变宽变箱室-连续刚构桥梁特殊施工方式探讨

■赵 娜

（中铁上海设计院集团南京设计院，南京 210000）

随着基础交通网络的日趋发达，经常出现新修线路需要跨越既有道路的情况，此时只能采用下穿或者上跨的结构形式。 如果既有道路宽度较宽，结构形式就要考虑截面为变高度的悬臂浇筑结构[1-2]。有时由于特殊原因导致边跨无法和中跨一起采用对称的悬臂浇筑，就要采用边跨为现浇结构、中跨为悬浇的单悬臂浇筑的施工方式。

本研究以实际的项目为背景，分析了采用单悬臂施工的结构在成桥后的受力情况，以及在施工到第几阶段时拆除边跨现浇梁满堂支架，即支架的拆除阶段对结构施工阶段应力的影响，分析结果可为类似项目提供重要参考。

1 工程概况

本项目位于常州市经济开发区，为既有长虹东路（G312）改扩建工程。 既有长虹东路为双向四车道，规划为双向八车道，拓宽至42 m。长虹东路自西向东依次与在建南沿江城际铁路、S38 常合高速公路交叉。 本项目F 匝道桥梁跨越既有常合高速公路（规划宽度为42 m），斜交角度为37°。

1.1 结构形式

本项目桥梁跨越既有道路宽度42 m，斜交角度37°。 桥梁上部结构形式采用（42.7+83+40.3）m 连续刚构，结构高度为2.6～5.6 m，高度变化方式采用圆曲线。 其中起点侧边跨为变宽度的单箱室断面，截面宽度13.72～10.5 m；终点侧边跨为等宽度的双箱室结构，截面宽度12.64 m，中跨断面为等宽度的单箱室结构，截面宽度10.5 m，桥位图及桥型布置图见图1 和图2。

图1 桥位平面布置图

图2 桥型布置图

1.2 主要材料

（1）预应力系统：预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线，钢绞线抗拉强度标准值fpk=1860 MPa，弹性模量Ep=195 000 MPa,公称直径15.2 mm，公称面积140 mm2。 纵向钢束控制张拉应力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa。 （2）普通钢筋：HRB400 钢筋。 （3）混凝土:主梁采用C50 混凝土，主墩采用C35 混凝土，承台、桩基采用C30 混凝土。

1.3 主要技术标准

（1）设计基准期及设计使用年限：100 年；（2）桥梁设计安全等级：一级，结构重要性系数γ0=1.1；（3）设计时速：匝道：40～60 km/h；（4）桥梁荷载标准：公路-I 级；活载提高30%；（5）地震动参数：地震动峰值加速度0.1 g，地震基本烈度7 度，特征周期0.45 s。

模拟施工时， 全桥共分为33 个施工阶段。 其中， 两侧边跨及0# 块采用支架现浇的方式最先施工，中跨共分为8 个施工节段采用悬臂浇筑的方式依次施工，最后进行中跨段的施工。 下部结构仅中跨两个刚构墩按实际下部尺寸模拟，边跨两个过渡墩按支座模拟。 其中第1 个刚构墩采用等宽板式墩，墩高18.0 m；第2 个刚构墩采用变宽板式墩，墩高20.0 m， 墩底设置10 m 高平直段， 倒圆半径10 m；两桥墩均为哑铃形截面。 基础均采用桩基础，均为7 根桩径150 cm 的钻孔灌注桩， 设计采用摩擦桩。 桥孔布置及施工节段划分见图3 和图4。

图3 桥梁平面布置图

图4 桥梁立面布置图

1.4 规范限值

1.4.1 施工阶段应力限值

根据JTG 3362－2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]7.2.8 条，预应力混凝土受弯构件，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合下列规定：

（1）压应力： σtcc≤0.70 fck′；

（2）拉应力：对于受拉的混凝土，由于混凝土抗拉强度离散型较大，若施工阶段拉应力过大，会造成截面不可预计的开裂，因此抗拉强度限值本文取规范的低值，即σtcc≤0.70 fck′。

本研究混凝土强度为C50，施工阶段混凝土强度取0.9 倍的混凝土强度标准值， 故施工阶段压应力限值σtcc≤0.7×0.9×32.4=20.4 MPa，拉应力限值σtcc≤0.7×0.9×2.65=1.67 MPa。

1.4.2 其他限值

结构持久状况承载能力极限状态及正常使用极限状态限值和持久状况应力限值按JTG 3362－2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]执行。

2 有限元建模

2.1 施工阶段模拟

施工阶段模拟时， 先施工下部结构， 然后浇筑左、右边跨及0#块混凝土，施工天数为20 d。 再张拉边跨及0#块预应力，张拉完成后安装挂篮进行中跨悬浇施工。中跨每个节段浇筑期按10 d 计，每个节段浇筑完成后张拉相应节段预应力及挂篮前移， 最终进行中跨合拢，全桥施工完成。 在施工阶段模拟中，边跨现浇满堂支架的拆除时机是不同的， 根据不同的拆除时机，对比分析采用不同的施工工况（表1）。

