斜彎橋漸變段脊骨梁施工方案綜述

廖劉算, 杜曉雷

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司, 杭州 310030)

隨著高速公路建設(shè)越來越完善,互通設(shè)置越來越多,互通分合流處斜彎橋梁建設(shè)也相應(yīng)增加[1]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,斜彎橋梁往往采用預(yù)制梁板或現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)形式。預(yù)制梁板可通過調(diào)整濕接縫寬度、梁板長度及梁端角度適應(yīng)斜彎橋的變化[2],但需要額外定制多套預(yù)制模板,增加了施工成本,更降低了施工效率;現(xiàn)澆箱梁采用現(xiàn)場立模澆筑施工,能較好地適應(yīng)斜彎橋的空間形狀變化[3-4],但存在箱式內(nèi)腔,施工模板復(fù)雜且營運(yùn)期維護(hù)檢修較為困難。在保證工程質(zhì)量的前提下,當(dāng)務(wù)之需是探尋一種對斜彎橋有良好的適應(yīng)性,便于運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)、檢測的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

20世紀(jì)70年代初,脊骨梁出現(xiàn)在美國城市公路高架中[5-6],又稱翼結(jié)構(gòu)(Wing Structure),20世紀(jì)90年代后我國開始立項(xiàng)研究[7],并最早應(yīng)用于上海內(nèi)環(huán)線工程[8],起初是帶大挑臂的單脊梁或雙脊梁板式結(jié)構(gòu),結(jié)合纖細(xì)的柱式墩,使橋梁結(jié)構(gòu)輕巧美觀。脊骨梁橋適合處理斜交橋與彎橋等情形,其結(jié)構(gòu)輕盈、造型美觀、墩臺基礎(chǔ)量少,節(jié)約橋下空間,特別適合城市立交橋[9-11]。山區(qū)高速公路橋梁一般位于城市外,施工時橋下空間利用受限少,可選擇的施工方法多,因此更能拓展現(xiàn)澆脊骨梁的應(yīng)用。文獻(xiàn)[12-15]指出大挑臂脊骨梁比其他箱梁的縱橫向剪力滯效應(yīng)更明顯。為此,本文介紹一種采用開放性實(shí)體斷面形式的新型預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆脊骨梁,其小挑臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),可進(jìn)一步減小剪力滯效應(yīng),主梁沿縱向采用了無橫肋設(shè)計(jì),極大簡化了現(xiàn)場施工模板,對斜彎橋有良好的適應(yīng)性,便于運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)、檢測。

1 工程概況

浙江西部某典型山區(qū)高速公路的分水互通主線橋長899.05 m,其第16～18跨位于分水江左岸,位于曲線上,且跨徑、斜交角度均沿路線變化,設(shè)計(jì)時考慮設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)脊骨梁。

脊骨梁平面位于半徑1 550 m圓曲線上,左幅斜交角度分別為90°、90°、75°、70°,長30+2×24.264=78.52 m,寬13.795 m～12.50 m,采用雙脊梁斷面,見圖1。右幅斜交角度分別為90°、90°、75°、65°,長30+2×26.54=83.08 m,寬20.944 m～16.858 m,采用三脊梁斷面,見圖2。脊骨梁脊梁底寬1.0 m,頂寬1.3 m,外側(cè)懸臂長2.0 m,內(nèi)側(cè)通過調(diào)整脊梁間距控制橋面寬度,頂板厚0.3 m。脊骨梁內(nèi)布置縱橫雙向預(yù)應(yīng)力體系,縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)置腹板束和頂板束,均為通長布置,橋面板沿縱向每50 cm布置橫向預(yù)應(yīng)力。脊骨梁下部結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的柱式墩、樁基礎(chǔ)。

(a) 平面

(a) 平面

2 施工流程及關(guān)鍵工序

分水互通主線橋脊骨梁位于平坦農(nóng)田,梁底距地面高度約13 m,橋跨下無通行需求,宜采用滿堂支架法進(jìn)行現(xiàn)澆施工。脊骨梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束按照通長布置,錨頭均在脊骨梁腹板端部,因此需先進(jìn)行脊骨梁施工,再施工相鄰跨的橋梁。

2.1 測量放樣

依托工程的脊骨梁位于互通區(qū)漸變段,其縱橫坡、平面線形均沿著里程變化,為了精準(zhǔn)控制其空間結(jié)構(gòu)線形,相較于普通結(jié)構(gòu),其對施工測量的要求更高,需在搭設(shè)支架時就精確控制支架標(biāo)高,從而控制最后的成橋橋面標(biāo)高。在施工過程中應(yīng)隨時測量放樣,對結(jié)構(gòu)的變形過程進(jìn)行隨時監(jiān)測和記錄,從而及時對支架標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整。

