逐跨拼裝節(jié)段預制技術在橋梁施工中的應用

【摘 要】本文結合一座6×50m跨徑連續(xù)梁橋的設計，探討節(jié)段預制、架橋機逐跨拼裝的預應力混凝土連續(xù)梁橋的設計和施工的有關技術問題。

【關鍵詞】逐跨拼裝；節(jié)段預制；連續(xù)梁；設計；施工

引言

近年來，隨著對混凝土內在和外在質量的要求越來越高，在國外廣泛應用的節(jié)段預制逐跨拼裝施工技術越來越受到重視，逐漸在各類預應力混凝土連續(xù)梁橋得到應用。設計與施工的標準化，施工速度的快捷，特別是預制安裝施工方法和體外預應力技術的完美結合，是其突出的特點。隨著體外預應力技術的不斷進步，國內也逐漸開始采用這項技術。

1 設計關鍵技術

1.1 結構設計

某橋一聯(lián)6×50 m，采用“體內+體外”預應力混凝土等高度連續(xù)箱梁。箱梁上緣梁寬15.8 m，下緣梁寬7.2 m，梁高3 m，高跨比為1/16.67；頂板厚0.28 m，底板 厚為0.25～0.65 m，腹 板 厚0.4～0.70 m；翼緣板端部厚0.2 m，根部厚0.55 m。除在墩頂設2.5 m厚中橫梁，梁端設2.4 m厚端橫梁，其余部位均不設橫隔梁。

箱梁節(jié)段采用短線匹配法預制、架橋機逐孔拼裝工法進行施工，梁 段長2.2 m、3.0 m、3.4 m、3.85 m不等，接縫采用環(huán)氧樹脂密復式剪力鍵齒，轉向塊采用橫梁式，每跨設置15 cm濕接縫。

箱梁為三向預應力混凝土結構，主梁除布置縱向預應力束外，在橋面板內設有橫向預應力束，在端橫梁設置豎向預應力粗鋼筋。箱梁墩頂及跨中體內鋼束采用每束15 15.24，控制張拉應力0.72 =1 339.2 MPa，箱梁體外鋼束采用每束27 15.24，控制張拉應力0.65 =1 209 MPa。端橫梁設置豎向預應力粗鋼筋，每根張拉控制應力0.9 fpk=837 MPa。箱梁縱向預應力鋼束除部分首跨鋼束采用單端張拉外，余均采用兩端整束張拉。預應力鋼束布置如圖1所示。

圖1 預應力鋼束布置

上部結構采用節(jié)段預制、架橋機逐跨拼裝工法進行施工，箱梁為預制結構，采用密齒型剪力鍵，環(huán)氧樹脂接縫，轉向塊采用橫肋式結構。全橋共1 820塊梁段，塊件長：2.2 m/3.0 m/3.4 m/3.85 m，自重：90～220t，每跨設2道15 cm濕接縫。

結合施工工藝，體外預應力承擔施工階段全部結構恒載受力。由于體外預應力極限應力低，以及體外預應力鋼束偏心距小，為了滿足承載能力極限狀態(tài)下的力學性能，在腹板內配置了部分體內預應力。在結構構造允許的條件下，設計中應盡量多地采用耐久性好的體外預應力。

1.2 橫梁錨固計算

體外預應力混凝土連續(xù)梁橫梁及轉向構造是其兩個關鍵受力構件，結構構造及受力情況復雜。橫梁梁高3 m，梁段頂板厚28 cm，底板厚65 cm，腹板厚70 cm，端橫梁厚2.3 m，橫梁上開人孔，人孔尺寸1.2 m×0.8 m。體外索錨固于橫梁上，錨墊板間距60 cm。端橫梁內側會出現(xiàn)較大拉應力。

采用空間有限元程序Ansys對橫梁進行受力分析，采用的梁段模型寬15.8 m，體外索索力按照張拉控制應力0.65 =1 209 MPa進行計算，體外束對橫梁的縱向作用力均勻作用于錨墊板上。

