裝配式高架橋蓋梁輕型化研究初探

胡自忠，何 科，郭鋼江

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

近年來隨著綠色建造的理念不斷深入，裝配式橋梁因能夠加快施工速度，改善施工期間的交通，降低施工對(duì)居民和環(huán)境的影響，收獲良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在實(shí)際工程中應(yīng)用越來越廣泛。在裝配式橋梁各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中，構(gòu)件的重量是一項(xiàng)重要的考察因素，在常規(guī)橋梁工程可拆解可拼裝的預(yù)制構(gòu)件中，蓋梁無疑是相對(duì)最重的單體構(gòu)件，由其自重而制約的運(yùn)輸?shù)跹b問題常常成為裝配式結(jié)構(gòu)和施工方案如何實(shí)施甚至能否實(shí)施的關(guān)鍵。

受運(yùn)輸和吊裝條件的約束[1]，針對(duì)高架主線橋蓋梁超重，實(shí)際工程中多采用分段預(yù)制甚至現(xiàn)澆，如果能通過降低蓋梁自重實(shí)現(xiàn)蓋梁的整體預(yù)制并運(yùn)輸、安裝，將大大方便施工，大幅提高預(yù)制拼裝效率和效益。因此有必要對(duì)蓋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行輕型化研究，推動(dòng)預(yù)制拼裝技術(shù)的發(fā)展。

1 裝配式蓋梁現(xiàn)狀

公路和城市道路典型結(jié)構(gòu)是跨徑30 m 的小箱梁，雙向六車道規(guī)模，橋面寬度B=26 m 左右。蓋梁往往都采用雙柱大懸臂結(jié)構(gòu)，以方便地面車行道的布置，節(jié)約城市用地，同時(shí)橋下空間也顯得通透，整體景觀效果好（見圖1）。

圖1 大懸臂蓋梁效果圖

雙向六車道高架橋標(biāo)準(zhǔn)段上部結(jié)構(gòu)由6～8 片小箱梁組成，橋墩為雙立柱+大挑臂T 型蓋梁結(jié)構(gòu)，立柱中心距一般在約5.5 m，見圖2。蓋梁截面一般采用矩形或近似矩形（矩形切角），中心高度約為2.6 m，端頭高度約為1.0 m，寬度（順橋向）2.2 m 左右。單片蓋梁即便是最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)其混凝土用量也達(dá)到100 m3，重約260 t，若整片預(yù)制后運(yùn)輸，含車重約350 t。國內(nèi)已建高架橋標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁整片預(yù)制案例很少，基本上位于運(yùn)輸距離短、交通條件好、既有路橋設(shè)施承載力高的新城區(qū)。

圖2 分段預(yù)制蓋梁典型結(jié)構(gòu)圖及安裝圖（單位：mm）

目前，大部分已建橋梁預(yù)制蓋梁采用分段預(yù)制。分段預(yù)制的蓋梁總體尺寸略大于整段預(yù)制，一般分兩段預(yù)制，中間留1.5 m 長后澆混凝土帶。單個(gè)蓋梁節(jié)段混凝土用量約48 m3，重約125 t，一般場地都具備運(yùn)輸條件。相對(duì)整片預(yù)制，分段預(yù)制另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是其適用于橋?qū)捇蚩鐝缴晕⒉灰恢碌姆菢?biāo)段，這也使得分段預(yù)制在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。

2 裝配式蓋梁輕型化的目的和意義

由于常規(guī)單片蓋梁整段預(yù)制過重，對(duì)運(yùn)輸車輛（軸重、車長等）、線路條件及交通管理都很苛刻，甚至無法實(shí)現(xiàn)，楊煒等[2]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)澆式蓋梁、整體預(yù)制蓋梁和分段式預(yù)制蓋梁的對(duì)比，最終選擇了分段式預(yù)制蓋梁。

但是蓋梁分段預(yù)制和安裝存在以下問題：

（1）兩次運(yùn)輸、安裝影響快速化施工。

（2）后澆段混凝土質(zhì)量不如廠內(nèi)整體預(yù)制質(zhì)量，并且需要現(xiàn)場等待齡期和強(qiáng)度到達(dá)要求后方可進(jìn)行下一步施工，影響施工速度。

