城市節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)特點與創(chuàng)新

吳東升

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

1 工程概況

洪都大道高架橋為南昌市一環(huán)線的東環(huán)，全長約7.6 km。高架橋為雙向六車道，城-A級荷載，設(shè)計速度為80 km/h。

高架橋采用節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見圖1，橋梁面積約270 000 m2，預(yù)制節(jié)段約6 500榀。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖(單位：cm)

雖然節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)在公路和軌道交通橋梁上有所應(yīng)用，但在量大面廣的城市橋梁中尚未得到推廣，作為大規(guī)模采用節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁的城市橋梁，需要通過精細化設(shè)計，達到技術(shù)先進、施工便捷、造價經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)耐久的目標(biāo)，以充分展現(xiàn)節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁的技術(shù)與經(jīng)濟競爭力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計及布置

主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?5 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑35 m，非標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30～40 m，2～4跨一聯(lián)，逐跨拼裝施工；路口大跨采用50 m或60 m主跨大跨連續(xù)梁，懸臂拼裝施工。最小平面曲線半徑為383.75 m，最大縱坡為3%。

2.2 橫斷面形式

城市高架橋(橋?qū)?5 m)常用橫斷面形式見圖2。

圖2 箱梁橫斷面形式

國內(nèi)外雙向六車道橋梁基本上采用整幅式單箱多室斷面(施工難度大、工效低)或分離式雙幅橋梁(占地大、適用郊外)。施工快速化是預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢，設(shè)計選型需充分考慮預(yù)制便捷性、運輸可行性和拼裝快速化，因地制宜。對于運輸條件較差的城市橋梁而言，節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁應(yīng)遵循構(gòu)件小型化原則；單箱單室斷面預(yù)制效率顯著提高。該文提出的采用橫向分幅同步安裝的分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)和橫向整幅異步安裝的魚脊梁結(jié)構(gòu)是具有競爭力的橫斷面形式，各方案運輸?shù)跹b重量見表1。

表1 各方案運輸?shù)跹b重量

由表1可知：分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為整幅式斷面的1/2，節(jié)段重量和架梁時架橋機整孔吊重均為整幅式斷面的40%，架橋機設(shè)備規(guī)格要求降低一半，預(yù)制拼裝效率高，對變寬段的適應(yīng)性好，非常適合城市橋梁的斷面形式。

2.3 箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)單幅箱梁寬12.1 m，兩幅之間設(shè)置寬0.6 m現(xiàn)澆縫，通過整體式墩頂橫梁連接左、右幅箱梁形成整體(圖3)。

圖3 主線標(biāo)準(zhǔn)等寬段三維示意圖

節(jié)段箱梁高2.2 m，頂板厚0.25 m，底板厚0.22 m，墩頂兩側(cè)節(jié)段局部加厚至0.3 m，腹板厚0.40 m，墩頂兩側(cè)節(jié)段局部加厚至0.70 m，箱梁挑臂寬2.85 m，挑臂端部厚0.25 m，根部厚0.45 m(圖4)。

箱梁節(jié)段由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、轉(zhuǎn)向節(jié)段、墩頂橫梁節(jié)段組成。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長3 m，最長節(jié)段長度不超過3.2 m，節(jié)段間采用環(huán)氧膠結(jié)縫；最輕節(jié)段重量約55 t，最重節(jié)段重量約75 t(圖5)。

墩頂大懸挑橫梁兼做縱向體外束的錨固橫梁，中墩橫梁厚2.6 m，邊墩橫梁厚2.1 m，相鄰兩聯(lián)在端橫梁端部預(yù)留1.0 m作為縱向體外束張拉和檢修空間；標(biāo)準(zhǔn)橫梁局部加高至2.65 m。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造圖(單位：cm)