計算分析顯示，在體外束作用下，端橫梁內側截面雙向受拉，類似于由頂底板和腹板四邊支撐的梁—體受力。端橫梁內側拉應力范圍4～8 MPa。僅靠配置普通鋼筋配筋太密無法滿足施工要求。設計采用了豎向預應力粗鋼筋方案，在距離內側18.2 cm和33.2 cm處布置了2排直徑32 mm的精軋螺紋粗鋼筋，每排共20根。在增加了豎向預應力后，主拉應力明顯減小，配筋量大幅下降。

中橫梁厚2.5 m，中橫梁上體外預應力短束（單跨錨固）為交叉錨固，成橋階段相互平衡，不會引起中橫梁受拉，但在一跨梁段架設完成以后進行預應力張拉時（施工階段），仍受到單邊預應力錨固力，需對該工況進行受力核算。

1.3 跨中轉向結構設計

體外預應力采用橫肋式跨中轉向結構，每跨布置4道。橫肋式轉向結構將體外預應力鋼束的轉向力傳遞至剛度較大的頂板加腋，從而轉至整個結構一起承擔。預應力線形布置順暢，設計施工都很便利。體外預應力轉向塊處梁高3 m，梁段頂板厚28 cm，底板厚25 cm，腹板厚40 cm，轉向肋板上段厚60 cm，下段厚100 cm，轉向管道位置開孔。

采用空間有限元程序Ansys對轉向構造進行受力分析，采用的梁段模型寬15.8 m，體外預應力按照張拉控制應力0.65 =1 209 MPa進行計算，體外索對轉向塊豎向作用力根據體外索實際轉角進行計算。轉向塊壓應力高應力區(qū)主要集中在轉向塊底部加寬區(qū)孔道上緣和轉向塊與加寬區(qū)連接處，最大值-5.7 MPa。拉應力高應力區(qū)主要集中在轉向塊底部加寬區(qū)孔道下方及管道之間，除局部應力集中外，應力范圍1～4 MPa。

1.4 體外預應力技術

體外預應力具有簡單的力筋布置，防護不依賴于灌漿質量，在腹板中省去了管道又可改善澆筑混凝土的條件。最為重要的是，體外束能夠方便地進行檢測和更換，并能隨時對結構進行簡便地加固。

為了更大限度地加快施工進度，經常采用全體外預應力體系或僅使用少量的體內預應力鋼束，如圖2所示。當整跨所有預制節(jié)段在架橋機上安裝調位結束后，即可施加體外預應力鋼束，形成一整跨的整體結構，架橋機即可前移進行下一跨的施工。

圖2 體外預應力體系

體外預應力體系應滿足單根更換要求，設計使用壽命不小于30年，采用兩層以上（如環(huán)氧+PE）防護體系。張拉端和錨固端鋼絞線需采取特殊的防護組件，通過防護帽、密封器將剝去PE保護層的錨固段鋼絞線完全保護起來，通過灌注油脂將錨具、夾片、鋼絞線全面地浸泡在油脂之中。

1.5 構造設計

對于節(jié)段預制逐跨拼裝施工連續(xù)梁橋，要想真正發(fā)揮這種結構的優(yōu)越性、提高結構的耐久性，必須在構造設計過程中注意細節(jié)上的處理，比如結構構造尺寸、合龍段現(xiàn)澆施工縫的寬度、剪力鍵形式、施工臨時預應力的構造措施、轉向塊設置等等。選擇合理的構造非常重要。

1.5.1 構造尺寸

為便于節(jié)段的工廠預制，減少模板種類，降低設備投入，提高工效，在進行結構構造尺寸的確定時，特別對于采用短線匹配法施工的橋梁，應遵循結構對稱、尺寸模數化、尺寸變化少的原則。現(xiàn)澆濕接縫的寬度宜在15～20 cm，寬度太大則不宜采用素混凝土，需設置鋼筋；寬度太小，則不利于混凝土澆筑、振搗。

