桥梁上部结构预拱度施工设置技术

2022-07-14王浩帅

交通世界 2022年18期

关键词：梁体预应力支架

王浩帅

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

为防止桥梁工程建设时上部结构出现下挠，需在施工中确定并设置适宜的预拱度，而预拱度的设置是一项专业性较强且十分复杂的工作，因此必须结合工程实际情况进行，使设置的预拱度发挥出应有的作用效果。

1 工程概况

某桥梁工程从西到东从既有桥梁下部穿过后与正处建设状态的道路平交，其设计范围内存在的道路的总长约3.12km，起讫桩号K5+669.931—K8+785，设计于K7+140 进行桥梁工程新建，该桥梁的长度为65m，共3 跨，跨径组合为20m+25m+20m，上部结构形式为上承式飞鸟拱。在此桥梁建设期间，因支架节点有良好可靠性，因此可在碗扣式支架基础上配以扣件式支架，以确保桥梁形成良好曲线。根据桥梁具体情况，选择碗扣式支架完成支架和模板搭设、钢筋绑扎以及混凝土浇筑的同步施工。

2 桥梁上部结构预拱度及其设置必要性

大部分桥梁都由上、下两部分结构构成，上部结构由于会受到诸多因素的限制及影响，因此难免产生一定下挠变形现象，影响因素主要包括以下几点：①由于支架在施工中会承受很大施工荷载，因此可能产生一定弹性变形；②对于超静定结构，因混凝土成型后可能出现收缩徐变，因此会产生下挠的现象；③由于受到杆件接头挤压作用与机具设备卸落过程中产生的压缩，可能出现塑性变形现象；④支架基础受到荷载作用后产生沉降；⑤对预应力筋进行张拉后出现损失，导致桥梁因预应力发生变化而下挠。

在桥梁正式通车运行后，由于交通量不断增加，且无法避免会有一些超载车辆，加之上部结构出现不同程度的老化，导致结构下挠逐步增大。针对这种情况，桥梁工程的施工方应在作业中充分考虑以上各项影响因素，然后根据要求设置适当的预拱度，以确保桥梁的线性达到要求，使桥梁的通车运行始终保持稳定与安全[1]。

桥梁建设中，因混凝土结构自身模量和理论值必然存在一定偏差，若理论和真实的重量存在明显差异，且在收缩徐变上也不尽相同，则会使浇筑完成的结构在线性及特性方面出现显著的变化，会给结构后续施工及使用造成影响，需要引起相关人员的高度重视。

3 预拱度施工设置

3.1 支架预压

将支架搭设完毕后，需在混凝土箱梁施工开始前对支架实施预压，预压荷载按箱梁自身重量1.2 倍控制，检查确定支架具有的承载能力，并减少或彻底消除支架非弹性变形以及地基沉降。压重材料以砂袋为主，也可使用钢材，根据箱梁结构形式确定砂袋的数量。在支架自身非弹性变形完全消除且压缩达到稳定状态后，对弹性变形量进行实测，此时即可完成预压。将箱梁上的砂袋撤除之后，对支架进行施工预留拱度的设置，并对其底部模板的高程予以适当调整，即可开始箱梁结构的施工。

3.2 明确预拱度分类

预拱度可分为施工与成桥预拱度两种，其中，施工预拱度的作用在于消除施工时由于材料理论性能与真实情况不同以及混凝土成型时发生的收缩徐变，给结构线性造成不利影响。对施工预拱度进行设置的过程中，应充分考虑各类材料的技术性能试验结果，明确施工时结构受到的荷载作用程度与预应力张拉过程中选定的预应力大小，以保证施工预拱度达到要求，发挥出应有的作用效果；而设置成桥预拱度的作用是消除桥梁进入运营状态后由于行车荷载作用与预应力损失等原因造成的下挠，在设置过程中需充分考虑当地交通状况及桥梁设计文件，明确大致的通车流量，结合规范标准，通过计算确定桥梁的恒载及活载，此外，还需对所有不利工况进行综合考虑，以从根本上保证该预拱度确定及设置的合理性，使其发挥出应有的作用及效果[2]。

