小跨徑現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)和施工方案優(yōu)化思路

楊益鳴，李孟暉

（中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

1 引言

曲線段的橋梁匝道在平面和縱斷面上變化急劇，需要在較短線型內(nèi)完成交通流向的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)縱橫坡的平順過渡，結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜。這對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性、抗裂性、抗變形能力都有較高的要求。本文以斯里蘭卡科倫坡城市固廢處理項(xiàng)目為背景，以16 跨公路橋現(xiàn)澆箱梁以及3 跨鐵路橋現(xiàn)澆箱梁為分析對象，從曲線線型、超靜定結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力需求、施工工藝以及項(xiàng)目工期和成本角度來考慮，深析小半徑曲線梁橋的設(shè)計(jì)與優(yōu)化思路。

2 工程概況

項(xiàng)目所屬地位于低洼沼澤區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)利用架空平臺進(jìn)行標(biāo)高抬升，故將道路設(shè)置為橋梁形式。所述項(xiàng)目共有現(xiàn)澆箱梁19 跨，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 項(xiàng)目現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 梁體結(jié)構(gòu)形式

該項(xiàng)目橋梁段轉(zhuǎn)彎半徑較小，若采用裝配式結(jié)構(gòu)，存在下列問題：

1）預(yù)制構(gòu)件需要單獨(dú)采購和制作模板進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，增加了施工成本；

2）項(xiàng)目場地狹長有限，若再對曲線部位的構(gòu)件進(jìn)行吊裝合龍，施工機(jī)具擺設(shè)空間不足，實(shí)施難度較大。

采用現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢：

1）曲線部位構(gòu)件采用現(xiàn)澆形式可以實(shí)現(xiàn)一箱多室，整體性能好，且易于做成復(fù)雜形狀；

2）可以避免由預(yù)制拼裝后二次澆筑鉸縫位置所帶來的耐久性差的問題。

考慮到本項(xiàng)目對梁體縱橫向的空間抗彎、抗扭要求較高，故在公路橋和鐵路橋的曲線段均采用現(xiàn)澆箱梁的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 預(yù)應(yīng)力張拉條件

本項(xiàng)目鐵路現(xiàn)澆箱梁采用了后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)初期，業(yè)主要求同時(shí)滿足“雙控”條件（即混凝土強(qiáng)度達(dá)到95%，且養(yǎng)護(hù)齡期不小于28 d）方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉工序。經(jīng)查閱相關(guān)資料及類似工程實(shí)例，工程所在地溫度條件有利于混凝土早期形成較大強(qiáng)度。混凝土試塊進(jìn)行強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)后，顯示8 d 混凝土（3 組試塊）平均強(qiáng)度值為51.5 MPa，大于設(shè)計(jì)值（95%）47.5 MPa，8 d 的混凝土彈性模量平均值為40 991 MPa，大于設(shè)計(jì)值（95%）32 775 MPa。因此，獲得監(jiān)理批準(zhǔn)，在加強(qiáng)現(xiàn)場施工養(yǎng)護(hù)和改善混凝土施工配合比的條件下，適當(dāng)減少了張拉前的養(yǎng)護(hù)天數(shù)。由于本項(xiàng)目的關(guān)鍵路徑為橋梁施工，優(yōu)化之后共節(jié)省了約30 d 的總工期。

3.3 預(yù)應(yīng)力混凝土類型

按照國際和國內(nèi)規(guī)范，預(yù)應(yīng)力混凝土可被分為3 種類型。

英標(biāo)BS 5400-4：1990 Part4：Code of Practice for Design of Concrete Bridges[1]對預(yù)應(yīng)力混凝土的彎拉極限狀態(tài)分類為：

1）Class 1 為不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件；

2）Class 2 為允許出現(xiàn)所列范圍內(nèi)的拉應(yīng)力，但不允許出現(xiàn)可見裂縫的構(gòu)件；

3）Class 3 為允許出現(xiàn)所列范圍內(nèi)的拉應(yīng)力，且允許出現(xiàn)寬度在所列范圍內(nèi)的裂縫的構(gòu)件。

我國JTG D62—2004《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》（以下簡稱《公路橋規(guī)》）中6.1.2 規(guī)定[2]，根據(jù)預(yù)應(yīng)力度（消壓彎矩與外荷載產(chǎn)生彎矩的比值）也將預(yù)應(yīng)力混凝土分為3 類。

1）全預(yù)應(yīng)力混凝土：在作用（或荷載）下構(gòu)件任何截面的受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力（不得消壓）；

2）部分預(yù)應(yīng)力混凝土：A 類構(gòu)件是荷載下受拉邊緣的拉應(yīng)力受限，B 類構(gòu)件是荷載下受拉邊緣出現(xiàn)的裂縫寬度受限；

3）鋼筋混凝土：無預(yù)加應(yīng)力的構(gòu)件。

英標(biāo)和我國規(guī)范對于第1 類構(gòu)件的劃分原則一致；第2類構(gòu)件分類中，國標(biāo)又細(xì)分為A、B 兩類構(gòu)件，國標(biāo)A 類對應(yīng)英標(biāo)Class 2，國標(biāo)B 類對應(yīng)英標(biāo)Class 3。

