甌江北口大橋南引橋上層節(jié)段梁施工方案優(yōu)化分析

王 敏，肖 林，鄭和暉，夏崟濠

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430014；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430014)

1 工程概況

甌江北口大橋南引橋上層采用等高單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)節(jié)段梁，上下行分幅布置，跨徑布置為5×50m，立面布置如圖1所示。箱梁全寬16.25m，中心梁高3.0m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖2所示。全橋箱梁頂板厚均為28cm，跨中箱梁截面腹板厚45cm，底板厚27cm，根部截面腹板厚70cm，底板厚50cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55。箱梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，其中縱向預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)和體外相結(jié)合的形式，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束包括腹板束、跨中底板束和一聯(lián)內(nèi)相鄰兩跨間底板束，體外預(yù)應(yīng)力束為全橋合龍后張拉的合龍束。

圖1 南引橋上層節(jié)段梁立面布置

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置(單位：cm)

箱梁采用隱橫梁構(gòu)造，橫梁長(zhǎng)19.2m，與箱梁等高，中橫梁寬2.5m，端橫梁寬2.2m，均與箱內(nèi)橫隔板位置對(duì)應(yīng)。隱橫梁包含預(yù)制殼體和現(xiàn)澆部分，其中現(xiàn)澆部分由箱內(nèi)橫隔板現(xiàn)澆段(含腹板部分)和橫梁外伸段組成，隱橫梁結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 隱橫梁結(jié)構(gòu)形式

原節(jié)段梁施工方案主要流程如下：①搭設(shè)臨時(shí)支架，架橋機(jī)吊裝首跨節(jié)段，包括橫梁預(yù)制殼體；②張拉首跨簡(jiǎn)支狀態(tài)下體內(nèi)束，放置在臨時(shí)支架的臨時(shí)支座上；③架橋機(jī)前移至下一跨安裝位置，吊裝本跨節(jié)段梁并張拉體內(nèi)束；④重復(fù)以上步驟，直至本聯(lián)全部節(jié)段安裝完畢，形成支撐于臨時(shí)支架的5跨簡(jiǎn)支梁狀態(tài)；⑤澆筑隱橫梁現(xiàn)澆部分混凝土，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉橫梁精軋螺紋鋼；⑥張拉整聯(lián)體外束；⑦逐墩張拉橫梁橫向預(yù)應(yīng)力束，橫梁就位于墩頂永久支座上，拆除臨時(shí)支架。

原施工方案臨時(shí)支架的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，臨時(shí)支架除承受相鄰兩半跨節(jié)段梁自重外，同時(shí)用于前支腿站位，由于臨時(shí)支架直接支撐于底層梁梁面，施工期底層梁梁面及支座位置開裂風(fēng)險(xiǎn)大。由于臨時(shí)支架內(nèi)部?jī)魧捰邢?，運(yùn)梁車需頻繁通過，因碰撞支架引起坍塌風(fēng)險(xiǎn)較高。臺(tái)風(fēng)季節(jié)施工時(shí)，臨時(shí)支架受風(fēng)荷載影響較大，傾覆風(fēng)險(xiǎn)大。此外，原施工方案架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，由于墩身截面尺寸較小，架橋機(jī)支撐架設(shè)計(jì)難度大，且墩頂人員操作空間狹小，高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高[1-4]。故若按原方案施工，臨時(shí)支架和架橋機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，為保障節(jié)段梁按期且安全建設(shè)完成，需優(yōu)化施工方案及結(jié)構(gòu)。

2 施工方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化后施工方案及優(yōu)化效果

為降低臨時(shí)支架和架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)，將原方案先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工工藝變更為逐跨連續(xù)工藝。優(yōu)化后的主要施工流程如下：①搭設(shè)臨時(shí)支架及模板，完成墩頂塊的現(xiàn)澆；②混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉墩頂塊橫向預(yù)應(yīng)力束，拆除臨時(shí)支架；③架橋機(jī)懸掛一跨內(nèi)的節(jié)段梁，節(jié)段間靠臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉緊；④澆筑位于墩頂塊兩側(cè)的濕接縫，待強(qiáng)度形成后張拉本跨體內(nèi)束；⑤架橋機(jī)前移至下一跨安裝位置，重復(fù)以上步驟直至本聯(lián)全部節(jié)段安裝完畢；⑥張拉整聯(lián)體外束。

