預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁掛籃懸臂澆筑與支架現(xiàn)澆施工設(shè)計(jì)對(duì)比分析

史雋健SHI Jun-jian

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

漳武線永定至南靖高速公路南靖段工砵程鴻大橋位于漳州市南靖縣，上跨地方路，原設(shè)計(jì)主橋采用（40+60+40）m預(yù)應(yīng)力砼掛籃懸澆變截面連續(xù)箱梁。開(kāi)工后為加快施工進(jìn)度，上部結(jié)構(gòu)由掛籃懸澆變更為支架現(xiàn)澆施工。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁構(gòu)造

雖然懸臂澆筑和支架現(xiàn)澆施工方法不同，但成橋后均為連續(xù)梁受力體系，故兩者采用相同的主梁構(gòu)造尺寸。

主梁全長(zhǎng)=2×[10.94m（邊跨直線段）+27.75m（變截面段）+2.5m（中橫梁）+27.75m（變截面段）+1m（1/2中跨直線段）]=139.88m。主梁采用直腹板單箱單室截面，中支點(diǎn)梁高3.6m，邊支點(diǎn)梁高1.9m，箱梁頂寬12.75m，懸臂長(zhǎng)3m，腹板厚50～70cm，頂板厚28cm，底板厚0.28+0.22（X/27.75）^1.8m。主梁斷面如圖1所示。

圖1 主梁斷面

2.2 主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束

采用懸臂澆筑和支架現(xiàn)澆施工時(shí)，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置分別如表1、表2所示。

表1 懸臂澆筑鋼束型號(hào)一覽表

表2 支架現(xiàn)澆鋼束型號(hào)一覽表

2.3 造價(jià)對(duì)比分析

變更前后主要工程量變化如表3所示。

表3 工程量及造價(jià)對(duì)比表

懸臂澆筑和支架現(xiàn)澆施工，雖采用相同的主梁構(gòu)造，但因支架現(xiàn)澆施工節(jié)段少、搭接鋼筋少、齒塊布置少，故混凝土及普通鋼筋工程量較懸臂澆筑均有減少。支架現(xiàn)澆施工一次張拉全橋預(yù)應(yīng)力鋼束，因此配有較多通長(zhǎng)鋼束，鋼絞線工程量有所增加。經(jīng)施工圖預(yù)算分析，在考慮掛籃、支架等施工措施費(fèi)用后，支架現(xiàn)澆方案較懸臂澆筑方案造價(jià)減少約46萬(wàn)元。

3 施工步驟

3.1 懸臂澆筑施工

原設(shè)計(jì)采用懸臂澆筑施工，墩頂0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)12m，6個(gè)懸澆段（2個(gè)長(zhǎng)3.5m、4個(gè)長(zhǎng)4m），邊跨現(xiàn)澆直線段長(zhǎng)8.94m，邊、中跨合攏段長(zhǎng)2m。節(jié)段劃分如圖2所示。具體施工步驟如下：①完成下部結(jié)構(gòu)施工后，拼裝主墩墩旁托架、臨時(shí)支撐及邊跨直線段支架并預(yù)壓，施工0號(hào)節(jié)段。②安裝懸臂施工掛籃，施工1號(hào)節(jié)段。③掛籃前移，按步驟②流程依次施工2～6號(hào)節(jié)段。1～4號(hào)節(jié)段豎向預(yù)應(yīng)力筋均延后兩個(gè)節(jié)段張拉，5號(hào)、6號(hào)節(jié)段與合攏段、直線段一起張拉。④5號(hào)節(jié)段施工時(shí)，安裝邊跨支座及臨時(shí)支墊，施工邊跨直線段。⑤掛籃拆除，邊跨合攏段安裝勁性骨架后，施工邊跨合攏段。⑥拆除臨時(shí)支撐及支架，臨時(shí)鎖定活動(dòng)支座，主梁落于支座上。⑦中跨合攏安裝勁性骨架，施工中跨合攏段。釋放臨時(shí)鎖定的活動(dòng)支座。待達(dá)到張拉件后，張拉中跨合攏段預(yù)應(yīng)力鋼束并壓漿。拆除支架。⑧進(jìn)行鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)施工，全面成橋。

圖2 懸臂澆筑施工節(jié)段劃分

3.2 支架現(xiàn)澆施工

變更為支架現(xiàn)澆施工后，為保證混凝土澆筑質(zhì)量，全橋劃分為5個(gè)施工節(jié)段，1號(hào)段（變截面段）長(zhǎng)58m，2號(hào)段（邊跨直線段）長(zhǎng)10.94m，3號(hào)段（中跨跨中直線段）長(zhǎng)2m。節(jié)段劃分如圖3所示。具體施工步驟如下：