圖5 箱梁節(jié)段劃分示意圖

墩頂橫梁預(yù)應(yīng)力為體內(nèi)束，整幅布置，橫梁鋼束配置φs15.2-15體內(nèi)束，橫梁鋼束分批張拉。頂板橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)置φs15.2-3體內(nèi)束，整幅通長設(shè)置，中央濕接縫澆筑后張拉。

2.4 結(jié)構(gòu)體系

全固結(jié)體系由于在預(yù)應(yīng)力、溫度荷載和混凝土收縮徐變等作用下邊墩彎矩遠大于中墩彎矩且超過抗力值，因此提出標(biāo)準(zhǔn)等寬段采用中墩墩梁固結(jié)、邊墩設(shè)置支座的半固結(jié)體系，兩種固結(jié)體系的中、邊墩內(nèi)力如圖6所示。與中國高架橋梁通常采用連續(xù)梁不同，推薦優(yōu)先采用固結(jié)體系，可采用半固結(jié)體系，當(dāng)墩高較高時可優(yōu)先采用全固結(jié)體系，結(jié)構(gòu)體系簡圖見圖7；對于逐跨拼裝箱梁，墩梁固結(jié)的特點主要為：① 逐跨拼裝架橋機架梁時，為抵抗不平衡彎矩支座墩需增設(shè)臨時固結(jié)，墩梁固結(jié)則不需再單獨增設(shè)臨時固結(jié)，施工安全、便捷高效；② 墩梁固結(jié)可節(jié)省支座費用，約占建安費1.5%，但運營期間支座更換費用較高，可達到建安費的15%。

與此同時，可采取雙肢薄壁截面墩、單排樁基礎(chǔ)和適當(dāng)增大墩高等技術(shù)措施降低墩柱及基礎(chǔ)剛度，有效改善固結(jié)墩受力。

2.5 預(yù)應(yīng)力體系

縱向預(yù)應(yīng)力按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，頂板橫向預(yù)應(yīng)力按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。

體外預(yù)應(yīng)力施工效率高但承載力效率偏低，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力反之。針對預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)特點，該文提出一種新的設(shè)計理念，縱向預(yù)應(yīng)力體系采用基于施工效率的以體外束為主、體內(nèi)束為輔的混合配束體系，以充分發(fā)揮體外預(yù)應(yīng)力施工效率高、體內(nèi)束承載力效率高的各自優(yōu)點。其關(guān)鍵在于體內(nèi)、外預(yù)應(yīng)力配置比例的合理確定，經(jīng)研究提出具體配置原則為：架橋機拼裝過程僅張拉體外束，滿足施工階段受力需求；非控制工序(架橋機過孔后)再張拉剩余體內(nèi)鋼束，滿足二期恒載和運營階段受力需求。

圖6 兩種固結(jié)體系的橋墩內(nèi)力圖

圖7 結(jié)構(gòu)體系示意圖

基于上述原則，最終確定的體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力的配置比為4∶6。

具體為每個箱室配置6束φs15.2-31和φs15.2-37體外束；中墩處配置2束φs15.2-17形心體外束；底板配置6束φs15.2-12和φs15.2-15體內(nèi)束；墩頂配置8束φs15.2-12體內(nèi)束(圖8)；縱向體外預(yù)應(yīng)力在跨中設(shè)置限位塊，提高極限承載力。按橋面面積統(tǒng)計，體外鋼束指標(biāo)約為20.4 kg/m2，體內(nèi)鋼束指標(biāo)約為12.9 kg/m2。

圖8 鋼束布置橫斷面圖

2.6 關(guān)鍵構(gòu)造

2.6.1 錨固轉(zhuǎn)向構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力錨塊和轉(zhuǎn)向塊增加箱梁預(yù)制難度、降低工效。較以往錨塊和轉(zhuǎn)向塊分散設(shè)置不同，從提高工效出發(fā)，該文提出一種新的思路，將錨塊和轉(zhuǎn)向塊集成設(shè)計，此方法可將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段數(shù)量提高50%。具體實現(xiàn)方式為：在體外束轉(zhuǎn)向塊處增設(shè)體內(nèi)束錨固齒塊，形成集鋼束轉(zhuǎn)向與錨固構(gòu)造于一體的集成式轉(zhuǎn)向構(gòu)造(圖9)。

