勞勞溪大橋設(shè)計(jì)與施工

李仁斌

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

1 概述

江珠高速公路是珠江三角洲外環(huán)高速公路網(wǎng)絡(luò)的重要組成路段,擬建的勞勞溪大橋是江珠高速公路上的一座大型橋梁工程,其橋孔布設(shè)為(3×30 m+40 m+6×30 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁 +(79+130+79)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁 +40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,橋梁全長(zhǎng)644.7 m(見(jiàn)圖1)。勞勞溪水道屬于西江支流,橋位處為Ⅲ(4)級(jí)航道,通航凈寬不小于95 m,凈高不小于10 m。

圖1 總體布置(單位：m)

由于路線與勞勞溪水道斜交(斜交角75°),在進(jìn)行橋型及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),既要滿(mǎn)足高速公路線形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條件,又要處理好勞勞溪河流域水利規(guī)劃和航道規(guī)劃的關(guān)系。建橋后既要滿(mǎn)足河流的行洪要求,又不惡化河態(tài)和水力條件。根據(jù)航道規(guī)劃,考慮船撞幾率,主橋配置了79 m+130 m+79 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁,主墩采用矩形實(shí)體墩。引橋跨睦洲—龍泉公路(斜交角63°),采用一孔40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,其他采用30 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。橋位地基表層有7～32 m左右的淤泥、淤泥質(zhì)土。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋上部結(jié)構(gòu)為79 m+130 m+79 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁,位于半徑17000 m的豎曲線和直線上。箱梁由上、下行分離的兩個(gè)單箱單室箱形截面組成,頂板寬12.8 m,頂板懸臂長(zhǎng)3.4 m,跨中梁高2.8 m,中支點(diǎn)梁高7.0 m,梁底曲線按1.8次拋物線變化(見(jiàn)圖2、圖3)。頂板厚25 cm,底板厚由跨中28 cm變厚至中支點(diǎn)處70 cm,支點(diǎn)附近底板設(shè)水平梗脅,底板厚200 cm。腹板厚由跨中40 cm變厚至中支點(diǎn)處70 cm。懸臂板端部厚17 cm,根部板厚45 cm。在邊、中支點(diǎn)處設(shè)置橫隔梁,橫隔梁上設(shè)有進(jìn)人孔。橫隔梁厚度分別為80 cm和180 cm。主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。

主橋上部箱梁雙幅分別獨(dú)立采用掛籃懸臂澆筑施工,主梁零號(hào)塊長(zhǎng)度為11 m,零號(hào)塊外分16對(duì)梁段,對(duì)稱(chēng)平衡懸臂逐段澆筑施工。節(jié)段長(zhǎng)度為3×3 m+5×3.5 m+8×4 m,邊跨現(xiàn)澆直線段長(zhǎng)12.9 m。全橋共設(shè)3個(gè)合龍段,其長(zhǎng)度均為2 m,懸臂施工的節(jié)段最大重量為134 t。

圖2 主梁跨中截面(單位：cm)

圖3 主梁中支點(diǎn)截面(單位：cm)

主橋下部結(jié)構(gòu)中墩墩身、基礎(chǔ)按左右幅分設(shè)置,墩身采用矩形實(shí)體截面(6.0 m ×3.2 m)；考慮導(dǎo)流及導(dǎo)向作用,承臺(tái)平面為五邊形,橋梁外側(cè)為三角錐形；半幅橋基礎(chǔ)為6根1.8 m鉆孔灌注樁。主橋邊墩采用矩形實(shí)體截面(4.0 m×1.7 m),鋼筋混凝土蓋梁,矩形承臺(tái),φ1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

引橋上部結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m、40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)。引橋下部結(jié)構(gòu)采用整體三柱墩,座板式橋臺(tái),鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 主橋結(jié)構(gòu)分析

主橋上部結(jié)構(gòu)靜力分析采用大型有限元程序進(jìn)行,分別包括成橋狀態(tài)下恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變(按15 000 d)、支座強(qiáng)迫位移、風(fēng)荷載、溫度變化等荷載作用的計(jì)算,并以橋梁線性、非線性計(jì)算程序進(jìn)行了校核計(jì)算。按有關(guān)規(guī)定,對(duì)各種荷載進(jìn)行不同荷載組合計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和應(yīng)力做了驗(yàn)算。計(jì)算表明,成橋狀態(tài)以“恒載 +活載 +支座沉降 +升溫”的荷載組合控制設(shè)計(jì)。