（3）半片蓋梁自身難穩(wěn)定、平衡，無論是運(yùn)輸、吊裝還是墩頂上安裝都需要大梁臨時(shí)支架和壓重平衡，加大施工措施費(fèi)，并影響道路保通要求。

（4）分體結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力穿束精度要求高。后澆混凝土顏色與預(yù)制結(jié)構(gòu)顏色也有差異。

（5）閆興非等[3]針對(duì)分段預(yù)制的大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁，做了模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明，分段預(yù)應(yīng)力蓋梁的拼接縫是蓋梁的薄弱環(huán)節(jié)。

綜上，蓋梁整段預(yù)制安裝可克服上述不利影響，故進(jìn)行蓋梁輕型化研究，降低預(yù)制蓋梁重量能夠加快施工速度，提高工程質(zhì)量，降低現(xiàn)場作業(yè)難度，節(jié)約造價(jià)以及提高蓋梁外觀觀感有著積極作用。

同時(shí)蓋梁降低重量，不但能降低自身造價(jià)和運(yùn)輸安裝費(fèi)用，還能降低墩柱、基礎(chǔ)的承載力，降低墩柱和基礎(chǔ)的方量，進(jìn)一步節(jié)約造價(jià)。

3 裝配式蓋梁輕型化研究方向和內(nèi)容

解決結(jié)構(gòu)輕型化問題，主要有兩個(gè)方向，其一是采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，其二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式（包括斷面形式）。

現(xiàn)階段用于結(jié)構(gòu)主體輕質(zhì)高強(qiáng)的材料主要就兩種：鋼材和超高性能混凝土（UHPC）。若全線采用鋼結(jié)構(gòu)蓋梁，其造價(jià)大大超出常規(guī)造價(jià)甚至與全線采用鋼梁或鋼混組合梁的造價(jià)相當(dāng)。高性能混凝土（UHPC）改善力學(xué)性能，減小結(jié)構(gòu)尺寸，提高結(jié)構(gòu)耐久性有明顯優(yōu)勢(shì)。李立峰等[4]已經(jīng)對(duì)采用UHPC 材料的薄壁蓋梁進(jìn)行了1∶2 的模型試驗(yàn)，但也僅處于初期研究階段。誠然UHPC 有著非常多的材料性能上的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，但就目前階段，其相對(duì)于普通混凝土（含高標(biāo)號(hào)混凝土）優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)域、受拉部位、疲勞和易損部位、接縫位置以及與鋼結(jié)構(gòu)形成疊合截面，單獨(dú)與鋼筋或預(yù)應(yīng)力形成共同截面以抵抗外力上不具備明顯優(yōu)勢(shì)，諸如在蓋梁這類大實(shí)體構(gòu)件中，發(fā)揮不出應(yīng)有的性能優(yōu)勢(shì)，并且造價(jià)昂貴。

綜合以上分析，本文對(duì)蓋梁輕型化研究方向?yàn)閮?yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，材料上依然采用普通預(yù)應(yīng)力混凝土。

（1）蓋梁橫斷面采用T 形截面（見圖3）

圖3 T 形截面蓋梁結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

注意到矩形截面在蓋梁結(jié)構(gòu)局部區(qū)段未發(fā)揮應(yīng)有的功能，頂面因需要支承上部結(jié)構(gòu)而需保證必要的寬度，故對(duì)矩形截面下半部分兩側(cè)進(jìn)行“切割”形成T 形截面。陳德銘[5]已于1997年設(shè)計(jì)并使用了T形截面蓋梁，但后續(xù)國內(nèi)并沒有大量推廣使用。

（2）蓋梁采用矩形空心截面

基于同樣的思路，蓋梁結(jié)構(gòu)局部區(qū)段未發(fā)揮所有截面功能，但是考慮到截面下緣需要一定受壓寬度來平衡力矩，同時(shí)為保證外輪廓的“干凈整潔”，對(duì)矩形截面進(jìn)行“挖空”形成空心截面（見圖4）。

