大懸臂倒T 型預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計與施工技術(shù)探討

■倪政斌

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，城市化進(jìn)程加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，為提高機(jī)動車通行效率，解決道路擁堵問題，快速路、高架橋的建設(shè)也隨之增多[1]。 相對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，上部采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，能降低工程造價；標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化施工能有效縮短施工周期，降低臨時占地成本，減少對周邊環(huán)境的影響。 研究表明，相比于傳統(tǒng)的矩形蓋梁，倒T 型蓋梁結(jié)構(gòu)體系通過將部分蓋梁結(jié)構(gòu)藏入預(yù)制裝配式簡支小箱梁高度范圍，能有效降低主梁以下的結(jié)構(gòu)外露高度，若將其與大懸臂設(shè)計相結(jié)合，能顯著提高橋下空間利用率，節(jié)約建設(shè)成本，改善橋梁外觀[2]。但限于其復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)，設(shè)計細(xì)節(jié)上的疏忽或施工過程中的偏差往往會影響結(jié)構(gòu)本身或相應(yīng)附屬構(gòu)件的使用性能，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的適用性、耐久性、安全性產(chǎn)生重要影響。 基于此，本文通過實(shí)例項(xiàng)目，對大懸臂倒T 型蓋梁設(shè)計要點(diǎn)及施工注意事項(xiàng)做進(jìn)一步探討。

1 大懸臂倒T 蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工程概況

泉州某快速路項(xiàng)目定位為一級公路兼城市快速路，雙向6 車道，設(shè)計速度80 km/h，主線高架橋總長約4.84 km， 設(shè)計寬度26 m。 高架橋上部結(jié)構(gòu)采用8 片30 m 預(yù)制裝配式簡支PC 小箱梁， 梁高1.6 m；采用結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)構(gòu)造形式，且每三跨設(shè)置1 處伸縮縫（每處2 道）；下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂倒T 型預(yù)應(yīng)力蓋梁，方柱橋墩配承臺樁基礎(chǔ)，全橋共計146 處，橋型橫斷面如圖1 所示。 橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15 g，橋梁抗震設(shè)防類別為B 類，抗震措施等級為三級。

圖1 橋型橫斷面圖

1.2 蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

大懸臂倒T 蓋梁長25.7 m，單側(cè)最大懸臂長度9.6 m，跨中高度3.6 m，倒T 寬度1.5 m，倒T 高度1.9 m，蓋梁下牛腿高度1.7 m，蓋梁總寬度3.5 m，混凝土標(biāo)號采用C50，構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 大懸臂倒T 型蓋梁一般構(gòu)造圖

蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計采用12 束φs15-14，均采用兩端張拉，對應(yīng)錨具采用M15-14 型，對應(yīng)波紋管采用φ 內(nèi)90 mm 塑料波紋管，鋼束布置如圖3所示。

圖3 大懸臂倒T 型蓋梁鋼束布置圖

1.3 結(jié)構(gòu)計算

1.3.1 有限元模型

采用橋梁計算專業(yè)軟件橋梁博士建立有限元計算模型。 蓋梁共劃分30 個單元、31 個節(jié)點(diǎn)，雙柱式橋墩共劃分10 個單元， 蓋梁有限元模型如圖4所示。

圖4 蓋梁有限元模型

1.3.2 設(shè)計荷載

（1）恒載：蓋梁自身重量，蓋梁倒T 范圍的橋面鋪裝按均布載考慮，邊、中砼護(hù)欄按集中力考慮。

（2）活載：公路-I 級，按6 車道計，并按車道數(shù)予以折減。

（3）溫度荷載：結(jié)構(gòu)所有單元均計入均勻溫差作用。 ①均勻溫差：升溫溫差取25℃，降溫溫差取-23℃；②梯度溫差：按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[3]中100 mm 瀝青砼鋪裝的模式取值。

（4）不均勻沉降：由于雙柱墩共用承臺，設(shè)計中不考慮沉降影響。

1.4 施工階段應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)蓋梁施工工序劃分7 個施工階段及1 個運(yùn)營階段，如表1 所示。

表1 施工工序劃分

經(jīng)驗(yàn)算， 各施工階段蓋梁應(yīng)力均滿足JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范》[4]第7.2.8 條規(guī)定要求。 其中最不利工況蓋梁上、下緣最小應(yīng)力如圖5～6 所示。

