逐孔施工節(jié)段拼裝混凝土箱梁設(shè)計方案對比研究

彭李立

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東廣州 510507）

1 概述

預(yù)制節(jié)段拼裝箱梁具有交通環(huán)境適應(yīng)能力強、施工快捷、施工質(zhì)量容易保證等諸多優(yōu)點。隨著近年來體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平的提高，預(yù)制節(jié)段拼裝混凝土箱梁技術(shù)在我國得到了成功的運用及推廣。如上海長江大橋、蘇通長江大橋、崇啟長江大橋等重大工程均采用了節(jié)段拼裝混凝土箱梁。

節(jié)段拼裝施工箱梁預(yù)應(yīng)力體系一般采用體外或體內(nèi)外混合配束的方法。目前，國內(nèi)項目一般偏向于采用體內(nèi)外混合配束方法。根據(jù)體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力張拉順序不同，逐孔節(jié)段拼裝箱梁混合配束設(shè)計又分為先體內(nèi)后體外預(yù)應(yīng)力方案（后述方案一）及先體外后體內(nèi)預(yù)應(yīng)力方案（后述方案二）兩種，前者先張拉體外預(yù)應(yīng)力束后張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，后者反之。本文就以上兩種不同配束設(shè)計方案進行研究探討。

2 施工順序

方案一采用先簡支后連續(xù)施工方法。首先通過架橋機逐孔吊裝形成多跨簡支梁。一孔預(yù)制箱梁吊裝完成后，張拉該孔體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束。為減少施工便道工程量，前孔箱梁施工完成后，運梁車從前孔已施工箱梁形成的運梁通道向后孔喂梁。因此后孔箱梁的施工需等待前孔箱梁已具備一定承載力情況下，才能開始施工。后孔箱梁吊裝在前孔箱梁預(yù)應(yīng)力灌漿完成并達到養(yǎng)護標(biāo)準后開始。一聯(lián)箱梁預(yù)制節(jié)段吊裝施工完成后，現(xiàn)澆墩頂現(xiàn)澆段，張拉墩頂預(yù)應(yīng)力鋼束，達到體系轉(zhuǎn)換，形成多跨連續(xù)梁。最后在二期鋪裝施工前，張拉一聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力束，一聯(lián)施工完成。

方案二采用連續(xù)逐跨施工方法。此種設(shè)計方案不設(shè)置墩頂現(xiàn)澆節(jié)段，僅每跨設(shè)置15～20 cm濕接縫段用于調(diào)整施工偏差。造橋機施工期間將架滿的一孔梁通過與墩頂塊交叉預(yù)應(yīng)力作用形成連續(xù)梁。一孔箱梁預(yù)制節(jié)段吊裝就位完畢后，張拉該孔箱梁體外預(yù)應(yīng)力，一聯(lián)預(yù)制箱梁施工完成后，張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束。限于吊裝能力的控制，墩頂段一般分為兩部分，預(yù)制部分及后澆部分。橋墩施工完成后，首先通過架橋機先期吊裝墩頂節(jié)段，并澆筑后澆混凝土，以減少墩頂后澆部分澆筑養(yǎng)護對施工工期的影響。墩頂段達到受力要求后，開始每孔箱梁吊裝。

先簡支后連續(xù)施工方法優(yōu)點是保留了簡支預(yù)制的所有優(yōu)點，缺點是其施工期間需在墩頂附近設(shè)置臨時支承，設(shè)置運梁車臨時過孔設(shè)施等。同時其墩頂現(xiàn)澆段現(xiàn)場立模澆注難度較大，質(zhì)量不易得到保證。連續(xù)逐跨施工方法則省去了墩頂現(xiàn)澆段立模、臨時制作、體系轉(zhuǎn)換等工作，同時節(jié)省了體內(nèi)束灌漿養(yǎng)護時間，施工速度快。但其結(jié)構(gòu)受力與預(yù)應(yīng)力布束卻較簡支變連續(xù)復(fù)雜。圖1和圖2分別為兩種設(shè)計方案施工過程示意圖。

