小跨径现浇箱梁设计和施工方案优化思路

2022-03-08杨益鸣李孟晖

工程建设与设计 2022年1期

杨益鸣，李孟晖

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

1 引言

曲线段的桥梁匝道在平面和纵断面上变化急剧，需要在较短线型内完成交通流向的转变，实现纵横坡的平顺过渡，结构受力比较复杂。这对结构设计的整体性、抗裂性、抗变形能力都有较高的要求。本文以斯里兰卡科伦坡城市固废处理项目为背景，以16 跨公路桥现浇箱梁以及3 跨铁路桥现浇箱梁为分析对象，从曲线线型、超静定结构特点、受力需求、施工工艺以及项目工期和成本角度来考虑，深析小半径曲线梁桥的设计与优化思路。

2 工程概况

项目所属地位于低洼沼泽区，设计时利用架空平台进行标高抬升，故将道路设置为桥梁形式。所述项目共有现浇箱梁19 跨，详细设计参数见表1。

表1 项目现浇箱梁设计参数

3 设计优化

3.1 梁体结构形式

该项目桥梁段转弯半径较小，若采用装配式结构，存在下列问题：

1）预制构件需要单独采购和制作模板进行预制生产，增加了施工成本；

2）项目场地狭长有限，若再对曲线部位的构件进行吊装合龙，施工机具摆设空间不足，实施难度较大。

采用现浇箱梁结构有以下优势：

1）曲线部位构件采用现浇形式可以实现一箱多室，整体性能好，且易于做成复杂形状；

2）可以避免由预制拼装后二次浇筑铰缝位置所带来的耐久性差的问题。

考虑到本项目对梁体纵横向的空间抗弯、抗扭要求较高，故在公路桥和铁路桥的曲线段均采用现浇箱梁的结构形式。

3.2 预应力张拉条件

本项目铁路现浇箱梁采用了后张法预应力混凝土结构，设计初期，业主要求同时满足“双控”条件（即混凝土强度达到95%，且养护龄期不小于28 d）方可进行预应力张拉工序。经查阅相关资料及类似工程实例，工程所在地温度条件有利于混凝土早期形成较大强度。混凝土试块进行强度和弹性模量试验后，显示8 d 混凝土（3 组试块）平均强度值为51.5 MPa，大于设计值（95%）47.5 MPa，8 d 的混凝土弹性模量平均值为40 991 MPa，大于设计值（95%）32 775 MPa。因此，获得监理批准，在加强现场施工养护和改善混凝土施工配合比的条件下，适当减少了张拉前的养护天数。由于本项目的关键路径为桥梁施工，优化之后共节省了约30 d 的总工期。

3.3 预应力混凝土类型

按照国际和国内规范，预应力混凝土可被分为3 种类型。

英标BS 5400-4：1990 Part4：Code of Practice for Design of Concrete Bridges[1]对预应力混凝土的弯拉极限状态分类为：

1）Class 1 为不允许出现拉应力的构件；

2）Class 2 为允许出现所列范围内的拉应力，但不允许出现可见裂缝的构件；

3）Class 3 为允许出现所列范围内的拉应力，且允许出现宽度在所列范围内的裂缝的构件。

我国JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称《公路桥规》）中6.1.2 规定[2]，根据预应力度（消压弯矩与外荷载产生弯矩的比值）也将预应力混凝土分为3 类。

1）全预应力混凝土：在作用（或荷载）下构件任何截面的受拉边缘不允许出现拉应力（不得消压）；

2）部分预应力混凝土：A 类构件是荷载下受拉边缘的拉应力受限，B 类构件是荷载下受拉边缘出现的裂缝宽度受限；

3）钢筋混凝土：无预加应力的构件。

英标和我国规范对于第1 类构件的划分原则一致；第2类构件分类中，国标又细分为A、B 两类构件，国标A 类对应英标Class 2，国标B 类对应英标Class 3。