3.3 预拱度设置可能出现的问题

对桥面进行预拱度设置的过程中，应先对需要施加的具体预拱度大小予以计算确定，而在具体的计算过程当中，由于未能充分考虑实际工况或受到气候条件因素的影响可能会使预拱度计算结果产生较大误差，此外，如果在预拱度的设置过程中对安全及组合系数等的取值过大，将导致预拱度设置不合理，严重时将导致成桥后产生反拱，对成桥线性造成极大的影响；一般而言，桥梁施工中使用的材料，其性质很难完全达到一致。其原因为：材料性能和预拱度设置过程中考虑的性能有差异，如弹性模量、强度与重量等，当这一差异足够大时，会对预拱度的选定造成影响，进而使预拱度的设置无法达到预期效果[3]。

3.4 预拱度的主要影响因素

预拱度也会受到一些因素的影响，主要包括：①临时支撑结构的具体拆除顺序。桥梁施工时，临时支撑结构的拆除顺序可分为先拆与后拆，其中，先拆是指先利用临时支撑结构对桥面梁予以拼装，然后方可对临时支撑结构进行拆除；而后拆是指施工中先对处在正弯矩区内的桥面板实施浇筑，然后对临时支撑结构进行拆除，最后浇筑负弯矩部分的桥面板。将临时支撑结构拆除之后，跨中恒载挠度将明显减小，给预拱度的确定及设置造成影响；②混凝土硬化时的收缩徐变，其最直观的表现为使跨中产生一定结构下挠，进而导致整个桥梁结构的边跨出现上拱。由于不同桥梁的结构构造存在差异，因此因收缩徐变造成的下挠，其挠度方向同样存在很大差异。基于此，在综合考虑这一影响因素的过程中，首先要选择适宜的受力模型，当桥梁处在竖曲线时，还需要对收缩徐变现象对应的理论值进行预测，根据实际情况对预拱度进行调整，确保施工完成后的桥梁，其整体线性和所处的竖曲线保持一致；③地基沉降，现在很多桥梁工程都采用较大跨度，导致恒载在桥梁总荷载中占据很大比重，在这种情况下，应充分考虑地基可能发生的沉降及其给预拱度确定与设置造成的不利影响。在主体结构支架施工完成后，需对模板的实际标高予以适当调整。如果在实际情况中没有充分考虑这一影响因素，将有可能使模板所处标高产生问题，进而导致成桥后的整体线性无法达到设计要求[4]。

3.5 预拱度确定

预拱度确定方面，目前主要有以下两种方法，即根据经验曲线通过分析确定和采用公式通过计算确定。在这两种方法中，后者更加简便，但如果计算值和真实情况不相符，则要在后续进行必要的调整，因此实际情况中前者应用相对较多。结合相关实践经验，对于本次的研究对象，即上承式拱桥，其预拱度一般控制在桥梁跨径的1/2000～1/1000 以内。在明确了取值范围后，还需要针对不同跨径确定或分配预拱度。若根据二次抛物线来确定或分配不同跨径的预拱度，则得到的结果大多与简直梁相近，并不适用于本次研究的桥梁。为此，根据余弦曲线对该桥梁各跨径的预拱度进行确定与分配[5]。基于实际的施工条件，通常在中跨合龙之前通过梁体压重确保墩顶在进行合龙以前为边跨施加适当的偏移量。采用上述方法进行预拱度的确定及分配时，可采用以下公式通过计算得出具体的预拱度数值，但需要注意的是，这一预拱度还需要在施工中根据实际情况进行适当的调整：

