預(yù)制懸拼變截面連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

晏江馳

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310031)

1 緒 論

1.1 預(yù)制節(jié)段拼裝研究現(xiàn)狀

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁在跨越大河、溝谷等地形的橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣，具有跨越能力大、施工無體系轉(zhuǎn)化、施工工藝成熟、橋梁整體性好、行車平順性好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)懸澆變截面連續(xù)剛構(gòu)施工工藝成熟，但存在施工周期長(zhǎng)，施工場(chǎng)地安全風(fēng)險(xiǎn)較大，施工質(zhì)量較難控制等問題，預(yù)制拼裝施工相比傳統(tǒng)的懸臂澆筑工藝施工周期大大縮減，提高施工區(qū)域及其周圍的安全性，施工質(zhì)量好，上部結(jié)構(gòu)幾何線形容易控制，以最大限度降低施工對(duì)社會(huì)交通車道的擠占、加快施工進(jìn)度，減輕施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，減少工人長(zhǎng)時(shí)間高空作業(yè)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)等，本文結(jié)合新安江特大橋的設(shè)計(jì)與施工，淺談懸拼連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工體會(huì)。

橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝至今已有60多年的歷史，其背景乃二戰(zhàn)后，歐洲為迅速修建大戰(zhàn)期間破壞的橋梁，設(shè)計(jì)出許多開創(chuàng)性的橋梁工法，經(jīng)濟(jì)且高效的自動(dòng)化橋梁工法應(yīng)用而生。上世紀(jì)80年代以來，各國學(xué)者對(duì)節(jié)段施工體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致深入的研究。

近十幾年內(nèi)，北美、西歐、日本等國相繼制定發(fā)布了節(jié)段梁設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)規(guī)范和規(guī)程。目前我國的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)運(yùn)用相對(duì)較少，更多的是采用滿堂支架現(xiàn)澆和懸臂澆筑等方案。因此有必要針對(duì)我國公路建設(shè)的需要，對(duì)高速公路預(yù)制拼裝橋梁設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行較為全面的分析研究。

本研究的主要目的是通過建立合理的有限元模型，結(jié)合公路橋梁施工圖設(shè)計(jì)，對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)從施工到成橋，再到運(yùn)營等全過程的受力進(jìn)行較全面的計(jì)算分析，研究預(yù)制節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的計(jì)算設(shè)計(jì)過程，并從設(shè)計(jì)、施工、管理等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和工序采取一系列行之有效的質(zhì)量保證措施及手段，從而保障預(yù)制節(jié)段梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理、施工控制水平更高、施工質(zhì)量更有保障，為預(yù)應(yīng)力混凝土懸拼連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)、施工、管理等方面取得寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。以期推動(dòng)預(yù)制節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)在我國公路建設(shè)中更廣泛的應(yīng)用。

1.2 項(xiàng)目概況

新安江特大橋位于浙江省建德市，是浙江省建德至金華高速公路跨新安江的一座特大橋，規(guī)劃四級(jí)航道，凈寬90 m，凈高7 m，主橋跨徑為75 m+130 m+75 m連續(xù)剛構(gòu)，主橋主墩墩高約20 m，主墩及采用V型薄壁墩。本高速公路有另外一處跨越蘭江的橋梁同樣采用75 m+130 m+75 m連續(xù)剛構(gòu)。從增加模板利用率的角度出發(fā)，將兩處連接剛構(gòu)統(tǒng)一預(yù)制，進(jìn)行預(yù)制懸拼的施工方法，可以減少施工時(shí)間，降低或避免工人長(zhǎng)時(shí)間高空作業(yè)，減少施工危險(xiǎn)等。

2 節(jié)段梁計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

主橋上部結(jié)構(gòu)的采用midas civil 2012進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。主梁共劃分94個(gè)單元，橋墩劃分為44個(gè)單元，承臺(tái)劃分為2個(gè)單元。

結(jié)構(gòu)離散圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)離散圖

2.2 計(jì)算特點(diǎn)

相比懸澆箱梁計(jì)算，預(yù)制拼裝節(jié)段梁的計(jì)算有以下不同，首先，預(yù)制懸拼節(jié)段梁的特點(diǎn)是普通鋼筋不相連，對(duì)于全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)來說，這對(duì)應(yīng)力的影響基本忽略不計(jì)，但是對(duì)于承載能力極限狀態(tài)的抗力影響較大，常規(guī)懸澆箱梁計(jì)算時(shí)考慮普通鋼筋的作用，而預(yù)制拼裝節(jié)段梁不考慮普通鋼筋對(duì)截面抗力的貢獻(xiàn)，以本項(xiàng)目為例，該作用達(dá)到抗力的5%左右，目前國內(nèi)對(duì)于預(yù)制懸拼強(qiáng)度折減系數(shù)尚未深入研究，建議參考美國AASHTO規(guī)范相關(guān)內(nèi)容；其次懸澆箱梁傳統(tǒng)做法大多全部使用體內(nèi)束，而預(yù)制拼裝節(jié)段梁采用體內(nèi)體外混合配束的方式，一般來講，體內(nèi)束滿足箱梁自重及橋面系自重的作用，體外束則考慮汽車活載的作用，在計(jì)算過程中，控制好施工階段梁體的應(yīng)力，施工階段梁體壓應(yīng)力儲(chǔ)備控制在1 MPa以內(nèi)。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)造尺寸

