快速施工鋼蓋梁方案在北京新機場高速公路工程中的應(yīng)用

徐艷玲 李建龍

(1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082；2.北京京投交通發(fā)展有限公司 100068)

引言

北京新機場高速公路工程是北京新機場外圍配套“五縱兩橫”骨干交通項目的重要組成部分，該項目全長27.2km，雙向八車道，設(shè)計速度為100km/h～ 120km/h，工程總投資 172.6 億元。該項目建成后將有利于提升北京新機場服務(wù)水平，對于促進新機場臨空經(jīng)濟區(qū)發(fā)展，完善京津冀區(qū)域綜合交通運輸體系，推動京津冀協(xié)同發(fā)展具有重要意義。

施工過程中，個別工點出現(xiàn)工期延誤的情況，為保證項目如期完工，部分蓋梁需在一周內(nèi)完成施工。因此，一種可在橋位外預(yù)制，現(xiàn)場快速施工的蓋梁設(shè)計方案急需提上日程。

1 快速施工蓋梁方案比選

根據(jù)現(xiàn)場情況，在原蓋梁設(shè)計方案的基礎(chǔ)上提出下述三種快速施工蓋梁方案，原蓋梁斷面見圖1。

圖1 橋梁橫斷面示意(單位：m)Fig.1 Bridge cross section diagram (unit：m)

方案一：整體吊裝蓋梁鋼筋網(wǎng)架，現(xiàn)場澆筑混凝土的方案。

維持原蓋梁設(shè)計方案，將存在高壓線下操作危險的蓋梁鋼筋吊裝及綁扎工序放在地面完成，待鋼筋綁扎工序完成后，整體吊裝蓋梁鋼筋網(wǎng)架至墩頂，隨后支模澆筑蓋梁混凝土，張拉蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

該方案不改變蓋梁的設(shè)計方案，保持全線統(tǒng)一的下部外形，景觀效果好，無需增加工程投資。但是蓋梁混凝土澆筑及第一批預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉仍占用較多工期，完成蓋梁施工需要20 天～25 天，無法滿足一周工期的要求。

方案二：預(yù)制拼裝混凝土蓋梁方案。

蓋梁維持原預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在橋位一旁的空地中預(yù)制蓋梁并完成第一批蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉工作，現(xiàn)場吊裝整體預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，施工設(shè)置在墩頂和蓋梁中的連接構(gòu)造，以保證蓋梁與墩柱之間的連接，即可完工。參考目前國內(nèi)已建成的工程[3-6]，連接件可選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、精軋螺紋鋼筋或?qū)Ｓ眠B接套筒等。該方案蓋梁吊裝重量約為162t，單個蓋梁增加連接構(gòu)造需增加工程投資約5 萬元左右，吊裝及連接構(gòu)造施工工期約為10 天，基本滿足工期要求。

這種預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁整體吊裝的施工方法節(jié)約工期，作為快速施工工法的一種在我國南方地區(qū)已有一定程度的應(yīng)用?？紤]到北京為高抗震設(shè)防地區(qū)，墩梁固結(jié)處鋼筋布置復(fù)雜，連接件設(shè)計及施工均存在一定的困難，根據(jù)目前搜集的資料，在高烈度地震區(qū)還沒有應(yīng)用的先例。

圖2 預(yù)制混凝土蓋梁吊裝施工Fig.2 Lifting construction of prefabricated concrete cover beam

方案三：預(yù)制吊裝鋼蓋梁方案。

修改原預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁為薄壁鋼箱結(jié)構(gòu)，工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝，參考連續(xù)鋼箱梁的墩梁固結(jié)構(gòu)造，在原墩柱的墩頂設(shè)置鋼套箍，蓋梁吊裝就位后與墩頂鋼套箍通過鋼靴焊接成整體，并在墩頂澆筑混凝土，無需養(yǎng)生時間，即可吊裝小箱梁。該方案維持原樁基、承臺、墩柱的設(shè)計方案不變，蓋梁外形與原混凝土結(jié)構(gòu)基本一致。鋼蓋梁吊裝重量約為40t，吊裝及連接施工工期約2天～3 天，單個鋼蓋梁較原設(shè)計方案增加工程投資約25 萬，該方案在增加工程投資有限的情況下，施工便捷，工期優(yōu)勢明顯，遂決定在本工程中采用。

