50 m节段拼装体外预应力混凝土箱梁设计

陈　多

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)



50 m节段拼装体外预应力混凝土箱梁设计

陈多*

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

摘要节段拼装体外预应力混凝土技术具备施工速度快、施工质量好、对现有交通及周边环境影响小等优点,在混凝土桥梁结构中的应用越来越广泛。主要结合某逐跨施工50 m节段拼装体外预应力混凝土桥梁的设计,对逐跨施工节段拼装体外预应力混凝土箱梁的主要构造、设计计算方法、施工方法、耐久性能、经济性等进行评述,与常规体内预应力混凝土箱梁进行对比分析并对其结构特点进行总结,为同类型桥梁结构的设计提供参考。

关键词预应力混凝土, 体外预应力, 节段拼装施工, 短线预制法

Design of an Externally Prestressed Concrete Box Girder with the50m Span Using the Segmental Precast Construction Method

CHEN Duo*

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute (group) Co.,Ltd,Shanghai 200092,China)

AbstractPrecast segmental externally prestressed structures are more widely used in recent years due to the advantages such as fast construction speed, good quality, low disturbance to traffic and environmental. This paper presents characteristics and design as well as construction methods of the precast segmental externally prestressed bridge. Economical efficiency of such kind of structural system were analyzed. Design of a 50 m span box girder bridge was described and the features of externally prestressed concrete and internally prestressed concrete were compared.

Keywordsprestressed concrete, external prestressing, segmental precast construction, short-term precast method

1引言

体外预应力技术最早出现于1928年的德国,但当时由于体外束防腐技术的限制在实际结构中应用较少。20世纪70年代到80年代初,在各国预应力技术专家及众多学者的共同努力下,体外预应力技术取得了突破发展并被成功运用于各国桥梁领域中,其中最为著名的是Jean Muller设计的1980年竣工的[1]美国Long Key桥,该桥采用预制节段逐跨拼装施工,是第一座现代体外预应力混凝土桥梁。2000年泰国Bang Na高架桥全长55km,该桥将标准化节段预制和逐跨拼装施工方法完美地结合在一起,大大提高了施工质量与速度,并将桥梁建设对环境的不利影响降到了最小程度,取得了很好的经济效益和美学效果。在这之后,以体外预应力技术和先进架桥设备为基础的标准化节段预制、拼装施工方法在世界范围内得到了广泛发展。

在国内,预制节段拼装预应力混凝土桥梁的研究应用始于60年代。铁路部门首次采用专用移动式拼装支架进行节段悬臂拼装施工的是在1997年建成的石长线湘江铁路大桥,公路部门最早采用专用移动支架实现预置节段逐跨拼装施工的是在2001年建成的嘉浏高速公路新浏河大桥。在国内桥梁建设中,预制节段拼装技术应用仍然不多。本文结合某50 m节段拼装体外预应力混凝土箱梁的设计,对节段拼装体外预应力混凝土箱梁的主要构造、受力特点、设计计算方法、施工方法、耐久性能等方面进行评述,并与常规体内预应力混凝土桥梁结构进行对比分析。

2结构设计

某大桥主桥跨越长江,其上海段引桥(以下均称本桥)在近江苏省界处浅滩位置布置3×50 m节段拼装体外预应力混凝土连续箱梁。箱梁采用节段预制、架桥机逐跨拼装的施工工艺。

2.1　结构构造

节段体外预应力混凝土箱梁按照钢束的性质可分为体内外组合和全体外预应力两种[2]。节段施工的体外预应力混凝土结构中,若完全采用体外索,即接缝间没有粘结预应力筋通过时,在极限承载力状态下预制节段间的裂缝便难以控制。若节段采用干接缝则这种现象更为明显,同时接缝也削弱了使用阶段结构的抗剪刚度,使主梁挠曲变大。而混合配束可以改善这一现象,因而本桥采用了体内体外混合配束的胶接缝节段式箱梁。

为充分发挥节段预制拼装施工的优势,主梁截面采用等高度单箱单室结构箱梁,节段间采用突变方式变化腹板和底板厚度。主梁高度3.0 m,高跨比约为1/17。主梁预制节段长度主要由运输及吊装等条件决定,且节段种类应尽量少,本桥标准节段长度3.4 m,重约82.6 t,墩顶节段重量最大约为212.7 t。墩顶节段采用部分预制、部分现场浇注的施工工艺以控制运输及吊装的重量在施工设备能力范围内。为了保证预制节段的拼接与受力要求,箱梁预制节段结合面之间采用密齿型剪力键。箱梁截面示意如图1所示。

图1　箱梁断面剪力键布置示意图(单位:cm)Fig.1　Shear keys at the box girder section (Unit: cm)

主梁采用纵、横、竖三向预应力配束体系。其中纵向钢束采用“体内+体外”混合配束形式,体内钢束采用15Φs15.2,控制张拉应力0.72fpk;体外钢束采用27Φs15.2,控制张拉应力0.65fpk。桥面板内设有横向预应力束,端横梁范围内设置竖向预应力粗钢筋。顶板横向钢束采用3Φs15.2,控制张拉应力0.75fpk。竖向预应力粗钢筋每根张拉控制应力0.9fpk。纵向钢束断面布置示意如图2所示。

