50 m節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計(jì)

陳　多

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

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50 m節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計(jì)

陳多*

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

摘要節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)具備施工速度快、施工質(zhì)量好、對(duì)現(xiàn)有交通及周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。主要結(jié)合某逐跨施工50 m節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì),對(duì)逐跨施工節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的主要構(gòu)造、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工方法、耐久性能、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行評(píng)述,與常規(guī)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進(jìn)行對(duì)比分析并對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),為同類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞預(yù)應(yīng)力混凝土, 體外預(yù)應(yīng)力, 節(jié)段拼裝施工, 短線預(yù)制法

Design of an Externally Prestressed Concrete Box Girder with the50m Span Using the Segmental Precast Construction Method

CHEN Duo*

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute (group) Co.,Ltd,Shanghai 200092,China)

AbstractPrecast segmental externally prestressed structures are more widely used in recent years due to the advantages such as fast construction speed, good quality, low disturbance to traffic and environmental. This paper presents characteristics and design as well as construction methods of the precast segmental externally prestressed bridge. Economical efficiency of such kind of structural system were analyzed. Design of a 50 m span box girder bridge was described and the features of externally prestressed concrete and internally prestressed concrete were compared.

Keywordsprestressed concrete, external prestressing, segmental precast construction, short-term precast method

1引言

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)最早出現(xiàn)于1928年的德國(guó),但當(dāng)時(shí)由于體外束防腐技術(shù)的限制在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。20世紀(jì)70年代到80年代初,在各國(guó)預(yù)應(yīng)力技術(shù)專(zhuān)家及眾多學(xué)者的共同努力下,體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)取得了突破發(fā)展并被成功運(yùn)用于各國(guó)橋梁領(lǐng)域中,其中最為著名的是Jean Muller設(shè)計(jì)的1980年竣工的[1]美國(guó)Long Key橋,該橋采用預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工,是第一座現(xiàn)代體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。2000年泰國(guó)Bang Na高架橋全長(zhǎng)55km,該橋?qū)?biāo)準(zhǔn)化節(jié)段預(yù)制和逐跨拼裝施工方法完美地結(jié)合在一起,大大提高了施工質(zhì)量與速度,并將橋梁建設(shè)對(duì)環(huán)境的不利影響降到了最小程度,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和美學(xué)效果。在這之后,以體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)和先進(jìn)架橋設(shè)備為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)段預(yù)制、拼裝施工方法在世界范圍內(nèi)得到了廣泛發(fā)展。

在國(guó)內(nèi),預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究應(yīng)用始于60年代。鐵路部門(mén)首次采用專(zhuān)用移動(dòng)式拼裝支架進(jìn)行節(jié)段懸臂拼裝施工的是在1997年建成的石長(zhǎng)線湘江鐵路大橋,公路部門(mén)最早采用專(zhuān)用移動(dòng)支架實(shí)現(xiàn)預(yù)置節(jié)段逐跨拼裝施工的是在2001年建成的嘉瀏高速公路新瀏河大橋。在國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中,預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)應(yīng)用仍然不多。本文結(jié)合某50 m節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的設(shè)計(jì),對(duì)節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的主要構(gòu)造、受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工方法、耐久性能等方面進(jìn)行評(píng)述,并與常規(guī)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某大橋主橋跨越長(zhǎng)江,其上海段引橋(以下均稱(chēng)本橋)在近江蘇省界處淺灘位置布置3×50 m節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁采用節(jié)段預(yù)制、架橋機(jī)逐跨拼裝的施工工藝。

2.1　結(jié)構(gòu)構(gòu)造

節(jié)段體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁按照鋼束的性質(zhì)可分為體內(nèi)外組合和全體外預(yù)應(yīng)力兩種[2]。節(jié)段施工的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中,若完全采用體外索,即接縫間沒(méi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋通過(guò)時(shí),在極限承載力狀態(tài)下預(yù)制節(jié)段間的裂縫便難以控制。若節(jié)段采用干接縫則這種現(xiàn)象更為明顯,同時(shí)接縫也削弱了使用階段結(jié)構(gòu)的抗剪剛度,使主梁撓曲變大。而混合配束可以改善這一現(xiàn)象,因而本橋采用了體內(nèi)體外混合配束的膠接縫節(jié)段式箱梁。