圖5 施工階段下緣最小應(yīng)力圖（第2 施工階段）

圖6 施工階段上緣最小應(yīng)力圖（第5 施工階段）

從圖中可知， 蓋梁下緣最小應(yīng)力為0.71 MPa的拉應(yīng)力， 該最不利工況出現(xiàn)在第2 施工階段，即蓋梁完成第一批次預(yù)應(yīng)力鋼束張拉。 此時上部梁片尚未架設(shè)，蓋梁僅受自重及預(yù)應(yīng)力作用，并與支架微脫離，蓋梁中心上緣拉應(yīng)力達(dá)到最大。 而蓋梁上緣最小應(yīng)力為0.7 MPa 的拉應(yīng)力，該最不利工況出現(xiàn)在第5 施工階段，即蓋梁完成所有梁片架設(shè)并完成濕接縫及橫梁澆筑。 此時第二批次預(yù)應(yīng)力鋼束尚未張拉，大懸臂根部上緣拉應(yīng)力達(dá)到最大。

1.5 運(yùn)營階段應(yīng)力驗(yàn)算

運(yùn)營階段蓋梁結(jié)構(gòu)按照A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行正截面和斜截面驗(yàn)算，蓋梁上、下緣最大、最小正應(yīng)力、主應(yīng)力分別如圖7～10 所示，均滿足JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范》第6.3.1 條規(guī)定要求。

圖7 蓋梁上、下緣最小正應(yīng)力圖（頻遇組合 短期效應(yīng)組合）

1.6 承載能力驗(yàn)算

蓋梁抗彎承載能力如圖11 所示， 各截面承載能力均滿足JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范》第5.1.2 條規(guī)定要求。

圖8 蓋梁上、下緣最大正應(yīng)力圖（標(biāo)準(zhǔn)值組合）

圖9 蓋梁上、下緣主拉應(yīng)力圖（頻遇組合 短期效應(yīng)組合）

圖10 蓋梁上、下緣主壓應(yīng)力圖（標(biāo)準(zhǔn)值組合）

圖11 蓋梁承載能力包絡(luò)圖

2 施工中易產(chǎn)生的問題與建議

2.1 施工過程中蓋梁上下緣裂縫

通過前述施工階段應(yīng)力分析可知，在第2、5 施工階段大懸臂蓋梁根部附近上、 下緣存在拉應(yīng)力，且應(yīng)力值達(dá)到最大。 由于計算中未考慮溫度效應(yīng)、施工荷載作用以及混凝土養(yǎng)生情況等因素，若實(shí)際施工過程中混凝土養(yǎng)生不到位或上述兩個階段的持續(xù)時間過長，則蓋梁表面極易出現(xiàn)裂縫[5]，如圖12所示。 盡管后續(xù)施工過程中裂縫會逐漸閉合，但若此時內(nèi)部鋼筋已發(fā)生銹蝕，亦會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性的降低。 因此，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)生，并建議在施工過程中盡量縮短蓋梁第一批次鋼束張拉至架梁以及架梁完成后張拉第二批次鋼束的時間間隔，做到緊湊施工。

圖12 混凝土表面裂縫

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束張拉槽口鋼筋

由于大懸臂倒T 蓋梁最上排預(yù)應(yīng)力鋼束張拉端位于蓋梁造型與預(yù)制裝配式小箱梁邊腹板一致的斜邊處，此處構(gòu)造復(fù)雜且空間較小，若設(shè)計過程中未考慮預(yù)應(yīng)力張拉槽口對蓋梁側(cè)面彎起的骨架鋼筋影響，兩者位置重疊，將造成槽口附近鋼筋截斷后搭接長度不足且施工操作困難，較難實(shí)現(xiàn)骨架鋼筋的恢復(fù)， 如圖13 所示。 故在設(shè)計階段，可采用將骨架鋼筋沿槽口構(gòu)造進(jìn)行彎折的方式避讓槽口范圍， 并在槽口外設(shè)置封錨鋼筋網(wǎng)，待蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完畢并壓漿后進(jìn)行封錨，如圖14 所示。

圖13 骨架鋼筋與蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉槽口重疊

圖14 骨架鋼筋沿蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉槽口彎折避讓

2.3 支座安裝

由于倒T 型蓋梁將部分蓋梁結(jié)構(gòu)藏入預(yù)制裝配式簡支小箱梁高度范圍，梁底支座安裝操作空間受到極大的限制，如圖15 所示。 若支座為帶有上連接鋼板的盆式支座或減隔震支座，當(dāng)采用焊接方式將支座上連接鋼板與梁底預(yù)埋調(diào)平鋼板進(jìn)行連接時，焊接施工的操作難度加大，影響支座連接質(zhì)量。故從支座連接的可靠性、易操作性以及便于后期運(yùn)營過程中維護(hù)更換等方面考慮，建議支座上鋼板采用螺栓連接的方式與預(yù)制裝配式簡支小箱梁進(jìn)行連接，如圖16 所示。 即將螺栓套筒與調(diào)平鋼板一同預(yù)埋在梁體內(nèi)， 并在支座墊石上預(yù)設(shè)地腳螺栓孔；吊裝預(yù)制箱梁前先將支座和下套筒螺栓等連接成整體并放置在墊石頂面；吊裝過程中確保支座上鋼板預(yù)留螺栓孔與梁體預(yù)留螺栓孔對齊后就位梁體，并緊固螺栓進(jìn)行鎖定；確認(rèn)支座位置及標(biāo)高無誤后，對墊石地腳螺栓孔進(jìn)行壓漿密實(shí)，完成支座安裝。

