杜春林,吳世曾,孫 林
(重慶市市政設(shè)計(jì)研究院,重慶市 400020)
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]。
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。
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)
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)
3.3.1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>
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
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)
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。
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。
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。
(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)
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。
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
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
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)
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。