為充分發(fā)揮節(jié)段預(yù)制拼裝施工的優(yōu)勢(shì),主梁截面采用等高度單箱單室結(jié)構(gòu)箱梁,節(jié)段間采用突變方式變化腹板和底板厚度。主梁高度3.0 m,高跨比約為1/17。主梁預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)度主要由運(yùn)輸及吊裝等條件決定,且節(jié)段種類(lèi)應(yīng)盡量少,本橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度3.4 m,重約82.6 t,墩頂節(jié)段重量最大約為212.7 t。墩頂節(jié)段采用部分預(yù)制、部分現(xiàn)場(chǎng)澆注的施工工藝以控制運(yùn)輸及吊裝的重量在施工設(shè)備能力范圍內(nèi)。為了保證預(yù)制節(jié)段的拼接與受力要求,箱梁預(yù)制節(jié)段結(jié)合面之間采用密齒型剪力鍵。箱梁截面示意如圖1所示。

圖1　箱梁斷面剪力鍵布置示意圖(單位:cm)Fig.1　Shear keys at the box girder section (Unit: cm)

主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力配束體系。其中縱向鋼束采用“體內(nèi)+體外”混合配束形式,體內(nèi)鋼束采用15Φs15.2,控制張拉應(yīng)力0.72fpk;體外鋼束采用27Φs15.2,控制張拉應(yīng)力0.65fpk。橋面板內(nèi)設(shè)有橫向預(yù)應(yīng)力束,端橫梁范圍內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋。頂板橫向鋼束采用3Φs15.2,控制張拉應(yīng)力0.75fpk。豎向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋每根張拉控制應(yīng)力0.9fpk?？v向鋼束斷面布置示意如圖2所示。

圖2　箱梁鋼束布置示意圖(單位:cm)Fig.2　Prestressing tendons at the box girder section (Unit: cm)

上部結(jié)構(gòu)采用逐跨預(yù)制拼裝的施工工藝。施工架設(shè)時(shí)先利用浮吊吊裝首跨墩頂0#預(yù)制節(jié)段就位并臨時(shí)固結(jié),在橋位處利用駁船分節(jié)段拼裝架橋機(jī),利用浮吊吊裝架橋機(jī)就位;船運(yùn)預(yù)制節(jié)段至現(xiàn)場(chǎng),架橋機(jī)依次吊起整跨全部節(jié)段;按照順序逐塊調(diào)整就位并將接縫間涂滿環(huán)氧樹(shù)脂,張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋,保證接縫間壓應(yīng)力不小于0.3 MPa至環(huán)氧固化;主梁濕接縫強(qiáng)度達(dá)到要求后調(diào)整吊桿逐步落梁,解除相應(yīng)墩頂臨時(shí)固結(jié)裝置;浮吊吊裝下一跨墩頂0#預(yù)制節(jié)段并臨時(shí)固結(jié),架橋機(jī)過(guò)孔,施工下一孔箱梁;完成一聯(lián)箱梁施工后,張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束。其中中跨節(jié)段劃分如圖3所示。

圖3　箱梁節(jié)段劃分示意圖(單位:cm)Fig.3　Segment sketch of a box girder section beam (Unit: cm)

為了避免誘發(fā)節(jié)段箱梁體外束振動(dòng),德國(guó)體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋準(zhǔn)則規(guī)定體外束的固定間隔必須小于35 m。設(shè)計(jì)時(shí)通常把相鄰轉(zhuǎn)向器間的距離控制在7～8 m以內(nèi),當(dāng)鋼束的自由長(zhǎng)度大于8 m時(shí),在中間設(shè)一些固定裝置把索與混凝土梁固定起來(lái),將自振頻率控制在7～10 Hz以上,以此來(lái)減小鋼束的有害振動(dòng),提高鋼束疲勞受力性能。本橋設(shè)計(jì)時(shí)采取了相應(yīng)的限位措施。

2.2　結(jié)構(gòu)計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力整體受力計(jì)算一般按照以下四點(diǎn)基本假定進(jìn)行:①正截面應(yīng)力與抗彎承載力計(jì)算時(shí),應(yīng)變沿梁高方向按照線性規(guī)律變化,也即平截面假定;②基本材料的應(yīng)力與應(yīng)變滿足相應(yīng)材料的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,構(gòu)件變形滿足彈性小位移理論;③體外束僅在錨固點(diǎn)和轉(zhuǎn)向塊處與箱梁相連,而體內(nèi)束與混凝土完全無(wú)滑移粘結(jié);④忽略接縫對(duì)混凝土性能的影響,認(rèn)為接縫位置與其他位置相同,極限承載力計(jì)算時(shí),受拉區(qū)混凝土的抗拉強(qiáng)度不予考慮。