式（1）中：y为余弦曲线；L为中跨跨径（m）；fcs为中跨预拱度（cm）；x为预应力上拱度（cm）。

3.6 预拱度设置及要点

在预拱度施工设置过程中，应注意以下几方面要点：

（1）首先要保证混凝土工程的施工质量，做好以下质量控制工作：使用由正规厂家提供的材料，并在材料进场前做好试验检测，使进场的所有材料的性能都能达到要求；采用试验的方法明确混凝土的配合比；保证混凝土工程施工时使用的机具设备达到预期精度要求，并在开工前做好必要的检修维护；整个混凝土工程施工过程都必须严格按照设计及规范的要求进行。

（2）明确具体的施工标高。在桥梁工程建设中，线形控制是一项重要任务，为实现对线形的有效控制，需在计算确定预拱度数值后，明确具体的施工标高。因受到施工荷载及温差等因素的限制，一般要对施工标高进行多次调整，以选定最佳的标高[6]。

（3）对预拱度进行动态设置时，需重点对支架预压予以严格控制。支架预压开始前，应先通过有限元分析模拟施工挠度，包括混凝土浇筑施工过程中的理论挠度、模板拆除过程中的理论挠度、结构二期恒载以及混凝土收缩徐变过程中的理论挠度。此外，如果桥梁结构采用预应力筋，则还要对张拉时的挠度进行计算，以此为基础采用式（1）对施工时的支架及模板予以调整。

（4）对于预制T梁桥，在设计过程中为了使梁体强度及刚度足以承受活、恒载带来的弯矩，通常会设置预应力筋，以预应力抵消正弯矩。在这种情况下，为了对梁体张拉过程中出现的向上反拱予以控制，通常需在底模进行下拱度设置，以抵消反拱，这一下拱度就是预拱度。对预拱度的设置是否合理，决定了桥梁整体外观与之后各项工作的质量。若预拱度设置不合理，如设置过大时，为使桥面铺装标高达到设计要求，需增加跨中铺装厚度，会增加铺装工程混凝土用量，不仅减少了承载储备，还会造成一定程度的资源浪费；而如果设置过小，则由于受到设计要求的标高因素限制，跨中铺装实际厚度将难以达到设计要求，进而给桥面结构耐久性和使用寿命均造成一定的不利影响。在设置预拱度时，除了要考虑梁底，还应注意梁顶，若梁顶未设置预拱度，仅在梁底设置，则将梁片浇筑结束后会导致梁底变凹，此时在预应力张拉结束后，因受到预应力筋约束作用，向上的拱度虽然能抵消梁底部凹拱，但梁顶会产生一定凸拱，此时设置预拱度将失去意义。因此，在实际工作中除了要考虑梁底设置合适的预拱度，还要对梁顶引起足够的重视[7]。

（5）除台座预拱度以外，以下因素也会对预测T梁造成不容忽视的影响：当波纹管的安装位置不准确时，可能导致预应力束的整体线形和设计要求不相符，导致管道产生很大的摩阻力，对后续预应力的施加造成影响，使具体的施加位置和设计要求不相符，会给预制梁拱度造成较大影响，最终使桥梁整体质量受到影响。因此，波纹管位置应严格按照设计提出的要求选定。此外，在进行混凝土浇筑施工时，还需要对振捣棒的具体插入位置和深度进行严格控制，目的是防止振动棒对安装完成的波纹管造成破坏或使波纹管发生较大位移。除波纹管设置位置外，张拉与压浆也会对预制T梁造成很大影响。其中，在预应力张拉过程中需根据设计要求对张拉力予以严格控制，如果张拉力过大，则会使梁体产生开裂，虽然开裂并不严重，但仍会影响梁体外观及质量，一旦开裂继续发展，将使结构中的钢绞线绷断，引发安全事故；而如果张拉力太小，则梁体拱度将难以达到要求，对梁体正常承载造成影响，影响桥梁的整体质量。在压浆过程中，应做到及时到位，避免由于压浆不及时造成预应力损失，并使梁体拱度充足，适应设计要求[8]。