基于现浇箱梁顶面设置预制场场址的结构承载力验算分析

2017-07-05张文平平潭综合实验区交通投资集团有限公司福州350400

福建交通科技 2017年3期

关键词：场址龙门吊台座

张文平（平潭综合实验区交通投资集团有限公司，福州350400）

张文平
（平潭综合实验区交通投资集团有限公司，福州350400）

本文以沈海高速公路机场连接线为工程实例，介绍了预制场场址选择方案，重点分析了预制场在选址及台座布设上对现浇箱梁结构的影响及桥梁主梁基础承载力验算，进而在此基础上阐述了现浇箱梁上加工预制场的应用优点，为同类工程提供参考。

现浇箱梁预制场受力验算应用优点

1 工程概况

沈海高速公路泉州机场连接线工程位于晋江市长兴路以北，沿现状和平路向北，并延伸至江滨南路，与泉州田安大桥相接，路线全长约6km。本项目共分两个标段，本工程为第一标段，全长2.37km，其中高架主线桥桥梁范围为K0+182.381～K2+386.346，长度2204m。

主线桥上部结构为预应力连续箱梁，结构采用单箱多室断面，按照A类预应力结构设计。边腹板为斜腹板，中腹板为直腹板。箱室净宽不大于4m，悬臂2.5m。在顶板设置横坡，梁高1.8m。全桥共计23联，其中第22联上跨沈海高速公路，为减少施工过程对高速的影响，U22联设计为现浇预应力混凝土预制箱梁，梁高1.8m，梁长35m，最大重量为121t，全桥共计42榀。

2 预制场场址选择

依据节约临时征地、少占农田的原则，本项目采用在主线桥箱梁顶面设置预制场。然而预制场址的选择受较多因素影响，其中桥面横坡、运距以及材料进场因素为需要考虑的三个首要因素。

主线桥箱梁顶面设置横坡，横坡值在0.36%～3.8%之间。考虑台座浇筑方便及门吊轨道安全，横坡尽量选择比较小的位置，主线桥箱梁横坡分布情况见表1。横坡较小的梁段可作为预制场址的候选场所，其中U01～U04以及U18～U19比较适合作为预制区。

考虑运输距离的影响，预制场址离目的距离越近越便于后期运输。而主线桥第22联即为预制箱梁，因此可以择优选择U18-U19作为箱梁预制区。

本项目钢筋加工场位于U18～U19联左幅50m处，同时上桥匝道已具备上桥条件，便于钢筋材料的进场，为最有利位置。

综合以上因素分析可知，预制区选择主线桥U18～U19联为最优位置，同时将U20联作为存梁区。

表1 主线桥箱梁横坡分布情况

3 台座和轨道梁设计

3.1 台座数量及布置

根据小箱梁总数量及工期要求，设置9条制梁台座，存梁台座采用15cm×20cm的枕木垫放箱梁顶面，数量根据施工需求可调整。预制台座采用C25混凝土浇筑而成，台座顶面两侧安装角钢，再铺一层6mm钢板，制梁区台座间间距在满足施工要求的情况下尽量布置在纵向腹板位置，存放区台座位于箱梁横梁位置，存放时严禁将箱梁叠放。

3.2 起吊设备及轨道梁

轨道梁顶宽及高均为30cm，顶、底面纵向各布置4根12mm螺纹钢筋、8mm箍筋间距20cm，梁顶面居中安装钢轨，轨道通过梁顶预埋的12mm螺纹钢筋固定。轨道梁混凝土强度等级为C30。

小箱梁单榀最大设计混凝土方量为46.5m3，故每榀小箱梁自重：G1=46.5×26=1209kN。起重80t龙门吊自重30t，每端通过二个滚轮支承于钢轨上，前后二支轮间距6.5m，预制梁板由二台龙门吊抬吊，最大梁板重量约121t，则龙门吊单端每个支轮作用于轨道梁上的荷载为：（30×10+60.5×10）/4=226.3kN，轨道梁受力示意图如图1，龙门吊在起吊箱梁过程中得布置示意图如图2。

图1 轨道梁受力示意图（单位：kN）

图2 小箱梁吊装纵断面示意图（单位：m）

图3 小箱梁吊装运输过程中弯矩包络图（单位：kN·m）

图4 小箱梁吊装运输过程中剪力包络图（单位：kN）

图5 两车道荷载下小箱梁弯矩包络图（单位：kN·m）

4 桥梁主梁及基础承载力验算

4.1 存梁区验算

小箱梁的存梁区存梁台座布置在墩顶端横梁处，小箱梁存放好之后箱梁重量对现浇大箱梁的弯矩以及剪力等影响不大，主要考虑运输过程中对现浇箱梁的内力影响。考虑到U20联主梁抗弯承载力相对较小，将针对U20联的右幅桥梁进行荷载效应分析。分析小箱梁吊装过程中的荷载，主要分析吊装运输过程中支轮作用于轨道梁上的荷载。考虑到龙门吊在运输过程中的动力效应，本研究考虑动力系数1.2，则龙门吊单端每个支轮作用于轨道梁上的荷载为：