箱梁橫向采用框架結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行計(jì)算[1-8],橋面板支撐長(zhǎng)邊和短邊之比大于2,所以按以短邊為跨徑的單向板計(jì)算。計(jì)算選取縱向1 m范圍橫向框架為計(jì)算模型。結(jié)構(gòu)所受荷載有恒載：自重,二期恒載；活載：公路-Ⅰ級(jí)；頂板升溫8℃,整體升降溫20℃。

主橋上結(jié)構(gòu)施工計(jì)算,按照梁段劃分、施工順序及工藝,對(duì)每一梁段均考慮掛籃就位、澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力等三個(gè)施工過(guò)程。結(jié)合施工實(shí)際情況,施工計(jì)算共分了53個(gè)受力階段,用大型有限元程序分別對(duì)各梁段施工過(guò)程中內(nèi)力、應(yīng)力、撓度進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。設(shè)計(jì)中主橋按先邊跨合龍,后解除臨時(shí)錨固,最后中跨合龍的順序考慮。

2.3 預(yù)應(yīng)力體系及鋼束布置

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系,按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力分為頂板懸臂束、邊跨合龍束和中跨合龍束。

頂板懸臂束均布置于頂板和腹板,其中T1～T10束豎彎后在腹板上錨固,鋼束規(guī)格為：19-φj15.24和22-φj15.24,通過(guò)下彎束有效控制箱梁主拉應(yīng)力,其余束水平平彎,均在頂板錨固,鋼束規(guī)格為：12-φj15.24和9-φj15.24。邊跨合龍束及中跨合龍束布置于腹板、頂板和底板,鋼束規(guī)格為：15- φj15.24和 12-φj15.24。部分鋼束布置于箱梁腹板并上彎至箱梁頂面錨固,方便施工,其余束通過(guò)齒塊錨固于箱梁底板。鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度=1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力 σk=1 395 MPa。錨具均為夾片錨。

豎向預(yù)應(yīng)力采用 φ32精軋螺紋鋼筋,布置于箱梁腹板內(nèi),間距50～100 cm,均為雙筋布置。精軋螺紋鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度=750 MPa,張拉控制應(yīng)力0.9=675 MPa,張拉控制力542.9 kN,采用 φ45 mm波紋管制孔。施工中應(yīng)采用二次張拉工藝,錨固時(shí)錨具回縮量不大于1 mm,確保豎向預(yù)應(yīng)力筋的永存應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。位于施工節(jié)段線端部的豎向預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)與下一節(jié)段的豎向預(yù)應(yīng)力筋同時(shí)張拉。

本橋預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)原則是保證梁體在正常使用極限狀態(tài)下滿(mǎn)足全預(yù)應(yīng)力控制指標(biāo),同時(shí)控制懸澆過(guò)程的各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo),這主要是基于大跨度連續(xù)箱梁施工誤差、混凝土性能的不均勻以及計(jì)算理論與三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工作性狀的差異、箱梁剪力滯效應(yīng)及錨固處預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散性的等。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,運(yùn)營(yíng)階段最大正應(yīng)力16 MPa,最小正應(yīng)力0.4 MPa(如圖4)；同時(shí)主拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及鋼束永存應(yīng)力等各項(xiàng)指標(biāo)均控制在規(guī)范要求范圍內(nèi),保證了結(jié)構(gòu)的安全度和耐用性,又方便了施工。

圖4 運(yùn)營(yíng)階段主梁應(yīng)力

主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算取用主要參數(shù)如下。

混凝土彈性模量：3.57×104MPa；橋墩不均勻沉降：2 cm；箱梁體系溫度變化：升降溫 ±25℃；橋面板的升降溫：橋面升溫8℃；鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度=1 860 MPa；鋼絞線彈性模量：1.9×105MPa；孔道的摩阻系數(shù)：0.0015孔道的偏差系數(shù)：0.25；錨具的固縮量值：6 mm鋼絞線的松弛率：0.003；腹板偏載系數(shù)：取1.1。

2.4 引橋結(jié)構(gòu)分析

引橋上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及應(yīng)力計(jì)算采用橋梁博士程序進(jìn)行,荷載橫向分配采用剛接梁法[9]。

引橋下部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用整體框架計(jì)算。

3 施工要點(diǎn)