1.5.2 剪力鍵

剪力鍵是節(jié)段間傳遞剪力、便于施工定位、保證節(jié)段匹配的重要構造措施。一般設在箱梁底板、腹板和頂板上。對于懸臂較寬的箱梁，翼板部分也需設置。剪力鍵的構造尺寸、設置的數量、位置受多種因素的影響。以往早期的預制結構常采用單鍵結構，近年嚙合密齒剪力鍵應用較多。密齒剪力鍵一般在4 cm厚左右，太小則不利于混凝土粗骨料澆筑；太大不便于節(jié)段表面鋼筋布置。剪力鍵一般采用鈍角邊棱，以利于脫模，減少碰損。

1.5.3 接縫形式

接縫一般分干接縫和濕接縫。節(jié)段間沒有填充物，混凝土預制節(jié)段端面直接相貼的接縫為干接縫，干接縫靠剪力鍵傳遞剪力。節(jié)段間采用現(xiàn)澆混凝土或環(huán)氧樹脂接縫填涂的為濕接縫。早期采用的預制節(jié)段安裝結構，依賴接縫間的環(huán)氧樹脂傳遞剪力，對環(huán)氧樹脂的要求較高，而現(xiàn)場施工環(huán)氧樹脂的配比及工序參差不齊，故可靠性較難以保證。為了改善這種狀況，從20世紀80年代初期開始，工程師們逐漸消除了環(huán)氧樹脂承擔傳遞剪力的結構功能，采用環(huán)氧樹脂濕接縫主要發(fā)揮其對體內預應力束的防腐功能，確保密齒剪力鍵及節(jié)段端面可以均勻、密貼接觸。環(huán)氧樹脂的涂層厚度一般在幾個毫米，其黏結性能、強度指標、固化時間及耐久性等對于橋梁結構的性能影響很大。

1.5.4 濕接縫臨時壓應力

環(huán)氧樹脂接縫施工期間應張拉臨時預應力筋，保證縫隙間壓應力不小于0.3 MPa至環(huán)氧樹脂固化為止，再張拉相應永久預應力懸拼鋼束并灌漿。可以通過在節(jié)段上澆筑混凝土齒坎或埋置鋼齒坎，張拉直螺紋鋼筋來施加臨時預應力。也有通過大型鋼構架作用在整個箱梁截面上來施加臨時預應力。應注意截面應力的均勻，注意預留、預埋構造的設計。

1.5.5 轉向塊

轉向塊一般采用二次澆筑，體外預應力鋼束轉向器在二次澆筑過程中安裝。因此轉向塊設計時轉向肋板上段與下段之間設置倒角以便于拆模，轉向塊配筋應與轉向器協(xié)調。

2 施工方案

2.1 節(jié)段預制

（1）箱梁節(jié)段預制采用短線法，根據預制場地情況和工期安排，確定底模數量。塊件預制采用連續(xù)澆注法，即依次澆注相鄰塊件，已澆好的塊件為相鄰澆注塊件的端模。

（2）底模應考慮設置為可調整標高，以適應橋面豎曲線的變化。

（3）接縫采用環(huán)氧樹脂密復式剪力鍵齒槽。

（4）預制箱梁節(jié)段時，接縫間必須滿涂隔離劑，以利于節(jié)段脫離。

（5）節(jié)段預制應注意設置支座預埋件、伸縮縫預埋件、護欄錨固鋼筋及其他附屬設施的預埋。

（6）節(jié)段預制時應注意預留預埋體內預應力管道、節(jié)段臨時預應力錨固齒坎及吊點等孔洞。

（7）轉向塊和墩頂橫梁節(jié)段預制必須按設計要求預埋梳束器和鋼管。

（8）混凝土澆筑前應仔細檢查保護層墊塊的位置、數量和緊固程度。綁扎墊塊和鋼筋的鐵絲頭不得伸入保護層內。為保證鋼筋定位準確，宜采用定型生產的纖維砂漿墊塊。

（9）預制節(jié)段應注意模板表面處理。混凝土澆筑完畢，應采取可靠措施及時予以養(yǎng)護，避免水分的蒸發(fā)，以確保質量。

（10）預制節(jié)段的存梁期應在3個月以上。

2.2 逐跨拼裝施工

運送至橋位處，采用架橋機整跨拼裝，逐孔架設主梁，架橋機采用可以后部喂梁設計，兼顧無法采用運梁船運梁區(qū)段。

2.2.1 拼裝施工流程

（1）利用浮吊吊裝N1、N2號墩頂0號預制節(jié)段就位并臨時錨固，在橋位處利用駁船分節(jié)段拼裝架橋機，利用浮吊吊裝架橋機就位，支撐于N1、N2號墩頂0號預制節(jié)段。

