重慶華巖隧道西延伸段全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段箱梁的設(shè)計(jì)與施工

杜春林，吳世曾，孫 林

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶市 400020）

1 工程概況

華巖隧道西延伸段是重慶快速路二聯(lián)絡(luò)線的一部分，快速路二聯(lián)絡(luò)線西起于繞城高速，向東延伸，穿華巖隧道以后，終點(diǎn)接入快速路三縱線。華巖隧道西延伸段是形成重慶主城城市快速路網(wǎng)體系和完善片區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。主線高架橋起點(diǎn)樁號(hào)為K5+725.596，終點(diǎn)樁號(hào)為K7+457.722，主線高架橋全長(zhǎng)1731.77 m，標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)挒?5.0 m，分左右兩幅，兩幅橋中間設(shè)置隔離欄。其中第三至八、十一至十四聯(lián)為節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁，有3×30 m一聯(lián)和4×30 m一聯(lián)兩種類型，其余聯(lián)采用現(xiàn)澆箱梁[1]。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：城市主干道；

橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100 a；

設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1；

設(shè)計(jì)荷載：城—A級(jí)；

橋下凈空：不小于4.5 m；

地震基本烈度：6度，按7度構(gòu)造設(shè)防；

地震動(dòng)加速度峰值：0.05g；

抗震設(shè)防類別：C類；

環(huán)境類別：Ⅰ類環(huán)境；

主梁混凝土澆筑溫度：17℃～25℃；

均勻溫變荷載：按照升降溫25℃考慮。

3 節(jié)段箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)段劃分和截面設(shè)計(jì)

單跨分為A～J共10個(gè)節(jié)段，節(jié)段劃分見圖1，尺寸參數(shù)見表1。主梁采用C50混凝土。

圖1 箱梁首跨縱向節(jié)段劃分（單位：cm）

表1箱梁首跨節(jié)段劃分參數(shù)表

標(biāo)準(zhǔn)段箱梁采用單箱單室截面（見圖2），混凝土箱梁頂板寬為12.15 m，底板寬6.15 m，梁高2.0 m，懸臂3.0 m；主梁頂板厚22cm，底板厚25 cm，跨中截面腹板厚35 cm，腹板厚度由跨中向支點(diǎn)漸變2次，分別為由35 cm漸變?yōu)?6 cm，再由56 cm漸變?yōu)?0 cm，為方便施工，腹板漸變采用臺(tái)階狀漸變方式。

圖2 箱梁跨中標(biāo)準(zhǔn)段斷面（單位：cm）

3.2 剪力鍵

剪力鍵的主要作用是在節(jié)段拼裝時(shí)協(xié)助鑲嵌對(duì)接定位，在成橋后傳遞接縫截面的剪力。剪力鍵由最初的大尺寸單齒鍵模式逐漸發(fā)展到在箱梁截面的各個(gè)部分分散設(shè)置多個(gè)較小尺寸的剪力鍵模式（即密齒型剪力鍵）。本項(xiàng)目采用在腹板、頂板、底板及腹板與頂?shù)装褰Y(jié)合區(qū)均設(shè)置剪力鍵的密齒型剪力鍵布置方式，剪力鍵在各部位均勻布置。剪力鍵設(shè)置為凹凸密接的棱臺(tái)狀，該形狀可方便預(yù)制時(shí)脫模、拼接時(shí)鑲嵌對(duì)接以及擠出多余的環(huán)氧膠（膠接縫）[2-3]。

腹板剪力鍵：每個(gè)腹板布置7個(gè)剪力鍵，剪力鍵的高度（鍵齒厚度）為40 mm，剪力鍵的高度與平均寬度的比為0.53，截面編號(hào)1、2、3截面（見圖3）的剪力鍵寬度占腹板寬度的比例分別為85%、90.625%、85%。，剪力鍵的豎向間距為150 mm，為剪力鍵高度的3.75倍。

圖3 2號(hào)截面剪力鍵布置圖（單位：mm）

3.3 體外預(yù)應(yīng)力鋼束

3.3.1預(yù)應(yīng)力鋼束選擇

節(jié)段箱梁主梁按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用填充型環(huán)氧涂層鋼絞線。腹板鋼束采用15-27和15-31兩種，負(fù)彎矩鋼束采用15-19，抗拉強(qiáng)度f(wàn)pk=1860 MPa，根據(jù)受力需要，張拉控制應(yīng)力采用0.7 fpk和0.6 fpk兩種，即1302 MPa和1116 MPa，張拉方式采用單端張拉。體外預(yù)應(yīng)力采用單跨錨固，在中橫梁處交叉錨固，錨具采用專用錨具。

3.3.2 全體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

（1）由于在箱梁腹板內(nèi)不設(shè)預(yù)應(yīng)力管道，同時(shí)體外索又能抵抗腹板的剪力，因而腹板厚度可以得到有效減小，上部結(jié)構(gòu)自重也會(huì)隨著減輕，相應(yīng)地則可減少下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量，可適當(dāng)降低造價(jià)。同時(shí)截面尺寸減小，可相應(yīng)提高箱梁的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，提高鋼束使用效率。