局部受力計(jì)算時(shí),轉(zhuǎn)向塊、轉(zhuǎn)向肋、錨固塊以及錨固橫梁等局部受力構(gòu)件多采用拉-壓桿模型進(jìn)行計(jì)算,拉桿內(nèi)的受拉鋼筋強(qiáng)度取抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[3]。

結(jié)構(gòu)受力計(jì)算方面體外預(yù)應(yīng)力主要有以下三個(gè)問(wèn)題不同于常規(guī)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu):①預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算;②抗彎承載力計(jì)算;③抗剪承載力計(jì)算。在考慮了體外預(yù)應(yīng)力損失及預(yù)應(yīng)力二次效應(yīng)后,截面應(yīng)力計(jì)算與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力梁基本相同。下面對(duì)這三個(gè)有明顯區(qū)別的問(wèn)題分別進(jìn)行討論。

1) 體外束預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力損失共分摩阻損失、錨具變形損失、溫差損失、混凝土彈性壓縮損失、應(yīng)力松弛損失、收縮徐變損失等,如果采用體外預(yù)應(yīng)力筋與混凝土梁在錨點(diǎn)處點(diǎn)接觸(可滑移)的有限元計(jì)算方法,可以精確地考慮體外預(yù)應(yīng)力鋼束的各項(xiàng)損失,鋼束布置及有限元模型示意如圖4所示。

圖4　鋼束布置及有限元計(jì)算模型示意圖Fig.4　Layout of tendons in the finite element model

2) 抗彎承載力計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力梁極限破壞時(shí)由于鋼束的滑移,其鋼束極限應(yīng)力與體內(nèi)束相比有明顯降低。極限應(yīng)力σpu,e及有效高度hpu,e按式(1)、式(2)及式(3)計(jì)算。

簡(jiǎn)支梁極限應(yīng)力[3]:

1 480ρp-531ω2+492ω)-92]

(1)

連續(xù)梁極限應(yīng)力[3]:

(2)

式中,σpu,e為鋼束極限應(yīng)力；σpe,e為鋼束永存應(yīng)力；α為折減系數(shù)；L為計(jì)算跨徑；L1為計(jì)算跨鋼束長(zhǎng)度；L2為錨點(diǎn)間鋼束長(zhǎng)度；hp,e為轉(zhuǎn)向塊處截面有效高度；ρp為預(yù)應(yīng)力配筋指標(biāo)；ω為體內(nèi)束與體外束的比率。

有效高度[3]:

0.483ω2-0.469ω)hp,e

(3)

式中,η為連續(xù)梁二次效應(yīng)修正系數(shù)；γ為節(jié)段式梁二次效應(yīng)修正系數(shù)；Sd為計(jì)算截面處轉(zhuǎn)向構(gòu)造的間距；hp,e為體外預(yù)應(yīng)力鋼束極限距離。

3) 抗剪承載力計(jì)算

膠接縫節(jié)段體外預(yù)應(yīng)力梁的剪切破壞形式多了一種接縫截面的剪切破壞形式,抗剪極限承載力需分斜截面抗剪承載力和接縫截面極限抗剪承載力分別計(jì)算。斜截面抗剪承載力按式(4)計(jì)算[3]:

∑Apb,isinθi+0.95×10-3σpe,e∑Apb,esinθe

(4)

環(huán)氧膠接縫接縫抗剪承載力計(jì)算公式如下[3]:

(5)

式中,Vpe為接縫截面體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力筋永存預(yù)加力的豎向分力；fcd為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；σc為剪壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值；Tsd為接縫截面受拉鋼筋設(shè)計(jì)值。

本橋主要應(yīng)力、內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1-表3所示。計(jì)算結(jié)果表明本橋各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表1　箱梁使用階段短期組合正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 1　Stress values of a box girder in service forshort-term action effects　MPa

表2　抗彎承載力計(jì)算結(jié)果Table 2　Flexural bearing capacityof a box girder　kN·m

表3　抗剪承載力計(jì)算結(jié)果Table 3　Shear bearing capacityof a box girder　kN

本橋成橋徐變3年之后最大正彎矩截面出現(xiàn)在最后施工的邊跨跨中。該截面抗彎承載力計(jì)算值為188 033 kN·m,其中,體外束抗力130 378 kN·m,占69.3%,體內(nèi)束抗力57 655 kN·m,占30.7%;如果按照全體內(nèi)鋼束計(jì)算則對(duì)應(yīng)承載力為211 433 kN·m,前者是后者的88.9%。可見(jiàn)節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力梁的抗彎受力性能相對(duì)常規(guī)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力梁下降較為明顯。