圖9 集成式轉(zhuǎn)向構(gòu)造示意圖

2.6.2 剪力鍵構(gòu)造

剪力鍵設(shè)計除了考慮規(guī)范構(gòu)造要求外，還應(yīng)考慮節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)化，剪力鍵規(guī)格和位置在設(shè)計時遵循節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)化原則，以減少預(yù)制端模類型，提高預(yù)制工效。

對于節(jié)段間的環(huán)氧膠接縫，若多余的膠體不能被擠出，臨時預(yù)應(yīng)力作用時可能會引起鍵槽擠裂，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需設(shè)置出膠槽便于多余環(huán)氧膠擠出。

2.6.3 橫斷面標(biāo)準(zhǔn)化

基于提高箱梁節(jié)段預(yù)制效率，該文在常規(guī)箱梁斷面的基礎(chǔ)上進行研究改進，標(biāo)準(zhǔn)化斷面僅翼緣、頂?shù)装宓群穸巫儗?，倒角、變厚段尺寸保持不?圖10)，同時，構(gòu)造尺寸與變寬段統(tǒng)一整體考慮確定，模板整個工程通用，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。

經(jīng)分析，箱梁頂板應(yīng)力隨頂板挑臂長度和箱室內(nèi)部等厚段長度的變化如圖11所示。該標(biāo)準(zhǔn)橫斷面的頂板挑臂變化段的適應(yīng)長度范圍為0～1.8 m，頂板跨中變化適應(yīng)長度范圍為0.5～3.5 m，理論上能適應(yīng)9.5～16 m，這可為變寬度梁的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計提供條件。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)化橫斷面圖

圖11 箱梁頂板應(yīng)力隨等厚段長度變化關(guān)系

2.7 橫梁分塊方案

橫梁分塊方案設(shè)計考慮縱向分段、橫向分塊、縱橫向分塊及整體預(yù)制4種方案，主要考慮因素為節(jié)段的重量和幾何尺寸。如圖12所示。

圖12 橫梁分塊方案示意圖

橫梁總重約380 t，運輸?shù)跹b均超過目前大部分城市橋梁的運輸條件；分成2塊單塊重190 t，與目前已建工程預(yù)制蓋梁節(jié)段重相差不大，運輸?shù)跹b均可行；若分成4塊單塊重為95 t則更為便捷。縱向分塊寬厚比較小、構(gòu)造復(fù)雜且施工難度大，橫向分段整體性好、受力可靠、構(gòu)造相對簡單且施工難度小。因此橫向分塊是較為合適的橫梁分塊方案。

2.8 耐久性設(shè)計

耐久性設(shè)計是節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點考慮的內(nèi)容之一。接縫部位是耐久性薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計考慮適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力度按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，使節(jié)段之間膠接縫一直處于受壓狀態(tài)，提高耐久性。體外預(yù)應(yīng)力采用耐久性好的單根可換式環(huán)氧鋼絞線，實現(xiàn)全壽命周期內(nèi)的可檢、可修、可換。全線橋梁每個端橫梁、中橫梁均設(shè)置檢修人孔，在底板設(shè)檢修人孔，實現(xiàn)檢修通道全橋貫通。

首次對節(jié)段梁臨時孔洞封堵開展系統(tǒng)研究，經(jīng)研究認(rèn)為，封堵材料的性能對封堵效果影響最大，推薦采用高性能的防水材料進行封堵；吊裝孔和臨時預(yù)應(yīng)力錨固孔應(yīng)在以往圓柱形的基礎(chǔ)上予以改進，推薦采用錐形孔洞構(gòu)造提高孔洞封堵可靠性；并提出無孔洞設(shè)計的理念，采用預(yù)埋式鋼齒坎方案和利用體內(nèi)束管道張拉臨時預(yù)應(yīng)力。