再考虑轮载作用在下部箱梁上的荷载冲击效应，并偏安全取冲击系数为1.3，由此龙门吊单端每个支轮作用于轨道梁上的设计值为：

考虑龙门吊在现浇箱梁上移动过程对现浇箱梁的最不利影响，通过分析可以得到现浇箱梁的弯矩和剪力包络图如图3和图4所示。

与此同时，可以将小箱梁吊装过程中的的荷载效应包络图与结构正常设计时的车道荷载下的弯矩和剪力包络图进行比较，如图5和图6所示。

由图3～图6可知，箱梁运输过程中，现浇箱梁的最大弯矩为3266kN·m，最大剪力659kN，而在两车道荷载作用下，最大弯矩为5161kN·m，最大剪力为1058kN。可见，在仅考虑小箱梁以及龙门吊自重荷载下，荷载效应小于正常使用阶段的结构荷载效应。因此，不需要对现浇箱梁进行承载能力以及截面抗裂、抗剪等验算。

4.2 预制场箱梁结构验算

小箱梁与制梁台座布置在U18、U19联的现浇箱梁上，考虑右幅制梁台座布置数量大于左幅，本研究重点针对对右幅进行分析计算。考虑最不利工况为所有台座均有刚浇筑的小箱梁，同时龙门吊运输已经预制好的小箱梁通过该预制场区域。

小箱梁以及预制台座自重作为均布荷载加载于现浇箱梁上（U18联），单榀小箱梁自重：G1=46.5×26=1209kN，小箱梁长度为35m，等效均布荷载为34.5kN/m，同时台座的等效均布荷载，共计44kN/m，考虑所有台座均布置有刚浇筑的小箱梁，均布荷载的最不利布置如图7所示。

在均布荷载作用下，通过分析得到结构弯矩和剪力如图8所示。其中第一跨的最大弯矩为7365.4kN·m，最大剪力为1443.8kN。

同时结构验算中，还需要考虑其它荷载组合效应，包括现浇箱梁结构自重、桥面铺装、中央分隔带模板堆放荷载、预应力荷载、以及小箱梁以及预制台座自重等等。龙门吊（含预制完成的小箱梁）：按照特种车辆荷载处理，荷载取值与存梁区验算分析一致。温度效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）确定。此时需按照短期效应组合进行内力验算，通过分析得到内力结果如图9所示。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004），按A类预应力混凝土结构对现浇箱梁进行验算分析，在最不利工况下，钢束最大应力为1197MPa≤1209 MPa，正截面最大拉应力为0.00MPa≤1.83 MPa，斜截面最大拉应力为1.29 MPa≤1.325MPa，均满足规范要求。

图6 两车道荷载下小箱梁剪力包络图（单位：kN）

图7 均布荷载（小箱梁与台座）最不利加载工况（单位：kN）

图8 小箱梁以及预制台座自重作为均布荷载加载

图9 短期效应组合下结构弯矩、剪力图

可见通过设计，预制箱梁结构满足应力检验要求。但与此同时，还需要严格按照施工组织安排执行施工计划。并且不得随意改动小箱梁预制台座的位置，台座应尽量布置在现浇箱梁腹板区域，同时要求模板、材料存放位置远离悬臂外侧。

4.3 桥面板验算

在U18R、U21L、U21R平面是变宽段，直线形的龙门吊运行钢轨局部区段作用在桥面板跨中，该区段桥面板受力为薄弱部位，如图10所示，因此需要进行桥面板的结构验算。

图10 桥面板受力示意图（单位：cm）

在台座布置时采用在底部加大基础接触面的措施将该区段龙门吊运梁支点的反力传递到相邻腹板上，为了有效降低龙门吊运梁支点对桥面板的不利作用，基础底宽B’≥0.8m。进一步考虑桥面铺装的对应力的扩散作用，按扩散角为45°考虑，桥面铺装厚度为0.18m，因此龙门吊运梁支点反力作用在现浇箱梁桥面板的宽度为B= 0.8+0.18×2=1.16m，偏保守取B=1.1m。

桥面板验算时考虑的荷载主要有龙门吊运梁支点反力、温度荷载（按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）考虑）、桥面铺装等荷载。其中龙门吊运梁支点反力在横桥向均布宽度B=1.1m内，q=354kN/m。铺装厚度0.18m，重度取25kN/m。桥面板受力分析时，顺桥向长度取：。其中为箱室横向跨径。通过分析可以得到荷载作用下的桥面板弯矩包络图如图11所示。

通过分析可知，最大负弯矩发生在边腹板顶面处，桥面板最大正弯矩发生在箱室跨中处，依据规范，可以获得在最大最小弯矩作用下，桥面板的裂缝宽度分别为0.169mm，0.166mm，满足规范要求。

4.4 桥梁桩基及支座承载力验算

本文同时针对存梁数最多的U20联下部桩基以及支座进行了验算。基于前述荷载分析可知墩顶处的最大支反力为F=16900+7020=23920KN。

考虑U20联桩基均为摩擦桩，桩长42.5～50m，取最不利位置处，桩长42.5m即P58墩处，桩基承载力计算公式如公式（1）所示。