圖15 倒T 型蓋梁支座安裝空間受限

圖16 支座上、下鋼板連接示意圖

2.4 標(biāo)高控制與梁端縫寬

倒T 型蓋梁結(jié)構(gòu)體系上部橫向由多片預(yù)制簡支小箱梁組成，各梁片吊裝到位后再通過現(xiàn)澆濕接縫及橫隔板形成整體共同受力。 由于受到放樣及吊裝精度影響，架梁完成后梁端實(shí)際縫寬以及主梁與倒T 型蓋梁頂面高程會存在一定偏差， 如圖17 所示，若處理不當(dāng)，將會對橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)及伸縮縫的耐久性造成不利影響。

圖17 架梁后各結(jié)構(gòu)頂面間高差

梁端縫寬一般設(shè)計取值在4～6 cm，其誤差較難通過后續(xù)處理進(jìn)行調(diào)整，故在架梁前的各施工環(huán)節(jié)中應(yīng)注意以下2 點(diǎn)：一是在梁體預(yù)制過程中加強(qiáng)對梁長以及梁端縱坡豎直角的復(fù)核；二是在梁體吊裝過程中加強(qiáng)對放樣定位的控制。 而對于各結(jié)構(gòu)頂面間的標(biāo)高誤差，應(yīng)注意加強(qiáng)各施工環(huán)節(jié)中標(biāo)高的復(fù)測，及時通過支座墊石高度進(jìn)行調(diào)整。 若架梁后仍存在一定的標(biāo)高誤差，可采用環(huán)氧砂漿對結(jié)構(gòu)頂面進(jìn)行調(diào)平，兩側(cè)結(jié)構(gòu)頂面標(biāo)高達(dá)到一致后方可進(jìn)行橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的施工或伸縮縫的安裝。 為加強(qiáng)橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的抗裂性與耐久性，除了在橋面現(xiàn)澆層中設(shè)置局部加強(qiáng)鋼筋外，亦可采用鋼纖維混凝土鋪筑橋面現(xiàn)澆層或采用鋼混組合式橋面連續(xù)構(gòu)造。

3 結(jié)語

以泉州某快速路項(xiàng)目為實(shí)例，對大懸臂倒T 型預(yù)應(yīng)力蓋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計算分析。 通過對大懸臂倒T 型預(yù)應(yīng)力蓋梁施工過程中易產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉槽口鋼筋、支座安裝、標(biāo)高控制與梁端縫寬等問題進(jìn)行技術(shù)分析，提出設(shè)計與施工過程中應(yīng)注意的相關(guān)事項(xiàng)與解決方法：

（1）通過對蓋梁結(jié)構(gòu)受力計算分析可知，在實(shí)際施工過程中，蓋梁大懸臂根部附近上、下緣在各種因素影響下極易出現(xiàn)裂縫，將會對結(jié)構(gòu)耐久性造成一定影響。 建議在施工過程中加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)生，并做好施工組織安排，緊湊施工。

（2）倒T 型蓋梁構(gòu)造較為復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉槽口與骨架鋼筋重疊，影響鋼束張拉操作。 建議在設(shè)計過程中適當(dāng)調(diào)整骨架鋼筋構(gòu)造并增加張拉面防裂設(shè)計。

（3）若支座為帶有上連接鋼板的盆式支座或減隔震支座， 支座安裝操作空間將受到極大的限制。建議在設(shè)計過程中支座上連接鋼板采用螺栓與預(yù)制裝配式簡支小箱梁進(jìn)行連接，以保證支座連接的可靠性、施工的易操作性以及便于運(yùn)營過程中養(yǎng)護(hù)更換。

（4）上部結(jié)構(gòu)梁端縫寬以及各結(jié)構(gòu)頂面間標(biāo)高受到放樣及吊裝精度影響存在一定誤差，將影響橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)以及伸縮縫的耐久性。 建議在施工過程中加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸及標(biāo)高的復(fù)測，加強(qiáng)對吊裝定位的精度控制。

倒T 型蓋梁結(jié)構(gòu)體系相較于傳統(tǒng)矩形蓋梁體系擁有更為復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)，因此對設(shè)計與施工提出了更高的要求，只有將精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化融入結(jié)構(gòu)的全生命周期，方能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。