橋面防水層采用兩級防水加強設(shè)計，第一級為基層防水，采用水泥基滲透結(jié)晶型無機防水材料；第二級防水為柔性防水層，采用聚合物改性瀝青防水涂料。當(dāng)然，上述設(shè)計技術(shù)措施還需要精細化的施工來實現(xiàn)。

3 空間受力性能

3.1 結(jié)構(gòu)總體受力分析

體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁承載能力極限狀態(tài)計算目前不能夠直接利用有限元分析軟件進行，根據(jù)在編規(guī)范結(jié)合自編程序進行計算和設(shè)計。在該工程設(shè)計和實踐中，對在編規(guī)范提出了關(guān)于結(jié)構(gòu)抗彎和接縫抗剪承載能力計算參數(shù)、環(huán)氧膠接縫壓縮量取值等的修正建議，并得到標(biāo)準(zhǔn)編制組采納，公式修正后體外預(yù)應(yīng)力承載力可提高約10%。

主梁正截面極限抗彎承載能力計算結(jié)果見圖13。由圖13可知：基本組合作用下，主梁跨中最大彎矩為68 745 kN·m，對應(yīng)抗力為72 933 kN·m，滿足規(guī)范要求。

圖13 主梁正截面抗彎極限承載力計算結(jié)果

3.2 墩頂大懸挑橫梁受力性能

墩頂大懸挑橫梁受力空間效應(yīng)明顯，與常規(guī)橫梁不同，橫梁除了承受豎向荷載外，還承受縱向體外預(yù)應(yīng)力錨固荷載，且橫梁受人孔和體外束管道嚴(yán)重削弱帶來的應(yīng)力集中。橫梁空間模型受力計算結(jié)果如表2所示。

表2 橫梁空間模型計算結(jié)果 MPa

由表2可知：橫梁受力空間效應(yīng)和應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，短期組合下，中橫梁橫向正應(yīng)力為-0.8 MPa，剪應(yīng)力為2.2 MPa，中橫梁縱向體外束錨下豎向應(yīng)力為14.9 MPa，需進行專項特殊配筋設(shè)計；此外端橫梁體外束錨固的背面由于強大的錨固力作用，橫梁豎向應(yīng)力達4.1 MPa，但沿橫梁厚度方向遠離表面迅速減少，與常規(guī)橫梁受力具有明顯差異，需進行特殊加強配筋設(shè)計。

考慮孔洞削弱后按應(yīng)力域法(圖14)進行配筋驗算，采取增設(shè)橫梁抗剪箍筋和錨固面豎向抗拉鋼筋，以滿足規(guī)范受力和抗裂要求。橫梁應(yīng)力域編號和鋼筋加強設(shè)計如圖15所示。

圖14 橫梁應(yīng)力圖

3.3 多主梁箱梁施工順序及空間受力性能

由于采用了墩梁固結(jié)的整體式墩頂橫梁、分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)，左右幅箱梁受力相互影響，合龍體系轉(zhuǎn)換和預(yù)應(yīng)力施加順序是一個挑戰(zhàn)。對于分箱室雙主梁可選用的施工順序有：① 先合龍一幅主梁并施加預(yù)應(yīng)力再施工另一幅主梁；② 先合龍一幅主梁不施加預(yù)應(yīng)力，待合龍另一幅主梁后同步施加預(yù)應(yīng)力；③ 雙幅主梁同步拼裝合龍后張拉預(yù)應(yīng)力。對不同施工順序進行詳細分析，各主梁軸力如圖16所示。