3.1 主橋

主橋箱梁雙幅四個(gè)單“T”分別獨(dú)立采用高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋進(jìn)行墩梁臨時(shí)固結(jié),按自由懸臂澆筑法施工,合龍后經(jīng)體系轉(zhuǎn)換成為連續(xù)箱梁。

安裝永久支座,澆筑臨時(shí)支座,臨時(shí)支座為 φ130 cm鋼管混凝土立柱。利用墩頂及墩旁支架澆筑箱梁0號(hào)塊,用高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋形成墩梁固結(jié),并張拉梁段上預(yù)應(yīng)力鋼束。主橋箱梁零號(hào)塊、墩身和承臺(tái)屬大體積混凝土,宜采取有效措施降低混凝土水化熱,并注意做好養(yǎng)護(hù)工作。混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前避免太陽(yáng)的暴曬,避免因混凝土水化熱過(guò)高、混凝土收縮引起表面裂紋。承臺(tái)澆筑完成后應(yīng)及時(shí)澆筑墩身,使墩身混凝土齡期與承臺(tái)混凝土齡期不致相差太大。

安裝施工掛籃。從1號(hào)塊至16號(hào)塊梁段采用掛籃逐懸臂對(duì)稱(chēng),平衡澆筑施工,張拉各階段預(yù)應(yīng)力鋼束?？v向預(yù)應(yīng)力張拉前,先張拉前端3束豎向預(yù)應(yīng)力筋,避免縱向壓縮變形不均勻,腹板產(chǎn)生水平或斜向裂縫。橫向預(yù)應(yīng)力束滯后縱向3段梁后再?gòu)埨?控制橫向翼緣不堆施工荷載。各梁段混凝土一次澆筑完成,掛籃在鋼束張拉完成及管道壓漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后向前移動(dòng)?？拷^(guò)渡墩的邊跨16 m梁段在支架上澆筑施工。各懸澆單“T”完成后,相鄰兩懸臂端相對(duì)豎向撓度差不大于2 cm,軸線偏差不大于1 cm。

各單“T”澆筑至最大懸臂,澆筑邊跨合龍段,解除墩梁臨時(shí)固結(jié),澆筑中跨合龍段,完成體系轉(zhuǎn)換,成為三跨連續(xù)梁[4,10]。合龍段采用勁性骨架強(qiáng)迫合龍,合龍段混凝土的澆筑應(yīng)在一天中氣溫最低時(shí)進(jìn)行。合龍段混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后,方可進(jìn)行合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉和體系轉(zhuǎn)換工作。

懸澆掛籃及模板重量按800 k N考慮,合龍吊架及模板重量按2×100 k N(每懸臂端各100 kN)考慮,懸臂端壓重每端按400 kN考慮。

3.2 引橋

引橋橋墩均位于陸地上,采用常規(guī)方法即可實(shí)現(xiàn)鉆孔灌注樁的施工,然后立模澆筑系梁、橋墩墩柱和蓋梁,張拉蓋梁預(yù)應(yīng)力。

引橋上部結(jié)構(gòu)均為預(yù)制結(jié)構(gòu),可采用架梁吊機(jī)吊裝,并應(yīng)注意預(yù)制梁的編號(hào)及其安裝位置。然后澆筑整體現(xiàn)澆層。

0號(hào)橋臺(tái)施工采用先填土預(yù)壓,待沉降完成后,再反開(kāi)挖施工的施工工藝。

14號(hào)橋臺(tái)先平整場(chǎng)地施工樁基礎(chǔ),再開(kāi)挖施工承臺(tái)和臺(tái)身。最后回填臺(tái)后填土、施工橋臺(tái)搭板和護(hù)坡。

4 結(jié)束語(yǔ)

勞勞溪大橋主橋?yàn)槿鏟C變截面連續(xù)箱梁,引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支橋面連續(xù)T梁,橋型布置合理、緊湊。主橋由于采用了大噸位應(yīng)力鋼絞線,并設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力體系,合理有效地控制了正應(yīng)力、剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力,優(yōu)化了箱梁斷面尺寸[1]。針對(duì)地基下伏基巖較深,引橋采用整體三柱墩,充分利用深層地基持力作用,節(jié)省了下部構(gòu)造工程費(fèi)用,取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前該橋已通車(chē)運(yùn)營(yíng)。

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