年开始，北京兆福基新材料科技发展有限公司、中国建筑科学研究院、中国建筑技术集团有限公司、大连理工大学、东南大学、天津大学、中铁第一勘察设计院集团有限公司、铁道科学研究院集团有限公司等单位，针对缓凝粘合剂材料的配方研制、材料稳定性研究、材料制备工艺、材料力学性能、缓粘结预应力钢筋生产设备、缓粘结预应力混凝土构件试验等方面进行了大量的试验研究[9-12]。目前，缓粘结预应力技术在国内建筑行业已得到了广泛应用，其代表项目有：上海市成都路桥梁工程、广西飞龙郁江特大桥、甘肃兰州银滩黄河大桥、北京建筑大学大兴校区抗震实验室反力墙、北京大兴国际机场、海口美兰国际机场、陕西大剧院、华农体育馆、石家庄会展中心、黄石体育中心、慈溪观海卫文化中心等，应用效果良好。

中铁第一勘察设计院集团有限公司2015年在吴忠至中卫城际铁路项目连续梁横向预应力设计中首次对缓粘结预应力技术在铁路桥梁上的应用进行了研究。

2 工程概况及设计

2.1 工程概况

吴忠至中卫城际铁路由银西线吴忠站南端引出，向南沿京藏高速经关马湖和滚泉，穿越牛首山丘陵区至中宁东设站，向西沿黄河南岸经宣和至中卫市设中卫南站，是国家快速铁路网的重要干线，将与京张、张呼高铁共同构成北京至兰州的京呼银兰快速客运通道。线路全长134.8 km，设计时速250 km，桥梁全长67.384 km，占线路总长的50%。

在本项目(48+80+48)m双线箱形连续梁、(60+100+60)m双线箱形连续梁横向预应力设计中使用了缓粘结预应力技术。

2.2 横向预应力设计技术选型

现浇连续梁横向预应力一般采用扁锚波纹管的后张法预应力体系，而后张法预应力体系常存在如下问题。

(1)扁形波纹管在布置过程中及布好后，常由于工人踩踏或机械设备碾压容易塌陷，致使后期灌浆困难。

(2)穿束时容易将扁形波纹管扎破，浇筑混凝土时发生漏浆、堵塞。

(3)混凝土浇筑过程中，振捣棒容易振破波纹管，致使漏浆、堵塞。

(4)混凝土保护层厚度小，灌浆压力过大时，易造成混凝土爆裂。压力不够，又造成灌浆密实度不足，腐蚀钢绞线，造成耐久性下降。

(5)良好的预应力灌浆质量是确保预应力混凝土结构耐久性的前提。在日平均温度低于4 ℃，且必须进行灌浆冬季施工时，需采取冬施养护措施。若无适当的养护措施或养护不当，浆体冻结导致强度达不到设计要求，同时浆体受冻膨胀，混凝土易产生裂缝。但冬施灌浆的养护方法要保持必要的养护温度较困难[13]，一旦养护不当，将会带来不可估量的损失。

缓粘结预应力技术无需布设波纹管，亦无需灌浆，振捣棒振捣对其影响较小，从根本上规避了采用波纹管的后张法预应力存在的各种质量问题。同时，缓粘结预应力技术施工简便，省略了铺设预应力波纹管和后期压力灌浆的工序，大大缩短了施工周期；在耐久性上，缓粘结预应力钢绞线在缓凝粘合剂及外包护套的双重保护下，钢绞线极难锈蚀。又由于缓粘结预应力钢绞线为工厂化制作，材料质量有保障，优良的材料耐久性也同步提高了结构耐久性。

综合以上技术比选，该工程连续梁桥面横向预应力筋设计采用缓粘结预应力技术。

2.3 横向预应力设计

参照《时速250公里客运专线铁路有砟轨道现浇预应力混凝土连续梁(双线)》通用图，在桥面、横隔板等位置布置了后张法预应力筋，采用φ15.2 mm规格强度级别为1 860 MPa的钢绞线，型号分别为3根一束、4根一束或5根一束。缓粘结预应力钢绞线常用规格有φ15.2，φ17.8，φ21.8 mm。考虑到缓粘结预应力筋的选用及布置应与通用图设计有较强适配性，最终采用φ15.2 mm规格的缓粘结预应力钢绞线。该设计有以下优点：φ15.2 mm规格缓粘结预应力筋采用的钢绞线亦为φ15.2 mm规格，依据通用图及等强度代替原则，可对后张法预应力钢绞线直接替代，根数不变；张拉端锚口构造及尺寸不变；钢束线型不变。