優(yōu)化后的施工方案，臨時(shí)支架僅用于支撐墩頂塊自重，架橋機(jī)支腿支撐于張拉后的墩頂塊上，大幅降低臨時(shí)支架和架橋機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，逐跨連續(xù)施工工序得到簡(jiǎn)化，全現(xiàn)澆墩頂塊整體性優(yōu)于預(yù)制殼體+部分現(xiàn)澆，墩頂塊兩側(cè)設(shè)置的濕接縫有利于調(diào)整節(jié)段梁安裝線形[5-6]。

2.2 縱向體內(nèi)束墩頂塊內(nèi)交叉錨固

墩頂塊由于整體現(xiàn)澆，節(jié)段梁的腹板束無法在內(nèi)部錨固，節(jié)段梁體內(nèi)腹板束在墩頂塊的錨固形式需重新設(shè)計(jì)，且由于墩頂塊自身預(yù)應(yīng)力體系較復(fù)雜，布置空間有限，預(yù)應(yīng)力布置需開展細(xì)化研究。基于設(shè)計(jì)及施工兩方面的考慮，提出了如下節(jié)段梁腹板束錨固端設(shè)計(jì)原則：①預(yù)應(yīng)力束豎彎及平彎半徑不小于最小彎曲半徑限值6m，且預(yù)應(yīng)力束保護(hù)層厚度不低于100mm；②穿過墩頂塊的腹板束不與墩頂塊自身預(yù)應(yīng)力束位置沖突，也不與墩頂塊內(nèi)部體外束孔道位置沖突；③腹板束在墩頂塊上的錨點(diǎn)與箱梁內(nèi)部輪廓應(yīng)隔開一定距離，以保證預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備足夠的工作空間。

基于上述原則，提出如圖4所示的交叉錨固方案，相比原錨固形式，進(jìn)行如下調(diào)整：①本跨腹板束錨固在相鄰跨箱梁內(nèi)部墩頂塊表面，相鄰兩跨腹板束在墩頂塊內(nèi)部形成交叉錨固的形式；②ZF1束在橫梁內(nèi)部?jī)H有平彎，使橫梁表面的錨點(diǎn)無仰角，確保預(yù)應(yīng)力束的張拉空間，其余鋼束在橫梁內(nèi)部既有平彎又有豎彎；③墩頂塊兩側(cè)錨點(diǎn)采用非對(duì)稱布置，豎向上錯(cuò)開，以避免在兩側(cè)腹板束空間位置沖突。

圖4 腹板束布置形式對(duì)比

基于CAD三維建模功能分析墩頂塊區(qū)域體內(nèi)束分布情況，體內(nèi)束分布模型如圖5所示。結(jié)果表明各組件間未發(fā)生碰撞干涉，且預(yù)應(yīng)力束保護(hù)層厚度均≥100mm，交叉錨固方案可實(shí)現(xiàn)合理布束。

圖5 墩頂塊區(qū)域體內(nèi)束分布

2.3 墩頂塊體內(nèi)束布置及人孔尺寸優(yōu)化

原墩頂塊跨中段體內(nèi)束均靠近下緣布置，在墩頂塊現(xiàn)澆完成的施工階段，一次張拉全部體內(nèi)束必然導(dǎo)致墩頂塊頂面拉應(yīng)力超限。由于墩頂塊數(shù)量多，分次張拉工藝不利于縮短工期，且操作難度大，需優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)澆墩頂塊體內(nèi)束，優(yōu)化前后體內(nèi)束布置對(duì)比如圖6所示。中部墩頂塊在上層增設(shè)6根16φs15.2體內(nèi)束，端部墩頂塊在上層增設(shè)4根16φs15.2體內(nèi)束，新增體內(nèi)束中心距離頂面30cm。此外墩頂塊下部預(yù)應(yīng)力束錨點(diǎn)附近平直段下移47cm，可滿足施工全過程及運(yùn)營(yíng)期墩頂塊上下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力的受力需求。