2 鋼蓋梁設(shè)計

蓋梁設(shè)計為薄壁鋼箱結(jié)構(gòu)，頂板、底板寬2.0m，板厚 20mm，腹板高 1.0m～ 2.3m，厚20mm，頂、底板采用“一”字肋加勁，加勁肋高20cm，對應(yīng)支座下方的加勁肋增高至40cm。橫隔板對應(yīng)支座布置，兩支座間距3.09m，中間增設(shè)一道橫隔板，間距約為1.5m，板厚16mm，橫隔板內(nèi)設(shè)置人孔，結(jié)構(gòu)尺寸如圖3、圖4所示。

圖3 鋼蓋梁立面布置(單位：cm)Fig.3 Vertical layout of steel cover beam (unit：cm)

考慮鋼蓋梁為薄壁鋼箱結(jié)構(gòu)，為研究各構(gòu)件應(yīng)力分布，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象和局部屈曲問題，采用MIDAS 橋梁結(jié)構(gòu)分析程序建立空間板單元模型，對鋼蓋梁的受力狀態(tài)進行全面分析計算。

圖4 蓋梁橫斷面(單位：cm)Fig.4 Cross section of steel cover beam (unit：cm)

計算荷載：上部結(jié)構(gòu)為32.7m 跨徑預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，活載為公路-Ⅰ級，按單向四車道計入，沖擊系數(shù)按規(guī)范取用，溫度荷載為升溫 30℃，降溫 35℃[5]。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析

蓋梁兩支承墩柱間距4.4m，蓋梁懸臂跨度6.6m，蓋梁受力表現(xiàn)為負彎矩控制，蓋梁沿梁高方向的上緣處于受拉狀態(tài)，下緣處于受壓狀態(tài)。根據(jù)計算結(jié)果圖5可以看到，蓋梁最大拉應(yīng)力發(fā)生在懸臂根部，頂板與腹板相交的角隅處，恒+活+溫度荷載作用下拉應(yīng)力峰值136MPa；最大壓應(yīng)力發(fā)生最外側(cè)剛度過渡板和底板的折點處以及墩頂剛度過渡板的角點處，在恒+活+溫度荷載作用下壓應(yīng)力峰值137MPa。這與薄壁鋼箱蓋梁頂、底板、腹板作為主傳力構(gòu)件的設(shè)計思路一致，說明鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足使用需求并具有一定的安全儲備，對墩梁固結(jié)區(qū)和剛度過渡板可進行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 恒+活+溫度荷載作用下蓋梁應(yīng)力云圖(單位：N/mm2)Fig.5 Stress cloud chart of cover beam under constant+active+temperature load (unit：N/mm2)

2.2 墩頂剛度過渡區(qū)設(shè)計

墩頂剛度過渡區(qū)是薄壁鋼箱構(gòu)件和混凝土構(gòu)件之間的連接，需保證各種荷載傳遞順暢，同時避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

考慮墩頂區(qū)域蓋梁底板是壓應(yīng)力集中區(qū)域，在底板折點處和墩梁固結(jié)區(qū)之間設(shè)置三角形剛度過渡板，根據(jù)計算結(jié)果圖6可以看到，在蓋梁全寬的2.0m 范圍，靠近兩側(cè)腹板的剛度過渡板受力較大，底板折點處應(yīng)力峰值達到121MPa，而位于蓋梁中部的剛度過渡板應(yīng)力較小，應(yīng)力水平在70MPa 左右，這是由于腹板仍是蓋梁的主傳力鋼板，軸向荷載在底板上還是沿兩道腹板分布，位于蓋梁中間的加勁鋼板在受力上貢獻不大，還會增加結(jié)構(gòu)自重和加工難度，據(jù)此對剛度過渡板進行優(yōu)化。刪除蓋梁中間位置的底板加勁板，僅保留腹板外1.0m 范圍內(nèi)的三角形剛度過渡板。根據(jù)計算結(jié)果可以看到，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與前述分析結(jié)果一致，靠近腹板側(cè)的加勁板在底板折點處應(yīng)力峰值從121MPa 增大至123MPa，基本沒變，蓋梁中間區(qū)域底板由于取消了加勁板，底板折點處應(yīng)力峰值達到123MPa，在可接受范圍。

圖6 剛度過渡區(qū)應(yīng)力云圖(單位：kN/m2)Fig.6 Stress cloud chart of stiffness transition zone(unit：kN/m2)

2.3 墩梁固結(jié)區(qū)設(shè)計

墩梁固結(jié)區(qū)域是整個蓋梁上、下部荷載傳遞的核心，也是受力集中的區(qū)域，如何保證鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)呈一體化受力，是墩梁固結(jié)區(qū)設(shè)計的難點。以往的工程中有將墩柱鋼筋深入蓋梁，在蓋梁內(nèi)澆筑墩頂混凝土的做法，這種做法將墩梁固結(jié)區(qū)打造成外包鋼板的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，充分保證了固結(jié)區(qū)的剛度，以提升結(jié)構(gòu)的整體剛度。但是蓋梁底板需要開設(shè)鋼筋孔，北京地區(qū)地處抗震設(shè)防8 度區(qū)，墩柱鋼筋較密，蓋梁底板的大量開孔一方面會削弱蓋梁底板的承載性能，同時增加鋼板吊裝時的對孔困難。