（2）體外索僅在錨固區(qū)和轉(zhuǎn)向塊處與結(jié)構(gòu)相連，摩阻損失可以明顯減小，提高了預(yù)應(yīng)力的效益。

（3）箱梁體內(nèi)不設(shè)置體外索，使普通鋼筋布置容易，因而使施工工藝簡(jiǎn)化，提高工作效率，并提高工程質(zhì)量。

（4）不存在灌漿施工工序，有效縮短施工工期。

（5）相比體內(nèi)索，體外索不存在接縫漏漿或灌漿不飽滿從而影響體內(nèi)鋼束耐久性的問(wèn)題，并且體外索后期可調(diào)可換，可有效改善后期由長(zhǎng)期收縮徐變產(chǎn)生的下?lián)?，提高箱梁耐久性?/p>

3.4 轉(zhuǎn)向塊

體外預(yù)應(yīng)力鋼束的轉(zhuǎn)向構(gòu)造分為塊式、橫肋式、豎肋式和橫梁式[2-4]。本項(xiàng)目采用豎肋式轉(zhuǎn)向塊，一跨內(nèi)設(shè)置2個(gè)轉(zhuǎn)向塊，根據(jù)實(shí)際受力確定轉(zhuǎn)向塊的布置位置，最終確定邊跨兩轉(zhuǎn)向塊間距為12.5 m（見圖4），中跨兩個(gè)轉(zhuǎn)向塊距離該跨跨中均為5 m。轉(zhuǎn)向塊底部設(shè)置了圍繞轉(zhuǎn)向器的加強(qiáng)環(huán)箍，箍筋縱向間距為10 cm（見圖5）。

圖4 轉(zhuǎn)向塊處梁段基本尺寸（單位：cm）

圖5 轉(zhuǎn)向塊環(huán)形箍筋

3.5 錨固橫梁和錨固齒塊

本項(xiàng)目采用的體外預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造主要有錨固橫梁及錨固齒板兩種方式，見圖6。

圖6 錨固構(gòu)造示意

端橫梁錨固塊及負(fù)彎矩齒板錨固塊尺寸分別見圖7、圖8。其中，端橫梁厚度為1.5 m，中橫梁厚度為1.8 m。

圖7 端橫梁錨固區(qū)（單位：cm）

圖8 齒板錨固區(qū)（單位：cm）

3.6 接縫

節(jié)段梁的接縫有膠接縫、干接縫及濕接縫三種。干接縫施工較方便。相比干接縫，膠接縫節(jié)段梁具有承載能力極限狀態(tài)性能較好、正常使用階段接縫受力較均勻，接縫抗環(huán)境和化學(xué)作用耐久性較好的特點(diǎn)。本項(xiàng)目采用膠接縫和濕接縫兩種接縫類型。膠接縫為雙面涂膠，每面環(huán)氧樹脂厚度為2 mm。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容

目前國(guó)內(nèi)還沒有正式的針對(duì)城市節(jié)段拼裝箱梁的設(shè)計(jì)規(guī)范，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)以普通預(yù)應(yīng)力橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范為基本依據(jù)，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料進(jìn)行計(jì)算。參考的主要規(guī)范有：美國(guó)AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)性規(guī)范》（1999）、《公路體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)指南》（送審稿）和《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 111—2006）等。

本項(xiàng)目在總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了橋梁整體計(jì)算分析和局部實(shí)體有限元分析，整體計(jì)算主要包括持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算以及持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算等，局部分析主要是圍繞剪力鍵、錨固塊和轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行。本項(xiàng)目整體計(jì)算和局部有限元分析均表明設(shè)計(jì)受力合理，具有較大的安全儲(chǔ)備。

4.2 整體計(jì)算關(guān)鍵問(wèn)題

預(yù)制節(jié)段箱梁整體計(jì)算與整體現(xiàn)澆梁計(jì)算大體相同，但也存在一定差異。主要差異有抗彎抗剪強(qiáng)度的折減，接縫截面抗剪承載力的計(jì)算。

（1）抗彎抗剪及接縫強(qiáng)度的折減

節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁由于有接縫的存在以及普通鋼筋在接縫處斷開，使得主梁的剛度減小，因此極限狀態(tài)的強(qiáng)度與整體現(xiàn)澆箱梁有所差異，美國(guó)AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)性規(guī)范》（1999），考慮預(yù)應(yīng)力筋的粘結(jié)狀態(tài)和接縫類型給出了普通混凝土和輕質(zhì)混凝土橋梁的抗彎、抗剪以及接縫強(qiáng)度的折減系數(shù)，見表2。

表2 節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁折減系數(shù)[6]

本項(xiàng)目節(jié)段箱梁按照無(wú)粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，接縫為膠接縫，故抗彎折減系數(shù)為0.90，抗剪折減系數(shù)為0.85。

