逐孔施工节段拼装混凝土箱梁设计方案对比研究

2014-09-26彭李立

城市道桥与防洪 2014年7期

彭李立

（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州 510507）

1 概述

预制节段拼装箱梁具有交通环境适应能力强、施工快捷、施工质量容易保证等诸多优点。随着近年来体外预应力技术水平的提高，预制节段拼装混凝土箱梁技术在我国得到了成功的运用及推广。如上海长江大桥、苏通长江大桥、崇启长江大桥等重大工程均采用了节段拼装混凝土箱梁。

节段拼装施工箱梁预应力体系一般采用体外或体内外混合配束的方法。目前，国内项目一般偏向于采用体内外混合配束方法。根据体内外预应力张拉顺序不同，逐孔节段拼装箱梁混合配束设计又分为先体内后体外预应力方案（后述方案一）及先体外后体内预应力方案（后述方案二）两种，前者先张拉体外预应力束后张拉体内预应力束，后者反之。本文就以上两种不同配束设计方案进行研究探讨。

2 施工顺序

方案一采用先简支后连续施工方法。首先通过架桥机逐孔吊装形成多跨简支梁。一孔预制箱梁吊装完成后，张拉该孔体内预应力束。为减少施工便道工程量，前孔箱梁施工完成后，运梁车从前孔已施工箱梁形成的运梁通道向后孔喂梁。因此后孔箱梁的施工需等待前孔箱梁已具备一定承载力情况下，才能开始施工。后孔箱梁吊装在前孔箱梁预应力灌浆完成并达到养护标准后开始。一联箱梁预制节段吊装施工完成后，现浇墩顶现浇段，张拉墩顶预应力钢束，达到体系转换，形成多跨连续梁。最后在二期铺装施工前，张拉一联体外预应力束，一联施工完成。

方案二采用连续逐跨施工方法。此种设计方案不设置墩顶现浇节段，仅每跨设置15～20 cm湿接缝段用于调整施工偏差。造桥机施工期间将架满的一孔梁通过与墩顶块交叉预应力作用形成连续梁。一孔箱梁预制节段吊装就位完毕后，张拉该孔箱梁体外预应力，一联预制箱梁施工完成后，张拉体内预应力钢束。限于吊装能力的控制，墩顶段一般分为两部分，预制部分及后浇部分。桥墩施工完成后，首先通过架桥机先期吊装墩顶节段，并浇筑后浇混凝土，以减少墩顶后浇部分浇筑养护对施工工期的影响。墩顶段达到受力要求后，开始每孔箱梁吊装。

先简支后连续施工方法优点是保留了简支预制的所有优点，缺点是其施工期间需在墩顶附近设置临时支承，设置运梁车临时过孔设施等。同时其墩顶现浇段现场立模浇注难度较大，质量不易得到保证。连续逐跨施工方法则省去了墩顶现浇段立模、临时制作、体系转换等工作，同时节省了体内束灌浆养护时间，施工速度快。但其结构受力与预应力布束却较简支变连续复杂。图1和图2分别为两种设计方案施工过程示意图。

图1 先体内后体外预应力方案施工过程示意

图2 先体外后体内预应力方案施工过程示意

3 结构受力分析

3.1 方案一

由于施工过程中结构体系转换的原因，逐孔施工节段拼装混凝土箱梁呈先简支后结构连续的受力状态。简支状态时，仅张拉体内束。体内束由恒载及施工活载控制设计。随着墩顶段施工及体外连续力束的施加，结构由简支转化为连续。体外预应力束主要用于承受二期恒载及活载。

由于先体内后体外施工方案采用先简支后连续施工方案。因此其恒载内力比较接近于简支梁受力。预应力次内力较小，负弯矩也相对较小。方案一对于小跨径梁比较占优势。跨径增加时，跨中恒载弯矩增加较快，方案一不具优势。