圖6 優(yōu)化前后墩頂塊體內(nèi)束布置及人孔尺寸

施工方案變更后，當(dāng)一聯(lián)內(nèi)相鄰兩跨體內(nèi)束張拉完，架橋機(jī)前移過程后支腿倒運(yùn)時(shí)，架橋機(jī)中支腿傳遞到墩頂塊的豎向力有10 050kN，此外墩頂塊還承受相鄰兩半跨節(jié)段梁的自重，墩頂塊受力較不利。為降低由于人孔處挖空引起的應(yīng)力集中，在滿足施工期及運(yùn)營(yíng)期人員與設(shè)備通行的前提下，將人孔尺寸由120cm×140cm減小到80cm×100cm。

2.4 墩頂塊現(xiàn)澆質(zhì)量及進(jìn)度保障措施

墩頂塊改為現(xiàn)澆后，為降低現(xiàn)澆墩頂塊收縮的不利影響，保障施工進(jìn)度，提出以下措施：①墩頂塊存放至少3個(gè)月后連接架設(shè)節(jié)段梁；②現(xiàn)澆作業(yè)時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控原材料、混凝土拌合、入模和澆筑溫度，并采取墩頂塊內(nèi)部布設(shè)冷卻水管、分層澆筑及拆模后覆膜養(yǎng)護(hù)等措施，解決溫度引起的大體積混凝土開裂問題[7]；③墩頂塊鋼筋骨架采用胎架上綁扎+整體吊裝入模工藝，既保障鋼筋綁扎質(zhì)量，又有利于提高工效，降低現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；④為減小預(yù)應(yīng)力管道的線形偏差，按設(shè)計(jì)線形準(zhǔn)確放樣，并安裝定位鋼筋網(wǎng)片，在曲線及接頭處加倍設(shè)置。

3 優(yōu)化方案計(jì)算分析

3.1 主梁應(yīng)力分析

為分析施工方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后主梁在施工過程、成橋狀態(tài)及恒荷載+活荷載+溫度組合工況的受力情況，利用MIDAS Civil建立整聯(lián)縱向分析模型，交叉錨方案整聯(lián)模型如圖7所示。

圖7 交叉錨方案整聯(lián)分析模型

模型中模擬交叉錨方案的總體施工工藝及體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力束布置，其中成橋狀態(tài)考慮10年的收縮徐變效應(yīng)，活載按4車道公路-I級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)施加，溫度荷載考慮整體升降溫20℃、梁截面正負(fù)溫差及上述工況組合。交叉錨方案主梁在成橋及恒荷載+活荷載+溫度組合工況下，上下緣應(yīng)力如下：①成橋狀態(tài) 主梁上緣最大、最小應(yīng)力分別為-0.8，-7.5MPa，主梁下緣最大、最小應(yīng)力為-2.3，-8.9MPa；②恒荷載+活荷載+溫度 主梁上緣最大、最小應(yīng)力為-0.5，-12.4MPa，主梁下緣最大、最小應(yīng)力為-0.9，-11.1MPa。主梁上下緣在2種工況下均無受拉情形，最大壓應(yīng)力發(fā)生在恒荷載+活荷載+溫度組合工況一跨跨中上緣，壓應(yīng)力12.4MPa，應(yīng)力值在混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

3.2 墩頂塊應(yīng)力分析

經(jīng)分析，墩頂塊施工及運(yùn)營(yíng)全過程中，最不利受力工況分別對(duì)應(yīng)主梁上緣和下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備達(dá)到最?。孩俟r1 墩頂塊全部預(yù)應(yīng)力束一次張拉完；②工況2 相鄰兩跨張拉完，架橋機(jī)后支腿倒運(yùn)時(shí)，中支腿傳遞到墩頂塊的荷載為10 050kN，此外墩頂塊還承受相鄰兩半跨節(jié)段梁自重13 100kN，工況2墩頂塊受力狀態(tài)如圖8所示。