业主对于铁路桥现浇箱梁的预应力混凝土设计等级要求较为含糊：根据业主书面要求，结构设计标准应参照BS 8110：1997 Structural Use of Concrete[3]和BS 5400-4 规范，同时，要求预应力混凝土的分析和设计应参照BS 8110 的极限状态设计原则。但是，对于桥梁混凝土构件设计是否应强制按照“Class 1”或“Class 2”，并未界定清楚。2 种要求下的预应力混凝土张拉等级差别悬殊[4]，工艺要求不同，施工成本不同。

项目采取优化措施如下：

1）对比中英标的有关研究[5]，发现预应力结构设计规范的BS 8110 中已规定适用范围不包含“桥梁设计”，而适用于桥梁设计的BS 5400-4 又未对设计等级进行强制要求。

2）本项目桥梁最大跨度只有25 m，国内《公路桥规》规定100 m 以内的小跨径桥梁允许按照部分预应力混凝土构件进行设计，新加坡Criteria for Road and Rail Transit System 中也说明对于车站结构的预应力混凝土构件应当以Class 2 进行设计；国内外资料均表示：全预应力混凝土构件如果由于超载而导致的破坏将是没有预兆的脆性破坏，而用于小跨径桥梁的部分预应力构件从抗拉到逐渐受拉则显示出更耐久的性能，不但可以节省预应力钢材，也能避免出现梁的过大返拱。

3）大量搜集2）中规范要求的国内外设计案例，在类似本项目的其他小跨径预应力箱梁结构和荷载类型下，采用部分预应力混凝土构件是符合抗裂要求的。

4）通过向业主展示铁路现浇梁按Class 2（即A 类部分预应力构件）进行设计的应力计算结果（见图1），跨中出现的最大拉应力约1.0 N/mm2，对照BS 5400-4 中对于Class 2 构件的拉应力最大允许值为2.55 N/mm2（见表2），证明本桥在短期效应组合下的抗裂验算符合业主要求。

表2 英标BS 5400-4 中Cl as s 2 构件的拉应力允许值N/mm2

图1 本项目铁路桥短期效应组合下的应力状态

基于大量论证的基础，更加清晰地厘定了本项目桥梁预应力混凝土结构的设计分类，推动了价值工程，节省了箱梁设计高度、预应力布筋方面的成本。

4 施工方案优化

4.1 箱梁支撑方案

原设计方案中，现浇梁的支撑形式均采用钢管支墩加贝雷架。考虑到工期较长、费用较高的原因，在对支撑区域地基承载力和沉降检测之后，对支撑结构形式进行了优化，具体优化措施如下：

按照JGJ 300—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》，采用三维有限元ANSYS 软件对支架、承重梁、贝雷架构件及钢管立柱等进行复核（见图2），结果表明支架方案中各类构件承载力满足设计要求。

图2 贝雷架弦杆承载力验算

考虑到钢管支墩的失稳风险，采用三维有限元ANSYS 软件对立柱钢管优化后的长细比进行了稳定性复核，并按照JTJ 152—2012《水运工程钢结构设计规范》对贝雷梁结果的挠度进行了复核，结果表明，立柱稳定性与结构挠度均满足设计要求。

现浇箱梁支撑架结构形式及优化情况见表3。

表3 现浇箱梁支撑架结构形式及优化结果

4.2 混凝土浇筑工艺

现浇连续箱梁整联施工时基本上采用“两次准备，两次浇注”的施工工艺，即分2 次进行箱梁底板、腹板、顶板的钢筋和内外模板安装。为提升现浇箱梁整体美观，并适当缩短施工工期。本工程对传统施工工艺进行了一定优化，采用了“一次准备、一次浇筑”的施工工艺，即一次性完成箱梁的钢筋、模板后进行一次性浇筑。具体措施如下。

1）混凝土一次性浇筑，纵向从挠度大往小处浇筑，横向浇筑顺序：底腹板倒角处→底板→腹板→顶板。

2）浇筑方式为分段浇筑，即先浇筑支座横梁处的C50 混凝土，再同步浇筑每跨跨中段C50 混凝土。

3）采用斜向分段，水平分层浇筑方法，从低处一端向高处一端呈梯状分层连续浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑完成上层混凝土。