（2）船運預制節(jié)段至現(xiàn)場，架橋機依次吊起整跨全部節(jié)段上下密排吊掛在導梁的右半跨，調整標高，自右向左逐節(jié)段試拼；自N1號墩開始自左向右逐塊調整就位并將接縫間滿涂環(huán)氧樹脂，張拉臨時預應力筋，保證接縫間壓應力不小于0.3 MPa至環(huán)氧樹脂固化。

（3）安裝濕接縫段臨時定位裝置，澆注濕接縫混凝土，待其強度達到設計強度等級的90%時張拉體外預應力，放松臨時預應力，調整吊桿逐步落梁，解除N1號墩頂臨時錨固裝置。

（4）浮吊吊裝N3號墩頂0號預制節(jié)段并臨時錨固，架橋機過孔，前支腿位于N3號墩頂，后支腿位于N2號墩頂，按（2）、（3）步驟架設該跨節(jié)段。

（5）按以上步驟施工至第一聯(lián)最后一孔邊跨，完成一聯(lián)箱梁施工，張拉一聯(lián)內體內預應力。以上步驟適用于水上施工。

（6）架橋機移至下-聯(lián)，進行下一聯(lián)施工，直到該幅橋梁施工完成后，架橋機利用已建成橋梁退回至N1號墩頂，利用橫移裝置，架橋機橫移至另外半幅箱梁，進行施工。施工完成后，拆除架橋機。

（7）待架橋機移走后，即可進行橋面系的施工，如圖3所示。

圖3 架橋機整跨吊掛

2.2.2 拼裝施工要點

1.匹配面涂環(huán)氧樹脂作為黏結劑，環(huán)氧樹脂黏結劑的配合比、配制方法、物理力學性能以及固化時間等應由施工單位根據不同的溫度等作業(yè)條件做相關試驗后確定。要注意膠結強度不低于C55混凝土的相應指標，初步固化時間應大于2h，并在24h內完全固化達到膠結強度，確保涂膠、加壓等工序在固化前完成，膠層要均勻，厚度控制在2～3 mm，可利用膠層上下厚度不一或設置墊片等措施調整拼裝時的線形誤差。

（2）體內預應力管道采用預埋塑料波紋管成孔，在拼接時需妥善處理孔口，可粘貼一塊厚約10 mm的經環(huán)氧樹脂浸泡過的海綿墊圈或其他可靠措施，以防止壓漿時漏漿及匹配面處串孔、堵孔現(xiàn)象。

（3）濕接縫段采用定位裝置將兩側梁段連接后進行澆筑。焊接定位裝置時在預埋件周邊混凝土上遮蓋濕布或濕麻袋澆水降溫，避免燒傷混凝土。

（4）墩梁臨時固結體系及體系轉換施工。架橋機移動就位前，首先應鎖定墩頂支座，使其暫時成為固定支座，并在順橋向支座兩側設置砂筒和U形預應力進行墩梁臨時固結，以保證架橋機的穩(wěn)定，施工單位應根據架橋機等施工設備及操作情況進行墩梁臨時固結設計。

位于臨時錨固砂筒底面的墩頂以及與箱梁接觸的墊塊頂面，必須抹漿刮平，并注意縱坡影響，以確保砂筒與箱梁底面密貼。

3 結語

這種類型的結構受架橋機承載能力的影響，單跨跨度一般不超過50 m，它具有施工速度快、施工簡易、施工質量易于控制的優(yōu)點。同時，由于預制塊件小、容易運輸，施工時對周圍環(huán)境影響小，對于長大跨徑江河橋梁引橋、城市高架橋等工程，具有很好的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]徐棟.橋梁體外預應力設計技術[m].北京：人民交通出版社，2008.