圖8 工況2墩頂塊受力狀態(tài)

由于梁?jiǎn)卧治瞿Ｐ蜔o法考慮人孔處挖空對(duì)應(yīng)力分布影響，也無法考慮墩頂塊與兩側(cè)已安裝節(jié)段間的相互作用，故基于ANSYS三維實(shí)體模型對(duì)墩頂塊開展相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。兩工況有限元模型分別如圖9，10所示?；炷敛捎肧olid92單元模擬，預(yù)應(yīng)力束采用Link8單元模擬，采用初始張拉應(yīng)力施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力束與混凝土采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方式連接，模型邊界條件按相應(yīng)工況實(shí)際邊界施加[8]。

圖9 工況1有限元模型

圖10 工況2有限元模型

工況1模型中施加的荷載包括重力及墩頂塊自身預(yù)應(yīng)力荷載，工況2模型的實(shí)體模型包括墩頂塊及相鄰4個(gè)節(jié)段(兩側(cè)各2個(gè)節(jié)段)，模型中包含主梁及墩頂塊的全部預(yù)應(yīng)力束，在模型兩端各設(shè)置1個(gè)耦合點(diǎn)與端面所有節(jié)點(diǎn)自由度耦合，耦合點(diǎn)上施加與同工況梁?jiǎn)卧Ｐ拖嗤恢锰幪崛〉墓?jié)點(diǎn)力，提取節(jié)點(diǎn)力彎矩為4 907kN·m，軸力-38 175kN，剪力為1 413kN。

兩工況墩頂塊橫向應(yīng)力分布如圖11所示。由圖11a可知，工況1墩頂塊頂面主拉應(yīng)力基本為負(fù)值，表明墩頂塊頂面未受拉，最大主拉應(yīng)力發(fā)生在支座邊緣，底面最大主壓應(yīng)力約16.6MPa。由圖11b可知，工況2墩頂塊底面基本未受拉，頂面最大主壓應(yīng)力約14.3MPa，人孔周邊應(yīng)力集中程度低，拉應(yīng)力也基本在限值范圍內(nèi)。錨固區(qū)、支座區(qū)域及人孔附近是主拉應(yīng)力較高區(qū)域，需在該區(qū)域加強(qiáng)配筋預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。

圖11 墩頂塊主拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4 結(jié)語

甌江北口大橋南引橋上層節(jié)段梁原施工方案主梁及架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，為保障節(jié)段梁按期且安全建設(shè)完成，對(duì)施工方案及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算分析優(yōu)化方案后的主梁及墩頂塊應(yīng)力，對(duì)墩頂塊最不利受力工況開展局部應(yīng)力復(fù)核計(jì)算，結(jié)論如下。

1)優(yōu)化后的施工方案不僅大幅降低臨時(shí)支架和架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)，且施工工序得到簡(jiǎn)化，全現(xiàn)澆墩頂塊整體性更好。

2)成橋狀態(tài)主梁上緣最大壓應(yīng)力為7.5MPa，下緣最大壓應(yīng)力為8.9MPa，主梁無受拉情形發(fā)生。在荷恒載+活荷載+溫度組合工況下，主梁上下緣均無拉應(yīng)力，主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.4MPa，下緣最大壓應(yīng)力為11.1MPa，均在抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

3)通過在墩頂塊上層新增橫向預(yù)應(yīng)力束、下層預(yù)應(yīng)力束錨點(diǎn)下移、減小人孔尺寸等措施，使墩頂塊在最不利工況下，頂面及底面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，主壓應(yīng)力基本在限值范圍內(nèi)，錨固區(qū)、支座區(qū)域及人孔附近是主拉應(yīng)力較高的區(qū)域，需在該區(qū)域加強(qiáng)配筋預(yù)防裂縫的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的墩頂塊受力基本安全。