3節(jié)段吊裝施工

本橋箱梁節(jié)段采用短線匹配法在南通預(yù)制場(chǎng)預(yù)制。通過(guò)大型船舶運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng),由TP50型上行式雙導(dǎo)梁架橋機(jī)逐節(jié)段進(jìn)行起吊和拼裝。節(jié)段吊裝施工如圖5所示。

圖5　節(jié)段吊裝施工示意圖Fig.5　Bridge section construction

制梁廠澆筑完成節(jié)段箱梁如圖6所示。本橋預(yù)制節(jié)段在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)的存梁期不少于3個(gè)月。

圖6　制梁廠節(jié)段梁示意圖Fig.6　Bridge section in precast factory

4耐久性及經(jīng)濟(jì)性分析

體外預(yù)應(yīng)力體系一般由體外預(yù)應(yīng)力束、管道及防腐材料、轉(zhuǎn)向塊、錨固系統(tǒng)等部件組成,如圖7所示。體外束一般采用鍍鋅鋼絞線或環(huán)氧涂層鋼絞線。隨著新材料和新工藝的發(fā)展,預(yù)應(yīng)力束的防腐技術(shù)越來(lái)越好。本橋設(shè)計(jì)鋼絞線張拉端和錨固端采用特殊的防護(hù)組件,通過(guò)防護(hù)帽、密封器將剝?nèi)E保護(hù)層的錨固段鋼絞線完全保護(hù)起來(lái),通過(guò)灌注油脂將錨具、夾片、鋼絞線完全浸泡其中。防腐潤(rùn)滑油脂及固體防腐油脂應(yīng)符合《無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋專(zhuān)用防腐潤(rùn)滑脂》(JG 3007—93)[7]的要求。

圖7　體外束錨具及鋼束斷面示意圖Fig.7　Anchorage and section of externally prestressed tendons

在預(yù)制場(chǎng)地及運(yùn)輸條件適當(dāng)?shù)那闆r下,節(jié)段預(yù)制吊裝施工工藝在耐久性方面要比現(xiàn)澆施工具有優(yōu)勢(shì):混凝土施工產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化,預(yù)制施工檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行性強(qiáng),在混凝土節(jié)段出場(chǎng)及最終就位以前,可隨時(shí)更換質(zhì)量不合格的產(chǎn)品。而現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制參差不齊,且出現(xiàn)紕漏之后往往難以修復(fù),易留有質(zhì)量隱患。體外預(yù)應(yīng)力鋼束具備可檢測(cè)、可調(diào)整、可更換的特點(diǎn):在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)由于各種因素造成的應(yīng)力水平下降可以檢測(cè)出來(lái),并可以通過(guò)體外預(yù)應(yīng)力鋼束的調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)足;如果在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力鋼束體系出現(xiàn)局部部位不滿足耐久性設(shè)計(jì)要求時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行更換,從而保證在整個(gè)耐久性設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)滿足橋梁的使用要求。

由于場(chǎng)地及機(jī)器設(shè)備等的投入,節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力箱梁建設(shè)初期成本較高,但考慮橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性不應(yīng)只注意初期的設(shè)計(jì)和建設(shè)費(fèi)用,而應(yīng)在結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)綜合考慮造價(jià),包括在結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的維護(hù)和加固等費(fèi)用。如果初期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耐久性好,則在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)需要維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)或重建的費(fèi)用就少。在設(shè)計(jì)時(shí)不注重耐久性,可能會(huì)在運(yùn)營(yíng)期間付出代價(jià)。雖然一般情況下采用體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)初期造價(jià)會(huì)比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)高,但由于提高了結(jié)構(gòu)的耐久性,在整個(gè)“壽命期”內(nèi)其經(jīng)濟(jì)性甚至要優(yōu)于傳統(tǒng)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

5結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐表明節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力箱梁各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,并且能很大程度上縮短施工周期、提高施工質(zhì)量,減小橋梁建設(shè)對(duì)環(huán)境的不利影響,符合橋梁結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。本橋建成后已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)兩年多時(shí)間,目前結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

從全壽命設(shè)計(jì)過(guò)程、環(huán)境保護(hù)等角度綜合考慮,節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力梁具備較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[4]。節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國(guó)有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-03-06

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