2.2 基礎(chǔ)處理

1) 基礎(chǔ)分區(qū)域細(xì)化設(shè)計(jì)

脊骨梁采用開放式斷面設(shè)計(jì),即橫斷面呈多個連續(xù)的T形,其脊梁處單位面積混凝土澆筑方量大,而翼板處單位面積混凝土澆筑方量較小,使得施工支架荷載分布極不均勻,脊梁處支架對基底承載能力要求較翼板處更高。為了防止支架基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,以致影響脊骨梁混凝土澆筑質(zhì)量,需分區(qū)域?qū)A(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)。常規(guī)的支架基礎(chǔ)為等強(qiáng)設(shè)計(jì),整個場地承載力相同,若脊骨梁采用常規(guī)方法,則翼板支架處基礎(chǔ)工程造價存在浪費(fèi)。為此,對脊骨梁支架基礎(chǔ)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì),采取框格基礎(chǔ)方式加固處理脊梁、隔板位置,見圖3,同時加密脊梁處支架數(shù)量,增強(qiáng)基底受力的均勻性。

圖3 右幅支架立桿布置示意

2) 基礎(chǔ)處理

清除表層耕植土,開挖至滿足地基承載力要求的標(biāo)高處,填筑宕渣,要求密實(shí)度達(dá)95%,再澆筑15 cm厚C25混凝土場地硬化,脊梁、隔板下方設(shè)置條形基礎(chǔ),混凝土澆筑厚度不小于30 cm,必要時增加鋼筋網(wǎng)加固基礎(chǔ);對于斜坡地段,支架地面做成臺階狀,在支架周邊設(shè)置排水溝截水,避免基底被水浸泡出現(xiàn)松軟現(xiàn)象。

3) 基礎(chǔ)受力分析

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015),對脊骨梁支架基礎(chǔ)加固處理前后的基地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表1。從表1可知,對支架基礎(chǔ)分區(qū)域細(xì)化設(shè)計(jì)后,其梁肋處基底應(yīng)力與翼板處的基底應(yīng)力較接近,整個基礎(chǔ)受力較均勻。因此,整個基底土層可按同一指標(biāo)進(jìn)行處理,以有效減少基礎(chǔ)工程成本,節(jié)約投資。

表1 基底應(yīng)力計(jì)算

2.3 支架施工

支架系統(tǒng)采用盤扣式鋼管支架,其立面、斷面布置見圖4。支架立桿采用Φ48×3.2 mm鋼管,縱向間距為0.9 m;根據(jù)施工荷載分布的極不均勻性,支架橫向間距按立柱受力情況分為2種:0.6 m和1.2 m,其中脊梁處加密支架取0.6 m,翼板下取1.2 m,使得基礎(chǔ)受力更為均勻;豎向標(biāo)準(zhǔn)步距為1.5 m。為了使脊骨梁空間線形滿足互通區(qū)斜彎漸變段的空間位置精度要求,立柱頂部采用可調(diào)頂托,可調(diào)整支架高度值為60 cm。頂托上架設(shè)10#槽鋼作為橫向分布梁,槽鋼上鋪設(shè)10 cm×10 cm方木,方木上鋪設(shè)1.5 cm厚竹膠板面板作模板。

(a) 立面

不同于現(xiàn)澆箱梁,脊骨梁翼板、脊梁橫斷面上呈多個T形,為了避免盤扣式鋼管支架立桿高度不一,增加不必要的施工支架復(fù)雜性,在脊梁支架的托頂橫梁上設(shè)置小鋼管支架來支撐翼板底模,保證盤扣式鋼管支架施工盡可能保持標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。小鋼管支架立桿縱向間距90 cm,橫向間距100 cm,步距60 cm。

支架搭設(shè)前必須再次復(fù)核各點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高,包括縱斷面、橫斷面、超高漸變等組合的高程值,確保各控制點(diǎn)標(biāo)高準(zhǔn)確。

2.4 模板施工

脊骨梁模板要有足夠的強(qiáng)度和剛度,以保證成橋的形狀、尺寸的準(zhǔn)確性。

1) 新型脊骨梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1) 采用開放式斷面,無需設(shè)置內(nèi)模;(2) 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束按照通長布置,錨頭均在脊骨梁腹板端部,無外露齒塊;(3) 采用小挑臂設(shè)計(jì),無需設(shè)置橫肋;(4) 模板結(jié)構(gòu)簡單,易于加工及拆裝。