（2）接縫截面抗剪承載力驗(yàn)算

國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究表明，在剪力和彎矩的共同作用下，節(jié)段梁接縫可能因消壓而開展，從而發(fā)生剪切破壞[3]，故應(yīng)對(duì)接縫截面的抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算。本項(xiàng)目按照《公路體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)指南》（送審稿）給出的接縫截面抗剪承載力公式進(jìn)行計(jì)算。

4.3 局部計(jì)算關(guān)鍵問(wèn)題

（1）轉(zhuǎn)向塊的計(jì)算

采用有限元模型和簡(jiǎn)化模型兩種方法對(duì)轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行局部計(jì)算分析。其中簡(jiǎn)化模型方法參照《公路體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)指南》（送審稿），采用拉壓桿簡(jiǎn)化模型計(jì)算轉(zhuǎn)向塊的上拔抗拉承載力，采用抗剪承載力計(jì)算模型計(jì)算潛在開裂面的承載力。

（2）錨固橫梁的計(jì)算

任何錨固橫梁的受力均可分為局部承壓區(qū)的受力特性和橫梁內(nèi)側(cè)的深梁受彎受力特性，因此，錨固橫梁的配筋也主要分為局部承壓配筋和錨固橫梁內(nèi)側(cè)表面受拉鋼筋配置[5]。局部承壓的設(shè)計(jì)方法成熟，且大部分屬于構(gòu)造配筋，而對(duì)于錨固橫梁內(nèi)側(cè)表面配筋設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外均利用拉壓桿模型法進(jìn)行，拉壓桿模型法容易理解且形象直觀，被許多規(guī)范采用作為配筋設(shè)計(jì)方法，但其過(guò)程仍然比較繁瑣。本項(xiàng)目錨固橫梁采用基于應(yīng)力的配筋方法進(jìn)行配筋計(jì)算。采用ANSYS進(jìn)行分析，將橫梁視作由很多薄片（可取0.1 m一片）組成，在模型中可得到橫梁內(nèi)側(cè)各任意截面的拉應(yīng)力值，偏安全地認(rèn)為各截面上的最大拉應(yīng)力在該截面所代表的寬度為橫梁寬度、厚度為0.1 m的實(shí)體薄片上均勻分布，則可得出各薄片結(jié)構(gòu)在箱梁橫向和豎向方向上的拉力，再依據(jù)此拉力可以得出鋼筋的配置面積。

如圖9、10所示，端橫梁最內(nèi)側(cè)處（靠近跨中一側(cè)）豎向拉應(yīng)力較橫向應(yīng)力大，因此配筋設(shè)計(jì)時(shí)豎向配筋應(yīng)強(qiáng)于橫向配筋，其余部位應(yīng)類似進(jìn)行分析。

圖9 端橫梁最內(nèi)側(cè)處豎向應(yīng)力（單位：MPa）

圖10 中橫梁最內(nèi)側(cè)處橫向應(yīng)力（單位：MPa）

5 節(jié)段箱梁施工

節(jié)段箱梁的施工包括節(jié)段箱梁的預(yù)制和節(jié)段箱梁的拼裝。

5.1 節(jié)段箱梁的預(yù)制

本項(xiàng)目中，節(jié)段箱梁采用短線法預(yù)制（見圖11）。預(yù)制施工主要流程包括：鋼筋籠綁扎、模板調(diào)整、鋼筋骨架及預(yù)埋件安裝、澆筑混凝土、拆模及養(yǎng)護(hù)、梁段起吊移存等。

圖11 預(yù)制梁場(chǎng)照片

5.2 節(jié)段箱梁拼裝主要流程

按照逐跨拼裝[7]的方式進(jìn)行節(jié)段梁的拼裝，主要施工流程見圖12和表3。

圖12 節(jié)段拼裝現(xiàn)場(chǎng)照片

表3 節(jié)段箱梁拼裝施工流程

5.3 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力

預(yù)制節(jié)段拼裝時(shí)，需要在箱梁頂?shù)装逶O(shè)置臨時(shí)張拉臺(tái)座，見圖13（考慮到箱梁內(nèi)施工搬運(yùn)鋼臺(tái)座較為困難，箱內(nèi)臺(tái)座采用混凝土臺(tái)座）。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋采用直徑32 mm精軋螺紋鋼筋。涂膠完成后張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，使得接縫產(chǎn)生0.3 MPa壓應(yīng)力以便于環(huán)氧樹脂膠的凝固。

圖13 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力布置示意（單位：cm）

6 結(jié) 語(yǔ)

以重慶首個(gè)節(jié)段拼裝項(xiàng)目華巖隧道西延伸段節(jié)段箱梁為例，對(duì)3×30 m全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝箱梁的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了總結(jié)分析，可為工程建設(shè)中推廣預(yù)制拼裝技術(shù)提供參考和借鑒。預(yù)制節(jié)段拼裝橋梁具有施工快速、質(zhì)量可靠和耐久、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用全體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，更具有方便檢查、可更換、降低造價(jià)和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。但還沒有正式的針對(duì)城市節(jié)段拼裝箱梁的設(shè)計(jì)規(guī)范，為方便和規(guī)范該類橋梁的設(shè)計(jì)，有必要制定國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，供工程技術(shù)人員參考。