缓粘结预应力为单根单孔张拉，锚具均为单孔锚具。后张法预应力锚口构造见图2，进行优化设计的缓粘结预应力锚口构造见图3，施工现场见图4。

图2 后张法预应力锚口构造(单位：mm)

图3 横向缓粘结预应力锚口构造(单位：mm)

图4 横向缓粘结预应力施工现场

2.4 缓粘结预应力设计合理参数研究

缓粘结预应力钢绞线专用粘合剂固化后结构检算均可按有粘结预应力考虑，固化前按无粘结预应力考虑[14]。

缓粘结预应力结构设计应符合现行行业标准TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中有关规定。计算预应力混凝土结构截面应力时，在管道内缓粘合剂完全固化以前，应采用被管道削弱的净混凝土并计入非预应力钢筋后的换算截面(即净截面)。在建立了钢绞线与混凝土间的粘结力后，则采用全部换算截面。

在预应力混凝土结构中，预应力摩擦损失计算是预应力混凝土结构设计的关键，也是预应力混凝土结构施工中预应力张拉控制的关键。通过对不同直径缓粘结预应力不同张拉时期的摩阻试验表明，在张拉适用期内缓粘合剂的稠度对于摩阻损失的影响较小，但随着缓粘合剂稠度的增加摩阻损失逐渐增大。

为直观地研究缓粘结粘合剂由液态到固体逐渐转化的过程中，缓粘结预应力钢绞线摩阻的变化情况，选用标准张拉适用期为4个月的缓粘结预应力钢绞线，在20～25 ℃恒温环境下，研究不同时间阶段k值与稠度的变化，从而得出因缓粘结粘合剂发生固化反应导致稠度下降对缓粘结预应力钢绞线摩阻的影响规律[15]，见图5。

图5 稠度和k值变化曲线(蓝色为稠度，橙色为k值)

在通常温度环境中，张拉适用期内的摩阻系数可按照μ=0.12、k=0.006考虑[16-17]，如在非常规的温度条件下或张拉适用期即将结束时，应采取现场试验的方式进行确定。

铁路桥梁在使用中需长期承受周期往复的动荷载，在此过程中缓粘结预应力钢绞线通过缓粘结粘合剂与混凝土的咬合作用而共同承受动荷载，由此缓粘结粘合剂的耐疲劳作用能力显得尤为重要。缓粘结粘合剂的耐疲劳性能亦随其环氧树脂含量的增加而递增。在T/CECS 10097—2020《大直径缓粘结预应力钢绞线》中规定，缓粘结粘合剂快速固化的拉伸剪切强度≮10 MPa。而通过本研究试验发现，要达到5×106次的疲劳指标要求，快速固化的拉伸剪切强度不宜小于15 MPa。

缓粘结预应力筋护套起定型与保护作用，其最重要功能是给内部缓凝粘合剂定出肋状形状。只有如此，缓凝粘合剂固化后才可与周围混凝土形成很强的机械咬合与粘结作用，最终形成良好的粘结锚固性能。故而，外包护套肋高与肋槽参数指标非常重要。从某种程度上讲，肋槽参数比肋高参数更重要。而行业标准JG/T 370—2012《缓粘结预应力钢绞线专用粘合剂》只对肋高参数作了要求，未对肋槽参数做出规定。中铁一院在承担中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题《铁路桥梁预应力缓粘结技术标准研究》过程中结合相关实验数据对肋槽参数的选择进行了深入研究，提出铁路桥梁缓粘结预应力混凝土的缓粘结预应力筋主要规格和性能，见表1。在吴中城际项目中应用缓粘结预应力技术时，对肋槽指标进行了严格要求与把控，以确保材料质量与工程质量。