業(yè)主對于鐵路橋現(xiàn)澆箱梁的預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)等級要求較為含糊：根據(jù)業(yè)主書面要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)參照BS 8110：1997 Structural Use of Concrete[3]和BS 5400-4 規(guī)范，同時(shí)，要求預(yù)應(yīng)力混凝土的分析和設(shè)計(jì)應(yīng)參照BS 8110 的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則。但是，對于橋梁混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)是否應(yīng)強(qiáng)制按照“Class 1”或“Class 2”，并未界定清楚。2 種要求下的預(yù)應(yīng)力混凝土張拉等級差別懸殊[4]，工藝要求不同，施工成本不同。

項(xiàng)目采取優(yōu)化措施如下：

1）對比中英標(biāo)的有關(guān)研究[5]，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的BS 8110 中已規(guī)定適用范圍不包含“橋梁設(shè)計(jì)”，而適用于橋梁設(shè)計(jì)的BS 5400-4 又未對設(shè)計(jì)等級進(jìn)行強(qiáng)制要求。

2）本項(xiàng)目橋梁最大跨度只有25 m，國內(nèi)《公路橋規(guī)》規(guī)定100 m 以內(nèi)的小跨徑橋梁允許按照部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，新加坡Criteria for Road and Rail Transit System 中也說明對于車站結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)當(dāng)以Class 2 進(jìn)行設(shè)計(jì)；國內(nèi)外資料均表示：全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件如果由于超載而導(dǎo)致的破壞將是沒有預(yù)兆的脆性破壞，而用于小跨徑橋梁的部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件從抗拉到逐漸受拉則顯示出更耐久的性能，不但可以節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材，也能避免出現(xiàn)梁的過大返拱。

3）大量搜集2）中規(guī)范要求的國內(nèi)外設(shè)計(jì)案例，在類似本項(xiàng)目的其他小跨徑預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)和荷載類型下，采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是符合抗裂要求的。

4）通過向業(yè)主展示鐵路現(xiàn)澆梁按Class 2（即A 類部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件）進(jìn)行設(shè)計(jì)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（見圖1），跨中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力約1.0 N/mm2，對照BS 5400-4 中對于Class 2 構(gòu)件的拉應(yīng)力最大允許值為2.55 N/mm2（見表2），證明本橋在短期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算符合業(yè)主要求。

表2 英標(biāo)BS 5400-4 中Cl as s 2 構(gòu)件的拉應(yīng)力允許值N/mm2

圖1 本項(xiàng)目鐵路橋短期效應(yīng)組合下的應(yīng)力狀態(tài)

基于大量論證的基礎(chǔ)，更加清晰地厘定了本項(xiàng)目橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分類，推動了價(jià)值工程，節(jié)省了箱梁設(shè)計(jì)高度、預(yù)應(yīng)力布筋方面的成本。

4 施工方案優(yōu)化

4.1 箱梁支撐方案

原設(shè)計(jì)方案中，現(xiàn)澆梁的支撐形式均采用鋼管支墩加貝雷架。考慮到工期較長、費(fèi)用較高的原因，在對支撐區(qū)域地基承載力和沉降檢測之后，對支撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，具體優(yōu)化措施如下：

按照J(rèn)GJ 300—2013《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，采用三維有限元ANSYS 軟件對支架、承重梁、貝雷架構(gòu)件及鋼管立柱等進(jìn)行復(fù)核（見圖2），結(jié)果表明支架方案中各類構(gòu)件承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 貝雷架弦桿承載力驗(yàn)算

考慮到鋼管支墩的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，采用三維有限元ANSYS 軟件對立柱鋼管優(yōu)化后的長細(xì)比進(jìn)行了穩(wěn)定性復(fù)核，并按照J(rèn)TJ 152—2012《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對貝雷梁結(jié)果的撓度進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)果表明，立柱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)撓度均滿足設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)澆箱梁支撐架結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)化情況見表3。

表3 現(xiàn)澆箱梁支撐架結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)化結(jié)果

4.2 混凝土澆筑工藝

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁整聯(lián)施工時(shí)基本上采用“兩次準(zhǔn)備，兩次澆注”的施工工藝，即分2 次進(jìn)行箱梁底板、腹板、頂板的鋼筋和內(nèi)外模板安裝。為提升現(xiàn)澆箱梁整體美觀，并適當(dāng)縮短施工工期。本工程對傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行了一定優(yōu)化，采用了“一次準(zhǔn)備、一次澆筑”的施工工藝，即一次性完成箱梁的鋼筋、模板后進(jìn)行一次性澆筑。具體措施如下。

1）混凝土一次性澆筑，縱向從撓度大往小處澆筑，橫向澆筑順序：底腹板倒角處→底板→腹板→頂板。

2）澆筑方式為分段澆筑，即先澆筑支座橫梁處的C50 混凝土，再同步澆筑每跨跨中段C50 混凝土。

3）采用斜向分段，水平分層澆筑方法，從低處一端向高處一端呈梯狀分層連續(xù)澆筑，在下層混凝土初凝前澆筑完成上層混凝土。

5 結(jié)語

本文基于在建工程橋梁設(shè)計(jì)和施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在滿足技術(shù)要求、規(guī)范要求的前提下，總結(jié)出對現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土的張拉等級、張拉時(shí)間條件等設(shè)計(jì)要素優(yōu)化的思路；同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)化了支撐方案和澆筑方案，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。本文的優(yōu)化思路是以本工程為例，對同類型橋梁的梁體設(shè)計(jì)可提供一定借鑒和參考。