圖1 先體內(nèi)后體外預(yù)應(yīng)力方案施工過程示意

圖2 先體外后體內(nèi)預(yù)應(yīng)力方案施工過程示意

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 方案一

由于施工過程中結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的原因，逐孔施工節(jié)段拼裝混凝土箱梁呈先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的受力狀態(tài)。簡支狀態(tài)時，僅張拉體內(nèi)束。體內(nèi)束由恒載及施工活載控制設(shè)計。隨著墩頂段施工及體外連續(xù)力束的施加，結(jié)構(gòu)由簡支轉(zhuǎn)化為連續(xù)。體外預(yù)應(yīng)力束主要用于承受二期恒載及活載。

由于先體內(nèi)后體外施工方案采用先簡支后連續(xù)施工方案。因此其恒載內(nèi)力比較接近于簡支梁受力。預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力較小，負彎矩也相對較小。方案一對于小跨徑梁比較占優(yōu)勢?？鐝皆黾訒r，跨中恒載彎矩增加較快，方案一不具優(yōu)勢。

3.2 方案二

為了減少體外束形式的復(fù)雜性，方案二體內(nèi)束僅用于調(diào)整跨中承載能力不足，及優(yōu)化支點附近應(yīng)力狀態(tài)。恒載、施工荷載、二期恒載及活載全部由體外束來承受。

方案二采用連續(xù)逐跨施工方法，結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梁受力狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力較大，相對預(yù)應(yīng)力效率較低。同時邊跨箱梁施工時，由于沒有中跨箱梁壓重，邊跨箱梁恒載作用下還是接近于簡支梁受力。因此邊中跨箱梁受力差別較大，增加了設(shè)計復(fù)雜性。

3.3 體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力束比率

一般公路橋梁恒載與活載比率約為7/3～8/2，恒載比重較大。方案一體內(nèi)束主要用于承受恒載，體外束用于承受二期恒載和活載，方案一體內(nèi)束用量較多。而方案二兩種類型預(yù)應(yīng)力所發(fā)揮作用則完全相反。因此從結(jié)構(gòu)受力上看，兩種設(shè)計方案體內(nèi)外束比率完全相反。前者體內(nèi)束占較大比重，后者則體外束比重較大。

體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的粘結(jié)力對混凝土的應(yīng)變起限制作用，體內(nèi)外束比率越大，梁體剛度越大。所以對于節(jié)段拼裝軌道交通橋梁來說，由于其對橋梁位移要求較為嚴格，一般采用全體內(nèi)預(yù)應(yīng)力。如廣州地鐵四號線節(jié)段拼裝梁采用純體內(nèi)預(yù)應(yīng)力設(shè)計[1]。

體內(nèi)外束比率大小對節(jié)段拼裝梁破壞形態(tài)有較大影響。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束由于粘結(jié)力的存在，造成體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束在張開的接縫處產(chǎn)生應(yīng)變集中，隨著裂縫的開展，體內(nèi)束在接縫處的應(yīng)力急劇增加，最終發(fā)生拉斷。因此體內(nèi)預(yù)應(yīng)力適筋梁容易發(fā)生脆性破壞。而體外預(yù)應(yīng)力梁，由于預(yù)應(yīng)力束與混凝土梁體之間可產(chǎn)生相對移動，體外預(yù)應(yīng)力束與梁截面變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)變增加值可以在體外預(yù)應(yīng)力鋼束全長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。即使在主梁破壞階段，體外預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)變增加不大。只要體外預(yù)應(yīng)力鋼束配置合理，主梁在破壞階段僅發(fā)生混凝土開裂和壓區(qū)破壞，不會發(fā)生體外預(yù)應(yīng)力鋼束的拉斷。破壞后的混凝土與體外預(yù)應(yīng)力鋼束之間形成了一個新的受力平衡體系，產(chǎn)生的撓度很大，不會發(fā)生梁的突然斷裂。因此體外預(yù)應(yīng)力梁破壞狀態(tài)一般為塑性破壞。采用合適的體內(nèi)外束比率，使主梁剛度及主梁破壞形態(tài)控制在合理范圍內(nèi)。美國加利福利亞大學(xué)關(guān)于“預(yù)制節(jié)段橋梁上部結(jié)構(gòu)抗震性能”試驗得出結(jié)論，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁及50%體內(nèi)和50%體外預(yù)應(yīng)力的混合配束節(jié)段梁由于混凝土壓碎而發(fā)生脆性破壞[2]。兩種設(shè)計由于體內(nèi)外束比率差別較大，最終破壞形態(tài)存在較大差別。