圖3 支架現(xiàn)澆施工節(jié)段劃分

①施工下部結(jié)構(gòu)并搭設(shè)加強(qiáng)立柱、支架并預(yù)壓。安裝主墩支座并臨時(shí)鎖定。澆筑1號(hào)段混凝土并養(yǎng)護(hù)。②澆筑2號(hào)段混凝土并養(yǎng)護(hù)。③澆筑3號(hào)段混凝土并養(yǎng)護(hù)?；炷翉?qiáng)度達(dá)到后，解除主墩縱向活動(dòng)支座臨時(shí)固定。待滿足鋼束張拉條件時(shí)，張拉鋼束并壓漿。④進(jìn)行鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)施工，全面成橋。

3.3 施工對(duì)比分析

懸臂澆筑搭設(shè)支架少，工期對(duì)橋下道路交通影響較小，但節(jié)段劃分、施工步驟較多，工期較長(zhǎng)。

支架現(xiàn)澆工法簡(jiǎn)單，大節(jié)段澆筑混凝土，一次張拉全橋預(yù)應(yīng)力鋼束，工期短。但需在被交路行車道兩側(cè)搭設(shè)支架，施工期間需進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕煌ü苤疲瑢?duì)交通有一定影響。

4 主要荷載分析

4.1 永久作用

恒載：主梁結(jié)構(gòu)容重按26kN/m3。

二期恒載：包含鋪裝、護(hù)欄等附屬設(shè)施重量，取值69.6kN/m。

不均勻沉降：墩、臺(tái)不均勻沉降考慮10mm。

預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)：管道采用塑料波紋管成孔，管道摩擦系數(shù)u=0.17；管道偏差系數(shù)K=0.0015。

混凝土收縮徐變：相對(duì)濕度取80%，收縮徐變時(shí)間3650天。

4.2 可變作用

溫度梯度：如表4所示。

表4 溫度梯度

均勻溫度：體系整體均勻升溫25℃，均勻降溫為23℃。汽車荷載：采用公路Ⅰ級(jí)汽車荷載等級(jí)。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

主梁結(jié)構(gòu)離散為梁?jiǎn)卧Ｐ停卜?34個(gè)單元，采用橋梁博士3.6版建模計(jì)算。主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.1 懸臂澆筑施工

計(jì)算按施工0號(hào)節(jié)段、掛籃懸臂施工懸澆段、澆筑邊跨直線段、對(duì)稱合龍邊跨、合龍中跨、二期恒載、收縮徐變等劃分施工階段，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。主要計(jì)算結(jié)果如下。

①承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁邊跨跨中下緣最大正彎矩39852kN·m，對(duì)應(yīng)抗力55062kN·m；中跨跨中下緣最大正彎矩57065kN·m，對(duì)應(yīng)抗力63770kN·m；中支點(diǎn)上緣最大負(fù)彎矩200933kN·m，對(duì)應(yīng)抗力299375kN·m，結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求，且有一定富余。

②持久狀況下的正常使用極限狀態(tài)最大正應(yīng)力、最大主應(yīng)力驗(yàn)算主梁。

③持久狀況下的正常使用極限狀態(tài)最小正應(yīng)力、最小主應(yīng)力驗(yàn)算。

主梁跨中上、下緣最小正壓應(yīng)力分別為0.34MPa和1.01MPa，支點(diǎn)上、下緣最小正壓應(yīng)力分別為0.05MPa和5.92MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。主梁最小主拉應(yīng)力為，滿足規(guī)范要求。

④施工階段短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算。

本橋預(yù)應(yīng)力張拉要求混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%，故在施工荷載作用下截面邊緣混凝土壓應(yīng)力，拉 應(yīng) 力，均滿足規(guī)范要求。

5.2 支架現(xiàn)澆施工

計(jì)算按分批澆筑1～3號(hào)段混凝土、一次張拉預(yù)應(yīng)力鋼束等施工流程劃分計(jì)算階段，對(duì)結(jié)構(gòu)在施工階段及運(yùn)營(yíng)階段均進(jìn)行了驗(yàn)算。主要計(jì)算結(jié)果如下。

①承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁邊跨跨中下緣最大正彎矩46482kN·m，對(duì)應(yīng)抗力64571kN·m；中跨跨中下緣最大正彎矩75120kN·m，對(duì)應(yīng)抗力99035kN·m；中支點(diǎn)上緣最大負(fù)彎矩191329kN·m，對(duì)應(yīng)抗力234689kN·m，結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求，且有一定富余。

②持久狀況下的正常使用極限狀態(tài)最大正應(yīng)力、最大主應(yīng)力驗(yàn)算。

③持久狀況下的正常使用極限狀態(tài)箱梁最小正應(yīng)力、最小主應(yīng)力驗(yàn)算。

主梁跨中上、下緣最小正壓應(yīng)力分別為1.79MPa和1.69MPa，支點(diǎn)上、下緣最小正壓應(yīng)力分別為0.06MPa和5.82MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。主梁最小主拉應(yīng)力為，滿足規(guī)范要求。