本次設(shè)計墩柱鋼筋在墩頂截斷，混凝土墩柱和薄壁鋼箱蓋梁通過在墩頂設(shè)置的鋼靴實現(xiàn)固結(jié)。鋼靴設(shè)計為20mm 厚的梯形鋼板，與蓋梁底板焊縫長50cm，與墩頂鋼套箍之間焊縫長70cm，間距30cm 沿墩柱周圈布置，單個鋼靴可提供拉力 250t，一側(cè)墩柱設(shè)置 5 道，共計1250t，滿足蓋梁墩梁固結(jié)構(gòu)造在地震荷載作用下的需求。

根據(jù)實體模型計算結(jié)果圖7所示，墩頂不澆筑混凝土時，剛度過渡板出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，在恒+活組合下鋼板應(yīng)力峰值達到162MPa，當墩頂澆筑混凝土后，剛度過渡板不再出現(xiàn)應(yīng)力集中，整個鋼板的應(yīng)力水平在70MPa 左右；同時，分析發(fā)現(xiàn)對未澆筑墩頂混凝土的鋼蓋梁，在恒+活荷載作用下，蓋梁懸臂端部變形17.3mm，澆筑墩頂混凝土后，蓋梁端部變形減小至15.4mm，見圖8。因此，墩頂區(qū)域澆筑混凝土對改善結(jié)構(gòu)受力性能，提升蓋梁的承載能力和剛度均有貢獻[6]，本次設(shè)計鋼蓋梁在墩梁固結(jié)區(qū)雖然做了鋼與混凝土結(jié)構(gòu)分離的方案，在墩頂區(qū)域仍保留混凝土，施工時待蓋梁安裝后即可開展預(yù)制小箱梁的吊裝工作，同期開展蓋梁墩頂區(qū)域混凝土的澆筑，不預(yù)留養(yǎng)生時間，節(jié)約工期。

2.4 結(jié)構(gòu)變形分析

如圖9所示，蓋梁懸臂端部在恒載作用下最大下?lián)?.0mm，活載作用下最大下?lián)?.5mm，相比較原預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，活載單項作用下，蓋梁懸臂端部最大下?lián)?.33m，變形卻有明顯增大，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)中對梁的懸臂端部豎向撓度限值L/300 =5800/300=19.3mm 的要求[7]。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)屈曲分析

在屈曲分析中，將上部結(jié)構(gòu)荷載作為可變荷載，將恒載作為不變荷載，進行靜力彈性屈曲分析。

圖7 剛度過渡板應(yīng)力云圖(單位：kN/m2)Fig.7 Stress cloud chart of stiffness transition plate (unit：kN/m2)

圖8 蓋梁位移等值線圖(單位：m)Fig.8 Displacement contour map of cover beam (unit：m)

圖9 蓋梁變形(單位：m)Fig.9 Displacement contour map of cover beam (unit：m)

一階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為支座下橫隔板的面外彎曲失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)為6.8，二階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為底板的面外彎曲失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)為9.5，如圖10所示。查看隨后20 階的失穩(wěn)模態(tài)，穩(wěn)定安全系數(shù)到17，均表現(xiàn)為橫隔板和底板的局部失穩(wěn)情況，結(jié)構(gòu)整體未發(fā)生失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)最小穩(wěn)定安全系數(shù)6.8 ＞2.5[7]，滿足使用需求。

圖10 失穩(wěn)模態(tài)Fig.10 Instability mode

3 結(jié)語

本工程鋼蓋梁吊裝重量僅40t，在施工現(xiàn)場采用兩臺普通吊車即可完成安裝，墩柱鋼筋無需伸入蓋梁的做法，使得鋼蓋梁的吊裝施工更加便捷，據(jù)施工單位反饋，僅使用兩天即完成蓋梁的安裝工作，并在多處工點推廣。目前，新機場高速公路工程全線已完成施工，鋼蓋梁工作狀態(tài)良好。

本工程設(shè)計鋼蓋梁具有自重輕、施工便捷等優(yōu)點，在增加工程投資有限的前提下，大大節(jié)約工期，保證北京新機場高速公路工程如期完工，具有推廣意義，可為今后同類工程實踐提供參考。