3.2 方案二

为了减少体外束形式的复杂性，方案二体内束仅用于调整跨中承载能力不足，及优化支点附近应力状态。恒载、施工荷载、二期恒载及活载全部由体外束来承受。

方案二采用连续逐跨施工方法，结构呈连续梁受力状态，预应力次内力较大，相对预应力效率较低。同时边跨箱梁施工时，由于没有中跨箱梁压重，边跨箱梁恒载作用下还是接近于简支梁受力。因此边中跨箱梁受力差别较大，增加了设计复杂性。

3.3 体内外预应力束比率

一般公路桥梁恒载与活载比率约为7/3～8/2，恒载比重较大。方案一体内束主要用于承受恒载，体外束用于承受二期恒载和活载，方案一体内束用量较多。而方案二两种类型预应力所发挥作用则完全相反。因此从结构受力上看，两种设计方案体内外束比率完全相反。前者体内束占较大比重，后者则体外束比重较大。

体内预应力束的粘结力对混凝土的应变起限制作用，体内外束比率越大，梁体刚度越大。所以对于节段拼装轨道交通桥梁来说，由于其对桥梁位移要求较为严格，一般采用全体内预应力。如广州地铁四号线节段拼装梁采用纯体内预应力设计[1]。

体内外束比率大小对节段拼装梁破坏形态有较大影响。体内预应力束由于粘结力的存在，造成体内预应力钢束在张开的接缝处产生应变集中，随着裂缝的开展，体内束在接缝处的应力急剧增加，最终发生拉断。因此体内预应力适筋梁容易发生脆性破坏。而体外预应力梁，由于预应力束与混凝土梁体之间可产生相对移动，体外预应力束与梁截面变形不协调，应变增加值可以在体外预应力钢束全长范围内调节。即使在主梁破坏阶段，体外预应力钢束应变增加不大。只要体外预应力钢束配置合理，主梁在破坏阶段仅发生混凝土开裂和压区破坏，不会发生体外预应力钢束的拉断。破坏后的混凝土与体外预应力钢束之间形成了一个新的受力平衡体系，产生的挠度很大，不会发生梁的突然断裂。因此体外预应力梁破坏状态一般为塑性破坏。采用合适的体内外束比率，使主梁刚度及主梁破坏形态控制在合理范围内。美国加利福利亚大学关于“预制节段桥梁上部结构抗震性能”试验得出结论，体内预应力节段梁及50%体内和50%体外预应力的混合配束节段梁由于混凝土压碎而发生脆性破坏[2]。两种设计由于体内外束比率差别较大，最终破坏形态存在较大差别。

3.4 结构构造

配置体内预应力梁腹板考虑预应力孔道影响需要加厚。而体外预应力束置于截面外部虽然腹板不需加厚，但其作用力臂减小，需要增加箱梁高度。从节省材料角度讲，两种设计方案差别不大。但应注意，目前国内体外预应力钢束整体价格比体内预应力钢束高出1～2倍，所以增加体外束用量会增加工程造价[2]。同时过多的体外束，其体外束转向块、锚固块设计较为困难。特别在端横梁位置，由于体外束的锚固作用，横梁端面在顶底板的支撑作用下产生巨大的拉力[3]，给设计增加了不少难度。

4 设计方案比选示例

某8车道5×45 m节段拼装箱梁两种不同配束方案下设计比选见表1。先体内后体外预应力方案荷载弯矩见图3，先体外后体内预应力方案荷载弯矩见图4。

表1 两种设计方案计算结果对比

图3 先体内后体外预应力方案荷载弯矩图

图4 先体外后体内预应力方案荷载弯矩图

从表1可以看出，从施工工期和施工复杂性角度讲，方案二优于先体内后体外预应力方案。方案一恒载作用下接近于简支梁受力。跨中恒载正弯矩占较大比重，次内力较小。方案二恒载作用下即为连续梁受力模式，跨中恒载正弯矩较小，但次内力较大（超过了恒载正弯矩）。由于正负弯矩的同时作用加上次内力较大，且边中跨受力差别较大，方案二主梁受力和预应力配束上均较为复杂。同时体外束占比例较大，会增加工程造价。该项目结合工程项目特点及同类工程经验，最终选用方案二。