图2　箱梁钢束布置示意图(单位:cm)Fig.2　Prestressing tendons at the box girder section (Unit: cm)

上部结构采用逐跨预制拼装的施工工艺。施工架设时先利用浮吊吊装首跨墩顶0#预制节段就位并临时固结,在桥位处利用驳船分节段拼装架桥机,利用浮吊吊装架桥机就位;船运预制节段至现场,架桥机依次吊起整跨全部节段;按照顺序逐块调整就位并将接缝间涂满环氧树脂,张拉临时预应力筋,保证接缝间压应力不小于0.3 MPa至环氧固化;主梁湿接缝强度达到要求后调整吊杆逐步落梁,解除相应墩顶临时固结装置;浮吊吊装下一跨墩顶0#预制节段并临时固结,架桥机过孔,施工下一孔箱梁;完成一联箱梁施工后,张拉体内预应力钢束。其中中跨节段划分如图3所示。

图3　箱梁节段划分示意图(单位:cm)Fig.3　Segment sketch of a box girder section beam (Unit: cm)

为了避免诱发节段箱梁体外束振动,德国体外预应力混凝土桥准则规定体外束的固定间隔必须小于35 m。设计时通常把相邻转向器间的距离控制在7～8 m以内,当钢束的自由长度大于8 m时,在中间设一些固定装置把索与混凝土梁固定起来,将自振频率控制在7～10 Hz以上,以此来减小钢束的有害振动,提高钢束疲劳受力性能。本桥设计时采取了相应的限位措施。

2.2　结构计算

体外预应力整体受力计算一般按照以下四点基本假定进行:①正截面应力与抗弯承载力计算时,应变沿梁高方向按照线性规律变化,也即平截面假定;②基本材料的应力与应变满足相应材料的单轴应力-应变关系,构件变形满足弹性小位移理论;③体外束仅在锚固点和转向块处与箱梁相连,而体内束与混凝土完全无滑移粘结;④忽略接缝对混凝土性能的影响,认为接缝位置与其他位置相同,极限承载力计算时,受拉区混凝土的抗拉强度不予考虑。

局部受力计算时,转向块、转向肋、锚固块以及锚固横梁等局部受力构件多采用拉-压杆模型进行计算,拉杆内的受拉钢筋强度取抗拉强度设计值[3]。

结构受力计算方面体外预应力主要有以下三个问题不同于常规体内预应力混凝土结构:①预应力损失计算;②抗弯承载力计算;③抗剪承载力计算。在考虑了体外预应力损失及预应力二次效应后,截面应力计算与体内预应力梁基本相同。下面对这三个有明显区别的问题分别进行讨论。

1) 体外束预应力损失计算

体外预应力损失共分摩阻损失、锚具变形损失、温差损失、混凝土弹性压缩损失、应力松弛损失、收缩徐变损失等,如果采用体外预应力筋与混凝土梁在锚点处点接触(可滑移)的有限元计算方法,可以精确地考虑体外预应力钢束的各项损失,钢束布置及有限元模型示意如图4所示。

图4　钢束布置及有限元计算模型示意图Fig.4　Layout of tendons in the finite element model

2) 抗弯承载力计算

体外预应力梁极限破坏时由于钢束的滑移,其钢束极限应力与体内束相比有明显降低。极限应力σpu,e及有效高度hpu,e按式(1)、式(2)及式(3)计算。

简支梁极限应力[3]:

1 480ρp-531ω2+492ω)-92]

(1)

连续梁极限应力[3]:

(2)

式中,σpu,e为钢束极限应力；σpe,e为钢束永存应力；α为折减系数；L为计算跨径；L1为计算跨钢束长度；L2为锚点间钢束长度；hp,e为转向块处截面有效高度；ρp为预应力配筋指标；ω为体内束与体外束的比率。

有效高度[3]:

0.483ω2-0.469ω)hp,e

(3)

式中,η为连续梁二次效应修正系数；γ为节段式梁二次效应修正系数；Sd为计算截面处转向构造的间距；hp,e为体外预应力钢束极限距离。

3) 抗剪承载力计算

胶接缝节段体外预应力梁的剪切破坏形式多了一种接缝截面的剪切破坏形式,抗剪极限承载力需分斜截面抗剪承载力和接缝截面极限抗剪承载力分别计算。斜截面抗剪承载力按式(4)计算[3]:

∑Apb,isinθi+0.95×10-3σpe,e∑Apb,esinθe

(4)

环氧胶接缝接缝抗剪承载力计算公式如下[3]:

(5)

式中,Vpe为接缝截面体内、体外预应力筋永存预加力的竖向分力；fcd为混凝土抗压强度设计值；σc为剪压区混凝土压应力设计值；Tsd为接缝截面受拉钢筋设计值。

本桥主要应力、内力计算结果如表1-表3所示。计算结果表明本桥各项指标均能满足相应设计规范要求。

表1　箱梁使用阶段短期组合正应力计算结果Table 1　Stress values of a box girder in service forshort-term action effects　MPa