(1)箱梁一般構(gòu)造及特點(diǎn)

主梁形式為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用單箱單室截面，頂板寬12.5 m，底板寬7 m，兩側(cè)翼緣各寬2.75 m。墩頂處梁高為7.8 m，邊跨端部的梁高為3.2 m。梁底曲線為二次拋物線。與傳統(tǒng)懸澆箱梁相比，預(yù)制懸拼箱梁有所不同，首先除了0#塊和現(xiàn)澆濕接縫采用現(xiàn)澆外，其余所有的節(jié)段均采用預(yù)制節(jié)段，包括合攏節(jié)段。其次考慮到變截面箱梁預(yù)制節(jié)段數(shù)較多，而截面高度的不斷變化，導(dǎo)致模板需求量很大，傳統(tǒng)懸澆箱梁的底板從跨中到根部是不斷變厚的，預(yù)制節(jié)段梁由于受力的需要也設(shè)置了底板從跨中到根部的變厚，但是通過處理，保證每個(gè)預(yù)制節(jié)段的底板等厚，使得施工變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

(2)預(yù)應(yīng)力布置

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束分為體內(nèi)束和體外束兩種，體內(nèi)束設(shè)置了頂板束、底板束、腹板束三種；體外束設(shè)置了邊跨束和中跨束。頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-3型鋼束，采用單端張拉方式。本箱梁不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。

3.2 剪力鍵

預(yù)制梁段兩端設(shè)置凹凸交替的剪力鍵，用于傳遞梁段間剪切力。預(yù)制梁段近主墩支座端為凸形剪力鍵，遠(yuǎn)主墩支座端為凹形剪力鍵，在濕接縫兩側(cè)均為凹形剪力鍵。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(gòu)造措施。通常設(shè)在箱梁底板、腹板和頂板上。有時(shí)也設(shè)在翼板上。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。

4 施工過程及注意事項(xiàng)

4.1 施工注意事項(xiàng)

(1)箱梁節(jié)段預(yù)制

箱梁節(jié)段在預(yù)制場(chǎng)地采用短線法預(yù)制，塊件預(yù)制采用連續(xù)澆注，即依次澆注相鄰塊件，已澆好的塊件可以作為相鄰澆注塊件的端模。梁段在預(yù)制場(chǎng)放置時(shí)間不少于3個(gè)月，施工組織設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留出足夠場(chǎng)地。箱梁豎曲線可由高精度的折線擬合形成，具體由施工單位和監(jiān)控單位根據(jù)施工工藝而確定該曲線，通過梁段上下緣長(zhǎng)度不同形成豎曲線，梁段預(yù)制過程中建議保持一個(gè)端面為正交面。接縫采用環(huán)氧樹脂密復(fù)式剪力鍵齒，預(yù)制箱梁節(jié)段時(shí)，接縫間需滿涂隔離劑，利于節(jié)段脫離。

(2)預(yù)制節(jié)段箱梁安裝

節(jié)段間匹配面的粘結(jié)劑采用環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的配合比、配制方法、物理力學(xué)性能以及固化時(shí)間等應(yīng)由施工單位根據(jù)不同的溫度等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)確定。膠層保持均勻，厚度控制在2～3 mm，在拼接時(shí)需妥善處理預(yù)應(yīng)力波紋管孔口，可粘貼一塊厚約10 mm的海綿墊圈(經(jīng)環(huán)氧樹脂浸泡)或其他可靠措施，以防止壓漿時(shí)漏漿及匹配面處串孔、堵孔現(xiàn)象。節(jié)段拼裝時(shí)的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋予以施加，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力必須滯后縱向預(yù)應(yīng)力五個(gè)節(jié)段才能拆除，以保證施工任何階段主梁接縫處不小于0.3 MPa壓應(yīng)力。

5 結(jié) 論

(1)通過本文研究，對(duì)新安江預(yù)應(yīng)力混凝土懸拼連續(xù)剛構(gòu)橋從設(shè)計(jì)、施工、管理等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和工序采取一系列有效的質(zhì)量保證措施和手段，橋梁施工控制水平得以提高，得出全橋梁頂實(shí)測(cè)標(biāo)高曲線趨勢(shì)與設(shè)計(jì)值標(biāo)高曲線趨勢(shì)大致相同，全橋線形比較順暢;實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值也比較吻合，梁體應(yīng)力狀態(tài)正常。本文研究為預(yù)應(yīng)力混凝土懸拼連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)、施工、管理等方面提供了一些實(shí)用的的工程經(jīng)驗(yàn)。

(2)通過本文研究表明，變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁成功的采用了節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)，并對(duì)預(yù)制節(jié)段連續(xù)剛構(gòu)橋梁成橋過程的受力機(jī)理和施工及管理過程總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類橋梁的設(shè)計(jì)及施工具有一定的參考價(jià)值。并為其在國內(nèi)的推廣奠定了一定的基礎(chǔ)。