④施工階段短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算。

本橋預(yù)應(yīng)力張拉要求混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%，故在施工荷載作用下截面邊緣混凝土壓應(yīng)力，拉應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。

5.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

兩種施工方法的主要內(nèi)力、應(yīng)力指標(biāo)對(duì)比如表5、表6所示。

表5 主要內(nèi)力指標(biāo)對(duì)比表 單位：kN·m

表6 主要應(yīng)力指標(biāo)對(duì)比表 單位：MPa

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用支架現(xiàn)澆施工時(shí)，中支點(diǎn)上緣負(fù)彎矩減小，邊、中跨跨中下緣正彎矩增大。這是由于采用支架現(xiàn)澆施工時(shí)，梁體受支架承托支撐，結(jié)構(gòu)處于超靜定狀態(tài)，且懸臂末端設(shè)有加強(qiáng)立柱，故懸臂結(jié)構(gòu)同時(shí)存在正負(fù)彎矩；采用懸臂澆筑施工時(shí)，掛籃懸澆階段，懸臂各節(jié)段結(jié)構(gòu)始終承受負(fù)彎矩。故兩種施工方案的成橋狀態(tài)彎矩有所不同。

兩種施工方案，因預(yù)應(yīng)力鋼束布置不同，抗彎承載力也有所不同。采用支架現(xiàn)澆施工時(shí)，中支點(diǎn)上緣抗彎強(qiáng)度較小，邊、中跨跨中下緣抗彎強(qiáng)度增大。這是由于采用支架現(xiàn)澆施工時(shí)，預(yù)應(yīng)力體系腹板束均采用通長(zhǎng)鋼束，跨中下彎鋼束多，為跨中提供更多抗力。采用懸臂澆筑施工時(shí)，因懸澆節(jié)段多，可以根據(jù)負(fù)彎矩分布在每個(gè)節(jié)段依次設(shè)置頂板束、腹板束，預(yù)應(yīng)力效率更高，為中支點(diǎn)上緣提供更多抗力。

在應(yīng)力方面，支架現(xiàn)澆因施工節(jié)段少，可以配置更多的通長(zhǎng)鋼束。在工程量基本相同的情況下，最小應(yīng)力有更大的富余量，結(jié)構(gòu)受力情況更為簡(jiǎn)單明了。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，支架現(xiàn)澆方案采用通長(zhǎng)鋼束配合部分加強(qiáng)短束，應(yīng)力指標(biāo)更好控制，便于設(shè)計(jì)人員調(diào)整。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)主跨跨徑較小、墩高較矮、地形平坦、無(wú)不良地質(zhì)情況時(shí)，同時(shí)可采用掛籃懸臂澆筑和支架現(xiàn)澆施工兩種工法。本文通過(guò)鴻砵大橋（40+60+40）m預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁兩種施工方法的設(shè)計(jì)對(duì)比，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的主梁構(gòu)造、施工步驟、結(jié)構(gòu)受力等情況分析進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可為今后同類型橋梁工法選擇提供一定依據(jù)。

①預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)梁支架現(xiàn)澆與掛籃懸臂澆筑兩種工法相比，構(gòu)造尺寸設(shè)計(jì)基本相同，但因兩者工法不同，結(jié)構(gòu)受力有所差異，特別是在施工階段、鋼束配置、梁體節(jié)段劃分、受力驗(yàn)算等方面。②相較于懸臂澆筑施工，支架現(xiàn)澆施工因梁體節(jié)段劃分少，可采用通長(zhǎng)鋼束配合部分加強(qiáng)短束，應(yīng)力儲(chǔ)備更加充裕，受力情況更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)更有利于設(shè)計(jì)人員調(diào)整。③在地質(zhì)條件較好、地形平坦處，支架搭設(shè)便利，支架現(xiàn)澆施工方法簡(jiǎn)單，梁體節(jié)段少，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束一次張拉，故能大大縮短工期。若地形地貌復(fù)雜、存在不良地質(zhì)情況，對(duì)支架基礎(chǔ)和支架要求較高，具有一定施工安全風(fēng)險(xiǎn)，且會(huì)造成施工費(fèi)用增加。④支架現(xiàn)澆施工需在橋下地面大量搭設(shè)支架，若橋下存在道路等控制因素，施工期間需進(jìn)行交通管制，對(duì)交通有一定影響。橋下道路等級(jí)高、交通量大時(shí)，采用對(duì)橋下地面控制因素影響小的懸臂澆筑施工更加合適。⑤綜合對(duì)比兩種施工方案，主梁工程量相當(dāng)。設(shè)計(jì)階段還需要充分考慮工期、地質(zhì)條件、地形地貌、橋下控制因素等情況等多方面因素，合理選擇橋梁方案。