表1 缓粘结预应力筋主要规格和性能

3 缓粘结预应力施工

作为铁路桥梁施工中的关键工序，优良的预应力施工质量是决定结构耐久性和安全性的重要保证[18]。较传统有粘结波纹管预应力，缓粘结预应力将波纹管穿设布置与灌浆这两道工序省略，不仅提高了施工速度，缩短了主体工期，同时规避了波纹管铺设与灌浆带来的风险，施工质量得以保证。因此，缓粘结预应力技术可有效确保铁路桥梁的施工质量和使用寿命。

3.1 缓粘结预应力筋施工工序

缓粘结预应力施工工序简单，其总体施工主要有4道工序，即：布筋—混凝土浇筑—张拉—封锚。施工工艺流程见图6。

图6 横向缓粘结预应力施工流程

3.2 施工注意要点

3.2.1 材料进场检验

缓粘结预应力钢绞线技术含量较高，其材料质量决定了工程质量，故应对进场材料进行严格检验，检验重点如下。

(1)肋高与肋槽检查

缓粘结预应力钢绞线肋高直接影响粘结锚固性能，钢绞线肋高及肋槽高应满足表1要求。图7中h为肋高，hc为肋槽高。

图7 缓粘结预应力筋相关参数标示及外观

护套肋槽内缓凝粘合剂应保证饱满，固化后形状如图8所示。

图8 护套肋槽及缓凝粘合剂固化后形状(剥开护套后)

(2)快速拉伸剪切强度试验

缓粘结预应力筋具有张拉适用期与固化期，为确定材料中缓凝粘合剂可以固化且强度能达到标准强度以上，需在材料进场后进行快速拉伸剪切强度试验[19]，保证缓凝粘合剂拉伸剪切强度不宜小于15 MPa。

3.2.2 成品保护

缓粘结预应力筋为工厂化生产，其成品是由钢绞线、缓凝粘合剂和带肋的外包护套组成。由于在固化前缓凝粘合剂均为流塑状态，为保证缓粘结预应力筋在结构中与混凝土有效工作，材料在装卸、运输、现场储存和布筋时必须特别注意成品保护，避免缓凝粘合剂外漏[20]。

(1)材料运输过程中应采取可靠保护措施避免包装破损和散包。

(2)材料装卸应采用尼龙吊索，装卸过程中应轻装轻卸，严禁钢丝绳和其他坚硬吊具与缓粘结预应力筋外包护套直接接触。

(3)若发现外包护套轻微破损，应采用黑胶带充分缠绕。

(4)成品堆放期间，应分类堆放于通风良好、温度变化平稳处。成品不得与地面直接接触，并应采取覆盖或遮阴措施，严禁太阳直接暴晒。

3.2.3 张拉

由于铁路桥梁存在环境的复杂性和多变性，预应力实际施工与设计可能会存在偏差。因此，为确保张拉效果，需采取措施满足设计方案要求或按照实际情况对参数进行现场测定，对设计方案进行一定调整。

(1)为减小张拉时的摩擦阻力，可以考虑多次张拉的方法来减小缓凝粘合剂对钢绞线产生的阻力。用千斤顶张拉卸载反复2～3次，待粘合剂达到一定程度的软化，再装上夹片，直到张拉到位。也可采用一次张拉到位持荷3～4 min。

(2)若温度过低，导致缓凝粘合剂稠度过高，张拉损失过大，应采用专业电加热设备对钢绞线进行通电加热升温，以降低由粘滞力产生的预应力损失。通电电压不得高于人体安全电压36 V。吴中城际铁路横向预应力张拉存在冬季张拉情况，且冬季温度较低，达到-10 ℃以下。因此，本项目横向预应力在冬季张拉时采用了电加热措施，对单端张拉的钢绞线将2根钢绞线加扁铁连接成一个回路，在张拉端外接辅助电加热机，通电后加热，具体措施参见图9，张拉效果良好。常规预应力在-10 ℃以下一般无法施工，而缓粘结预应力通过电加热方式实现了冬季施工，可有效缩短工期，减少施工单位蒸汽养护施工措施支出。