3.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

配置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力梁腹板考慮預(yù)應(yīng)力孔道影響需要加厚。而體外預(yù)應(yīng)力束置于截面外部雖然腹板不需加厚，但其作用力臂減小，需要增加箱梁高度。從節(jié)省材料角度講，兩種設(shè)計方案差別不大。但應(yīng)注意，目前國內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力鋼束整體價格比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束高出1～2倍，所以增加體外束用量會增加工程造價[2]。同時過多的體外束，其體外束轉(zhuǎn)向塊、錨固塊設(shè)計較為困難。特別在端橫梁位置，由于體外束的錨固作用，橫梁端面在頂?shù)装宓闹巫饔孟庐a(chǎn)生巨大的拉力[3]，給設(shè)計增加了不少難度。

4 設(shè)計方案比選示例

某8車道5×45 m節(jié)段拼裝箱梁兩種不同配束方案下設(shè)計比選見表1。先體內(nèi)后體外預(yù)應(yīng)力方案荷載彎矩見圖3，先體外后體內(nèi)預(yù)應(yīng)力方案荷載彎矩見圖4。

表1 兩種設(shè)計方案計算結(jié)果對比

圖3 先體內(nèi)后體外預(yù)應(yīng)力方案荷載彎矩圖

圖4 先體外后體內(nèi)預(yù)應(yīng)力方案荷載彎矩圖

從表1可以看出，從施工工期和施工復(fù)雜性角度講，方案二優(yōu)于先體內(nèi)后體外預(yù)應(yīng)力方案。方案一恒載作用下接近于簡支梁受力。跨中恒載正彎矩占較大比重，次內(nèi)力較小。方案二恒載作用下即為連續(xù)梁受力模式，跨中恒載正彎矩較小，但次內(nèi)力較大（超過了恒載正彎矩）。由于正負彎矩的同時作用加上次內(nèi)力較大，且邊中跨受力差別較大，方案二主梁受力和預(yù)應(yīng)力配束上均較為復(fù)雜。同時體外束占比例較大，會增加工程造價。該項目結(jié)合工程項目特點及同類工程經(jīng)驗，最終選用方案二。

5 結(jié)論

本文從施工過程及結(jié)構(gòu)受力角度討論了兩種不同預(yù)應(yīng)力配束方案的逐孔施工節(jié)段拼裝連續(xù)箱梁的優(yōu)缺點。兩種配束方案主要差別在于施工工期、施工復(fù)雜程度、體內(nèi)外束比率差別引起的結(jié)構(gòu)受力及工程造價等方面差別。設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合工程實際需要綜合比選，采用合適的方案。

[1]申兆繁.廣州地鐵4號線節(jié)段拼裝梁設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準設(shè)計,2008(8):45-49.

[2]何維利.城市橋梁預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)研究[A].中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會2005年全國橋梁學(xué)術(shù)論文集[C].2005,670-678.

[3]彭德運,吳艷麗,朱穎.節(jié)段預(yù)制逐跨拼裝連續(xù)梁橋的設(shè)計與施工[J].公路,2012(3):5-9.