城市桥梁节段预制拼装技术设计与研究
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【摘 要】随着城市化进程的不断推进，各类城市桥梁工程规模越来越大。在此背景下，虽然已引进各类新技术，但创新需求仍不断增长，特别是在城市中进行桥梁工程建设，需要更高的现场施工效率，以减少对城市环境及交通的影响，而桥梁节段预制拼装技术通过将桥梁梁体分为若干部分，在工厂或预制梁场先进行预制，然后在施工区域进行桥位组拼的方式进行施工，从而大大缩短了现场施工周期，能够充分满足城市桥梁建设的需求。
【关键词】城市桥梁; 节段预制拼装技术; 剪力键; 体外预应力; 减振装置;
1 预制箱梁节段拼接缝设计
预制节段拼接缝节点是节段预制拼装桥梁的薄弱环节，通过拼接缝形式、剪力键构造、黏结材料性能、预应力连接方式等要素设计，使拼接缝节点部位的强度与耐久性达到与结构一般断面部位相同的设计目标。
1.1 节段拼装连接接缝形式
预制节段箱梁的接缝一般有3种类型：干接缝、环氧胶接缝及现浇混凝土湿接缝。干接缝节段式梁施工方便，但接缝受力性能较差，故应用范围较小。环氧树脂胶接缝节段式箱梁接缝承载能力好、接缝处受力均匀，适宜配置体内预应力钢筋，接缝具有一定的耐久性。现浇混凝土湿接缝主要用于预制节段式梁合拢处。为方便拼装施工，减小施工安装误差，湿接缝也可用于节段之间连接，通常采用窄式湿接缝，缝宽一般小于20cm。
1.2 节段拼接缝剪力键构造设计
预制节段接缝处应均匀设置密接匹配的剪力键，剪力键根据设置部位分为腹板剪力键、顶板剪力键、底板剪力键和加腋区剪力键。节段拼接缝各部位剪力键主要功能分析：腹板剪力键用于传递接缝截面处结构荷载作用下的剪力;顶板翼缘剪力键用于协调横桥向箱梁翼缘自由端的变形，传递桥面车辆荷载引起的剪力;顶部腹板之间剪力键、底板剪力键与腹板剪力键组合封闭环形断面，传递箱梁的扭矩，增强箱梁整体抗扭性能;加腋区剪力键用于加强顶底板与腹板结合节点区，在跨中与支点正负弯矩最大处结构剪应力的传递均匀分布。节段拼接缝剪力键在构造上具有协助镶嵌对接定位作用。
为了便于结构构件预制时节段截面密接匹配与脱模方便，拼装对接时挤出多余的环氧树脂胶，剪力键构造一般设计成凹凸密接的棱台形状。为了便于将剪力键的键块与槽口之间的剪力传递至节段端面的受力钢筋，键块与键槽上、下对接面的倾斜角应接近45°形式。
剪力键的尺寸构造设计要求：
1）腹板剪力键的布置范围不宜小于梁高度的75%，剪力键横向宽度宜为腹板宽度的75%;
2）剪力键应采用梯形（倾角接近45°）或圆角梯形截面;
3）剪力键的高度应大于混凝土最大骨料粒径的2倍，并不小于35mm;
4）剪力键的高度与其平均宽度比取1∶2。
剪力键的构造尺寸大小与结构断面厚度以及粗骨料的粒径有关，设计中应遵循混凝土级配要求，以确保剪力键预制质量，满足受力要求。
1.3 拼接缝黏结材料性能
结构胶的主要技术指标包括黏结强度、标准强度、弹性模量、硬化时间等。涂抹厚度是根据以往的经验而拟定的，且宜单面涂抹。当结构胶涂抹在接缝表面后，形成了1层明露在空气中的黏结薄膜，硬化速度大大加快，必须在失去黏合能力之前进行胶接并及时施加临时预应力以避免失效，其有效时间范围不仅与结构胶的产品性能有关，还与节段拼装速度、临时预应力加压速度有关，结构胶在梁体的全断面都挤出，可以有效地保证接缝的密闭效果。控制结构胶的和易性主要指其流动性、黏聚性，可以保证胶黏剂在涂抹时能挂住不垂滴，在压力作用下可流动、可塑，并与结合面黏结。
1.4 节段拼接缝截面受力分析