表1 全桥对比工况汇总

2.2 有限元模型建立

本研究采用有限元软件MidasCivil 进行建模与计算分析，共建立10 个对比模型，分别对应表1 中不同工况。 每个模型共有单元153 个，节点270 个。全桥结构模型见图5。

图5 全桥结构有限元模型

3 有限元计算结果

不同的施工工况不会影响持久状况承载能力极限状态、正常使用极限状态和持久状况应力计算结果。 验算表明，成桥阶段各项验算结果满足规范要求，采用合理的施工工况，施工阶段应力也满足规范要求，因此本结构设计合理。

3.1 持久状况承载能力极限状态计算结果

由图6～7 可见，持久状况承载能力极限状态结果满足规范要求。

图6 持久状况正截面抗弯验算包络图

图7 持久状况斜截面抗剪验算包络图

3.2 持久状况正常使用极限状态抗裂验算结果

正常使用极限状态下，结构抗裂验算结果如表2 所示（正值代表拉应力，负值代表压应力）。

表2 抗裂验算结果

由表2 可见，持久状况正常使用极限状态结果满足规范要求。

3.3 持久状况应力验算

持久状况下，结构压应力验算结果如表3 所示（正值代表拉应力，负值代表压应力）。

表3 压应力验算结果

由表3 可见，持久状况应力结果满足规范要求。

3.4 边跨支架不同的拆除时机对施工阶段最值应力的影响

表1 中不同的施工工况下，桥梁截面上、下缘施工阶段的最值应力，汇总结果见表4（正值代表拉应力，负值代表压应力）。

表4 施工阶段结构上、下缘最大拉应力及最大压应力汇总（单位：MPa）

应力结果见图8 和图9，本研究涉及的模型较多，无法一一列举，先列出0# 块张拉完成后及中跨合龙后拆除边跨现浇支架截面下缘拉应力结果。

图8 0# 块张拉预应力后拆除边跨支架截面下缘拉应力结果

图9 中跨合龙后拆除边跨支架截面下缘拉应力结果

从表4 可知，边跨支架的拆除时机不同，截面压应力全部满足施工阶段的应力要求，且不同的工况对结构施工阶段最大压应力的影响不大。 但是拆除时机对结构施工阶段最大拉应力的影响很大，尤其的下缘的拉应力。 如在0#、1#、2# 块张拉完预应力就拆除边跨支架，将导致施工阶段截面下缘的拉应力超出限值。 因此，本桥的边跨支架拆除时机不应早于3#块预应力张拉完成后。

3.5 边跨支架不同的拆除时机对全桥各施工阶段应力的影响

对于某一指定的工况，全桥各个施工阶段结构下缘最大拉应力及最大压应力的变化情况，并对所有的工况进行了汇总。 由于4# 块张拉完成后拆除边跨支架后，全桥的施工阶段应力满足要求且相对较小。 因此只汇总边跨支架拆除时机不早于4# 块张拉完成后的结果，见图10 和图11。

图10 各施工阶段结构下缘最大拉应力汇总

图11 各施工阶段结构下缘最大压应力汇总

通过计算结果对比分析可知，4# 块张拉后及其以后拆除边跨支架， 对于同一工况的不同施工阶段， 截面下缘的最大拉应力均呈现先升后降的趋势；截面下缘的最大压应力均呈现上升趋势，且压应力在拆除吊架时达到最大。 对于某一特定的节段，下缘拉应力最值均出现在本节段预应力张拉完成后拆除边跨现浇支架，下缘压应力最值均出现在最后的施工阶段，说明上缘预应力对本节段的截面下缘拉应力影响显著。

对于不同的工况，边跨支架拆除的越晚，越会延缓全桥最大拉应力的出现阶段，但最大拉应力的数值会略微增大。

4 结论

成桥状况下，结构各项指标满足规范要求，结构设计合理。 （1）对于本研究中的结构，结构的最大拉应力及最大压应力均出现在截面下缘。 边跨支架的拆除时机不应早于3# 块预应力张拉完成后，且在4#、5#、6# 块预应力张拉完成后拆除边跨支架为最优，此时施工阶段下缘最大拉应力最小。（2）在边跨支架拆除时机不变的情况下，截面下缘拉应力呈现先升后降的趋势， 压应力呈现上升趋势，拉应力及压应力需关注不同的施工阶段。 （3）对于某一特定的节段， 下缘拉应力最值均出现在本节段预应力张拉完成后拆除边跨支架，施工时，应根据具体采用的工况， 关注不同阶段截面的应力情况。