圖15 橫梁應(yīng)力域編號和鋼筋示意圖

圖16 不同施工順序下各主梁預(yù)應(yīng)力軸力

由圖16可知：主梁架設(shè)順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大，施工順序①左右幅不同步施工，先合龍的左幅主梁除承受左幅已張拉的體外預(yù)應(yīng)力，同時還承受后合龍右幅主梁體外預(yù)應(yīng)力的9%，達到全斷面體外預(yù)應(yīng)力59%，而后合龍的右幅主梁僅承受全斷面體外預(yù)應(yīng)力41%；因此在先合龍左幅主梁落架的預(yù)應(yīng)力需求和后期右幅主梁的附加預(yù)應(yīng)力之間難以兼顧平衡；施工順序②雖然左右幅軸力相同，但由于先合龍的左幅未施加預(yù)應(yīng)力，不能落架，在實際施工中可行性差；該文提出的雙幅同步架設(shè)施工方法，左右幅同步合龍體系轉(zhuǎn)換，同步施加預(yù)應(yīng)力，確保了左右幅主梁及橋墩結(jié)構(gòu)受力均勻，且同步架設(shè)也使拼裝速度提高1倍。

此外，若由于箱梁節(jié)段存梁期不同產(chǎn)生收縮和徐變的差異，或者施工過程中產(chǎn)生的左右幅的差異，則可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力達到設(shè)計要求。

4 施工工藝

預(yù)制節(jié)段箱梁采用逐跨拼裝施工，大跨采用懸臂拼裝施工，梁段運輸方式為陸路運輸，橋位處吊裝，架橋機采用上行式架橋機。該工程考慮到預(yù)制廠的制梁能力，墩頂橫梁和下部墩柱最終采用鋼筋模塊整體工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場澆筑的方式。

逐跨拼裝施工的主要工序為：架橋機吊裝箱梁節(jié)段，匹配后涂抹環(huán)氧膠并張拉臨時預(yù)應(yīng)力，鎖定濕接縫處勁性骨架澆筑濕接縫，張拉跨間體外束，拆除臨時預(yù)應(yīng)力及勁性骨架，箱梁落架，解除臨時固結(jié)，架橋機移至下一跨，依次逐跨進行拼裝。

由于中國未采用過雙幅同步架設(shè)的施工工藝，因此需研發(fā)專用的架橋機設(shè)備(圖17)。為保證左右兩幅架橋機在起吊箱梁節(jié)段和前移過程中保持同步，采用兩臺架橋機串聯(lián)、同一臺電腦控制系統(tǒng)實現(xiàn)。在起吊箱梁節(jié)段和架橋機前移過程中，采用實時監(jiān)測系統(tǒng)對架橋機支腿、吊機位移和油缸反力進行監(jiān)測，偏差超出允許范圍立即進行糾偏調(diào)整，保證兩臺架橋機的同步性。橋梁建成后實景圖見圖18。

圖17 雙幅同步架設(shè)施工

圖18 橋梁建成后實景照片

5 結(jié)語

洪都大道為大規(guī)模采用節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)的城市橋梁，提出了適用于城市橋梁的分箱式主梁、整體大懸挑橫梁、墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。針對城市預(yù)制拼裝橋梁的特點，從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及施工方法等方面系統(tǒng)性提出了分箱室節(jié)段箱梁、半固結(jié)結(jié)構(gòu)體系、基于施工效率的混合配束預(yù)應(yīng)力體系、預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向錨固構(gòu)造集成設(shè)計、橫斷面標(biāo)準(zhǔn)化、剪力鍵標(biāo)準(zhǔn)化、耐久性設(shè)計以及雙幅同步架設(shè)施工等技術(shù)措施，深入研究多主梁空間受力性能，探索城市高架橋梁新型節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，詳細論述了設(shè)計所考慮的技術(shù)要點與創(chuàng)新。

洪都大道于2019年4月建成通車，經(jīng)工程實踐，通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化引領(lǐng)施工快速化，單節(jié)段預(yù)制平均2.5 d，拼裝平均6 d一跨，進一步提高了中國城市橋梁建造的工業(yè)化水平。