在进行结构设计过程中，要充分考虑节段预制拼装的技术特征。在节段预制拼装工艺设计时，由于桥梁的极限强度计算方式不同于普通的预应力结构，因此，在设计过程中要充分考虑节间缝的结构特点、体外预应力等方面的内容。在预制节段拼装桥梁结构中，其接缝处无普通钢筋穿过，抗弯能力只能依靠预应力钢索，通过配置体外预应力对结构力学性能进行改变，并且在计算时要考虑节间缝强度折减。对于大跨径桥梁来说，在节段拼装桥梁设置体外预应力束时要注意设计应力限值。节段预制拼装预应力混凝土上部结构构件应按全预应力混凝土设计;节段预制拼装预应力混凝土下部结构构件可根据桥梁使用和所处环境的要求，按全预应力混凝土设计或控制的正截面边缘拉应力受限的A类部分预应力混凝土设计。节段预制拼裝预应力混凝土构件应按下列规定进行正截面和斜截面抗裂验算：
1）构件正截面混凝土的拉应力应满足下列抗裂要求
全预应力混凝土构件的接缝截面，在作用效应频遇组合下：
2）构件斜截面混凝土的主拉应力应满足下列抗裂要求
全预应力混凝土构件的接缝位置，在作用效应频遇组合下：
2 节段预制拼装桥梁中体外预应力关键技术
2.1 体外预应力体系设计
体外索配置在结构外部能够有效降低混凝土结构截面尺寸，对于跨径较大的节段拼装桥梁来说，其纵向预应力多采用体内与体外相结合的体系承担活载。体外预应力体系应包括体外预应力钢束、锚固系统、转向装置及减振装置4个部分。体外预应力混凝土桥梁应留有供体外预应力系统维护、更换的空间和设备进出的通道。体外预应力混凝土桥梁应根据施工方法、结构的设计使用年限、所处的环境类别，来选定体内、体外预应力钢束的比例，并采取体外预应力钢索的防腐蚀措施。
2.2 体外预应力转向块受力计算
转向构造应根据可能出现的开裂面，进行钢筋（拉杆）承载力计算和开裂面抗剪承载力计算。
1）体外预应力钢筋的转向块采用拉杆压杆模型计算时，内环筋（拉杆）的抗拉承载力计算应为：
式中，γ0为结构重要性系数，取1.1;Nd为竖向拉力的组合设计值;fs为内环筋的抗拉强度，取抗拉强度设计值的0.6倍;As为内环筋的截面面积。
2）体外预应力钢筋转向块的可能开裂面应作为剪切面进行抗剪承载力计算，并符合下列规定：
式中，γ0为结构重要性系数，取1.1;Vd为可能开裂面剪力的组合设计值;c为黏结力系数，与梁体一起浇筑的转向块取1.0MPa，界面粗糙处理后二次浇筑的转向块取0.7MPa;Acv为可能开裂面的截面面积;μ为界面摩擦系数，与梁体整体浇筑的转向块取1.4，界面粗糙处理后二次浇筑的转向块取1.0;fsk为穿过可能开裂面钢筋的抗拉强度标准值;Asv为穿过可能开裂面钢筋的截面面积。
2.3 体外预应力钢束的减振与防腐
要做好体外索设计，必须考虑其体外钢束自由段的振动影响。由于车辆荷载会引起梁体结构和体外预应力索体产生振动，在索体适当的位置上安装减振装置，使索体自由段的振动区间变短并给索体适当减振，以避免索体产生有害振动。减振装置先与索体紧固在一起，再与梁体可靠连接。当体外预应力钢筋的自由长度不宜大于8.0m，自由段与相接锚固段宜设置转角。体外索自由段索体与梁体的竖向自振频率（基频）之比小于5时，应设置减振装置。
体外预应力具有可检测、可调整、可更换的特点，是保证配索体系结构耐久性、可靠性的重要基础，但是，仍然要重视体外索防腐设计工作。体外索可采用环氧钢绞线，并用油脂、PE套提供第二和第三层防腐层，还可增加HDPE外护套管，构筑第四层防护层。
3 结语
桥梁节段预制拼装技术具有工艺成熟、占地较少、施工效率高、控制精度高的特点，在城市桥梁工程建设当中应用较为广泛。在技术设计研究过程中把握好各部分结构的受力特点及设计施工技术是关键，要充分重视结构间接缝与预应力体系的耐久性问题，及时处理各类常见通病，为城市桥梁发展打下良好基础。
参考文献：
[1] 罗明.节段预制拼装桥梁耐久性设计要点研究[J].铁道工程学报，2012（2）：46-49.
[2] 李平杰，黄国忠，戴宇文.预制节段拼装连续梁桥设计要点和施工关键技术[J].铁道建筑技术，2006（5）：54-55.
（作者单位：天津天工开物路桥设计咨询有限公司）
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