表2　抗弯承载力计算结果Table 2　Flexural bearing capacityof a box girder　kN·m

表3　抗剪承载力计算结果Table 3　Shear bearing capacityof a box girder　kN

本桥成桥徐变3年之后最大正弯矩截面出现在最后施工的边跨跨中。该截面抗弯承载力计算值为188 033 kN·m,其中,体外束抗力130 378 kN·m,占69.3%,体内束抗力57 655 kN·m,占30.7%;如果按照全体内钢束计算则对应承载力为211 433 kN·m,前者是后者的88.9%。可见节段拼装体外预应力梁的抗弯受力性能相对常规体内预应力梁下降较为明显。

3节段吊装施工

本桥箱梁节段采用短线匹配法在南通预制场预制。通过大型船舶运至施工现场,由TP50型上行式双导梁架桥机逐节段进行起吊和拼装。节段吊装施工如图5所示。

图5　节段吊装施工示意图Fig.5　Bridge section construction

制梁厂浇筑完成节段箱梁如图6所示。本桥预制节段在预制场内的存梁期不少于3个月。

图6　制梁厂节段梁示意图Fig.6　Bridge section in precast factory

4耐久性及经济性分析

体外预应力体系一般由体外预应力束、管道及防腐材料、转向块、锚固系统等部件组成,如图7所示。体外束一般采用镀锌钢绞线或环氧涂层钢绞线。随着新材料和新工艺的发展,预应力束的防腐技术越来越好。本桥设计钢绞线张拉端和锚固端采用特殊的防护组件,通过防护帽、密封器将剥去PE保护层的锚固段钢绞线完全保护起来,通过灌注油脂将锚具、夹片、钢绞线完全浸泡其中。防腐润滑油脂及固体防腐油脂应符合《无粘结预应力筋专用防腐润滑脂》(JG 3007—93)[7]的要求。

图7　体外束锚具及钢束断面示意图Fig.7　Anchorage and section of externally prestressed tendons

在预制场地及运输条件适当的情况下,节段预制吊装施工工艺在耐久性方面要比现浇施工具有优势:混凝土施工产品化、标准化,预制施工检验的标准可执行性强,在混凝土节段出场及最终就位以前,可随时更换质量不合格的产品。而现场浇筑的混凝土结构质量控制参差不齐,且出现纰漏之后往往难以修复,易留有质量隐患。体外预应力钢束具备可检测、可调整、可更换的特点:在结构使用期内由于各种因素造成的应力水平下降可以检测出来,并可以通过体外预应力钢束的调整进行补足;如果在运营期内体外预应力钢束体系出现局部部位不满足耐久性设计要求时可以对其进行更换,从而保证在整个耐久性设计基准期内满足桥梁的使用要求。

由于场地及机器设备等的投入,节段拼装体外预应力箱梁建设初期成本较高,但考虑桥梁结构的经济性不应只注意初期的设计和建设费用,而应在结构全寿命期内综合考虑造价,包括在结构运营期内的维护和加固等费用。如果初期结构设计的耐久性好,则在设计基准期内需要维护和补强或重建的费用就少。在设计时不注重耐久性,可能会在运营期间付出代价。虽然一般情况下采用体外预应力结构初期造价会比体内预应力结构高,但由于提高了结构的耐久性,在整个“寿命期”内其经济性甚至要优于传统体内预应力结构。

5结语

工程实践表明节段拼装体外预应力箱梁各项指标均能满足设计规范要求,并且能很大程度上缩短施工周期、提高施工质量,减小桥梁建设对环境的不利影响,符合桥梁结构未来的发展趋势。本桥建成后已经平稳运营两年多时间,目前结构状态良好。

从全寿命设计过程、环境保护等角度综合考虑,节段拼装体外预应力梁具备较大的竞争优势[4]。节段拼装体外预应力技术在我国有广阔的应用前景[5-6]。

参考文献

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[2]李国平.节段式体外预应力混凝土桥梁的构造[C].中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文,2006.

Li Guoping.Structure of externally prestressed segmental concrete beams[J].Ninth Post Tensioned Academic Exchange Meeting and Chinese Prestressing Technology Fifty Years,2006.(in Chinese)

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Drafting Group of Guideline for Design of Highway Externally Prestressed Concrete Bridges.Guideline for design of highway externally prestressed concreteBridges[S].2007.(in Chinese)

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Xu Dong.Design of external prestressing in bridge[M].Beijing:China Communications Press,2008.(in Chinese)

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[7]中华人民共和国建设部.JG 3007—93 无粘结预应力筋专用防腐润滑脂[S].北京:中国建筑工业出版社,1993.

Minisry of construction of the People’s Pepubtic of China.JG 3007—93 Corrosion-resistant and lubricating qreuse speciatized for unbonded tendons[S].Beijing:China Architecture and Building Press.1993.(in Chinese)

收稿日期：2015-03-06

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