但由于橋梁位于路線曲線段,且橋?qū)挕⑿苯唤嵌染芈肪€變化,不同位置模板尺寸不一,鋼模成形要求極高,不利于脊骨梁施工質(zhì)量,因此,施工模板采用δ=15 mm厚的竹膠合板,在弧面成型上適應(yīng)能力好,強(qiáng)度、剛度也能滿足使用要求。

2) 模板質(zhì)量要求

(1) 模板表面平整光滑。平整確保澆筑梁體外形美觀,光滑確保新澆梁體避免受模板溫度變形產(chǎn)生裂縫。

(2) 模板接縫應(yīng)嚴(yán)密、不漏漿、不變形,確?；炷羶?nèi)實(shí)外光,否則需用砂輪機(jī)打磨混凝土表面。模板不變形,即可控制澆筑質(zhì)量,又可避免梁體圬工量與設(shè)計(jì)出入較大。為防止模板變形,可在腹板中設(shè)對拉螺桿予以固定。

3) 模板施工要求

(1) 模板施工中需按照設(shè)計(jì)設(shè)置預(yù)拱度;(2) 根據(jù)預(yù)壓情況調(diào)整模板標(biāo)高,并在后續(xù)施工過程中隨時監(jiān)測和記錄模板變形情況,以便及時調(diào)整偏差;(3) 因有縱坡,在立脊骨梁模板時,橫梁的模板要注意保持豎直。

2.5 支架系統(tǒng)預(yù)壓

為消除支架非彈性變形及地基變形、觀測支架各處撓度變形量,提供設(shè)置施工預(yù)拱度的依據(jù),支架與模板在脊骨梁施工前需進(jìn)行壓載試驗(yàn)。由于脊骨梁自身特點(diǎn),預(yù)壓荷載分布極不均勻,脊梁處預(yù)壓重量較大,而大噸位預(yù)壓易將竹膠板模板壓損變形,影響脊骨梁外觀質(zhì)量,經(jīng)綜合考慮,采用優(yōu)質(zhì)竹膠板上加鋪保護(hù)性模板(舊竹膠板)的施工方法,見圖5。

圖5 混凝土壓重塊布置示意

壓載荷載分布與施工荷載分布一致,脊梁處荷載最大,約6.5 t,翼板處荷載次之,約0.9 t。相較于現(xiàn)澆箱梁,脊骨梁采用無底板設(shè)計(jì),因此不存在一個平坦的底模,如若完全采用沙袋或水袋壓重,如此數(shù)量的壓重材料將對脊梁側(cè)模形成較大的擠壓力,易使側(cè)模變形,因此脊骨梁壓重采用混凝土預(yù)制塊進(jìn)行壓重?；炷翂K較沙袋或水袋更易加或卸載,卸載后亦可作為工地臨時隔斷、路基壓重用。預(yù)制塊尺寸1 m×1 m×1 m,內(nèi)部設(shè)置Φ25起吊鋼筋籠,單塊重量約2.6 t,脊梁處預(yù)制塊堆疊放置,并放置砂袋,使得預(yù)壓重量精確地滿足設(shè)計(jì)要求,翼板等位置擺放砂袋以滿足預(yù)壓重量要求。

當(dāng)縱向加載時,宜從混凝土結(jié)構(gòu)跨中開始向兩側(cè)支點(diǎn)處進(jìn)行對稱加載;當(dāng)橫向加載時,應(yīng)從混凝土結(jié)構(gòu)中心線向兩側(cè)進(jìn)行對稱布載。

2.6 鋼筋、波紋管施工

1) 鋼筋施工

加工場制作鋼筋,現(xiàn)場綁扎成型,鋼筋安裝分2次:第1次為脊梁、端橫梁及隔板;第2次為翼板,將其綁扎固定后再綁扎底板上層鋼筋、倒角鋼筋等。

2) 波紋管施工

預(yù)埋預(yù)應(yīng)力管道應(yīng)準(zhǔn)確定位,并用“井”字形限位鋼筋將波紋管與鋼筋骨架焊(或綁扎)在一起,直線段間距不大于0.5 m,曲線段適當(dāng)加密,確保預(yù)應(yīng)力管道位置正確、穩(wěn)固。