圖4 矩形空心截面蓋梁結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

空心截面其內(nèi)膜采用一次性PVC 材料（輕質(zhì)高強(qiáng)），與鋼筋一體成型同步放置在蓋梁模架上。

上述兩種截面優(yōu)化方向本質(zhì)上是一致的，一種是“外挖空”，另一種是“內(nèi)挖空”，本次研究的重點(diǎn)也是盡可能“多挖冗余混凝土”形成較小面積的截面，進(jìn)而降低蓋梁自重。

由于T 形截面和空心截面蓋梁，減少了常規(guī)蓋梁部分“冗余混凝土”，減輕了自重，故可相應(yīng)的減少蓋梁配筋和預(yù)應(yīng)力，減少蓋梁造價(jià)；而自重的降低，又進(jìn)一步減少了現(xiàn)場運(yùn)輸和吊裝的重量，相對(duì)于分段預(yù)制的常規(guī)蓋梁更進(jìn)一步的降低了造價(jià)。

4 計(jì)算分析

標(biāo)準(zhǔn)蓋梁采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土（C 60）構(gòu)件，上部結(jié)構(gòu)為30 m 跨徑小箱梁，立柱間距5.2 m，分別建立T 形截面蓋梁和矩形空心截面蓋梁有限元計(jì)算模型（見圖5），采用橋博V 3.6.0 軟件，并根據(jù)現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）[6]（以下簡稱規(guī)范）來復(fù)核計(jì)算結(jié)果。矩形空心截面蓋梁計(jì)算結(jié)果如下：

圖5 標(biāo)準(zhǔn)矩形空心截面蓋梁計(jì)算模型

（1）正截面抗裂驗(yàn)算（見圖6、圖7）

圖6 準(zhǔn)永久組合上下緣最小正應(yīng)力（單位：MPa）

圖7 頻遇組合上下緣最小正應(yīng)力（單位MPa）

（2）斜截面抗裂驗(yàn)算（見圖8）

圖8 頻遇組合主拉應(yīng)力（單位：MPa）

準(zhǔn)永久組合下未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求：頻遇組合下拉應(yīng)力為0.61 MPa，未超過規(guī)范要求最大允許拉應(yīng)力0.7 ftk=0.7×2.85=1.995 MPa；頻遇組合下主拉應(yīng)力最大為0.86 MPa，未超過規(guī)范要求最大允許拉應(yīng)力0.7 ftk=0.7×2.65=1.995 MPa，滿足規(guī)范要求。

（3）持久狀況混凝土應(yīng)力驗(yàn)算

由圖9、圖10 可知，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范最大正應(yīng)力不超19.25 MPa，主壓應(yīng)力不超23.1 MPa 的要求。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合上下緣最大正應(yīng)力（單位：MPa）

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合主壓應(yīng)力（單位：MPa）

（4）持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

如圖11、圖12 所示，蓋梁極限抗彎滿足要求。

圖11 最大抗力及對(duì)應(yīng)內(nèi)力（單位：kN/m）

圖12 最小抗力及對(duì)應(yīng)內(nèi)力（單位：kN/m）

T 形截面蓋梁計(jì)算結(jié)果基本類似，均能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，故不再列舉。

通過兩種形式的結(jié)構(gòu)計(jì)算，在合理的鋼束配置條件下，T 形截面和空心截面蓋梁受力性能與常規(guī)蓋梁類似，均能滿足結(jié)構(gòu)的承載力要求，表示這兩個(gè)方案均可行。

5 結(jié)論

本文僅對(duì)輕型化蓋梁構(gòu)造了合理的截面及對(duì)應(yīng)的構(gòu)造形式，解決蓋梁承載力計(jì)算問題；后續(xù)需進(jìn)一步研究頂?shù)装?、支承件的連接方法及構(gòu)造形式，并需通過試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比研究新截面蓋梁的局部受力及整體承載力性能，進(jìn)而反饋并修正設(shè)計(jì)計(jì)算成果，最終確定構(gòu)造形式，鋼束和鋼筋布置形式。