由于脊骨梁縱向預(yù)應(yīng)力按通長布置,鋼束較長,除了應(yīng)在固定端接好通氣孔外,在其中間和最高點(diǎn)位置處亦應(yīng)設(shè)置壓漿通氣管道。通氣孔可用塑料管,并將其引出梁頂面400 mm～600 mm,在施工時要用木塞塞緊。

2.7 混凝土澆筑

現(xiàn)澆脊骨梁混凝土為C50,采用逐孔澆筑進(jìn)行施工。考慮一聯(lián)圬工方量大,以右幅為例,一跨澆筑的混凝土方量約為445 m3,混凝土分上下層2次澆筑,先澆脊梁,再澆頂板。

澆筑脊梁的步序:1) 澆筑豎向支架剛度最為薄弱區(qū)域(遠(yuǎn)離橋墩支撐)的混凝土;2) 澆筑剛度較大區(qū)域(橋墩附近)混凝土,澆筑過程中需防止墩頂位置出現(xiàn)豎向裂縫;3) 在脊梁混凝土澆筑完成后,及時鑿除脊梁頂面混凝土,以保證新老混凝土粘結(jié)良好;4) 混凝土澆筑必須連續(xù)不斷,不設(shè)施工縫,施工過程中應(yīng)注意觀測支架變位,通過支架上的標(biāo)高控制輔助調(diào)整措施糾正標(biāo)高,以滿足設(shè)計(jì)要求。

脊骨梁橋面平整度主要靠橋面標(biāo)高的精確控制和橋面板、翼緣板澆筑工藝是否完善。主要控制措施:1) 在腹板鋼筋上增加定位控制筋,先用滾筒澆筑法澆筑橋面板,后用座式磨光機(jī)進(jìn)行整平;2) 混凝土澆筑完成、收漿后及時啟用自動噴淋養(yǎng)護(hù)裝置進(jìn)行養(yǎng)生,保持混凝土面始終處于潮濕狀態(tài)。

2.8 預(yù)應(yīng)力施工

脊骨梁中的預(yù)應(yīng)力也是質(zhì)量控制的重點(diǎn)之一,其施工順序如下:

1) 預(yù)應(yīng)力鋼束穿束

由于脊骨梁順橋向鋼束均為通長鋼束,鋼束較一般現(xiàn)澆箱梁長且管道拐角數(shù)量多、角度大,可借助一根Φ5長鋼絲作為引線,用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行穿束。為便于穿束,將穿入端用銅焊制成錐體狀,且加以包裹,以防穿壞波紋管。穿束前用壓力水沖洗孔內(nèi)雜物,觀察有無串孔現(xiàn)象,再吹干孔內(nèi)水分。為減少張拉時的摩阻力,對長、曲束鋼絞線在進(jìn)孔前涂中性肥皂液,涂沫時鋼束兩端留出2 m勿涂。

2) 預(yù)應(yīng)力張拉

當(dāng)梁體混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)的90%,且齡期達(dá)到14 d后,嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)確定的張拉順序進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉施工。張拉按先長束后短束、左右平衡對稱張拉的原則進(jìn)行。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完畢,孔道應(yīng)盡早壓漿。

2.9 支架拆除

在脊骨梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉結(jié)束后,同步養(yǎng)生的試塊強(qiáng)度達(dá)到要求強(qiáng)度時,可進(jìn)行支架拆除作業(yè)。拆除順序?yàn)橄炔鸪缰刑幹Ъ?再拆除橋墩處支架。

3 結(jié)論

1) 新型預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆脊骨梁及施工技術(shù)能很好地適應(yīng)橋梁變寬、變角度,較現(xiàn)澆箱梁具有模板簡單、施工難度低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

2) 新型預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆脊骨梁采用開放式實(shí)體斷面設(shè)計(jì),可通過調(diào)整脊梁數(shù)量及脊梁間距控制橋面寬度;通過小挑臂設(shè)計(jì)和鋼束通長布置設(shè)計(jì)替代了常規(guī)脊骨梁橫肋設(shè)計(jì)及現(xiàn)澆箱梁外露齒塊設(shè)計(jì)。

3) 新型預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆脊骨梁與現(xiàn)澆箱梁施工流程類似,但因脊骨梁縱向鋼束錨頭均在腹板端部,須早于相鄰橋跨的施工。

4) 新型預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆脊骨梁施工荷載極不均勻,對模板支架、支架基礎(chǔ)、支架系統(tǒng)預(yù)壓進(jìn)行分區(qū)域細(xì)化設(shè)計(jì),有效降低了施工成本。