城市高架分節(jié)預(yù)制拼裝蓋梁設(shè)計(jì)與施工方案

張 濤，王云龍

［1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125；2.上海工業(yè)化裝配化市政工程技術(shù)研究中心，上海市 200125］

0 引言

近幾年，預(yù)制拼裝技術(shù)由于能夠減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，減少工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交通環(huán)境的影響，減少施工現(xiàn)場(chǎng)工人數(shù)量等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)得到了快速推廣。預(yù)制構(gòu)件尺寸過(guò)大和重量過(guò)重易造成構(gòu)件運(yùn)輸困難，以及吊裝成本高。因此，將預(yù)制構(gòu)件尺寸和重量控制在合理的范圍內(nèi)，能夠有效地拓展預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)用范圍。針對(duì)高架橋梁大尺寸蓋梁結(jié)構(gòu)，橫向分節(jié)拼裝的方式的可靠性已經(jīng)得到抗彎試驗(yàn)驗(yàn)證，并在上海 S26、S7 等工程中開(kāi)展應(yīng)用[1，2]。

現(xiàn)結(jié)合某高架橋梁新建工程的特點(diǎn)，提出整體采用分節(jié)拼裝蓋梁的設(shè)計(jì)與施工方案，可為以后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該工程系新建城市快速路，按照總體規(guī)劃，主線(xiàn)采用高架橋。橋梁結(jié)構(gòu)主要以預(yù)制裝配式橋?yàn)橹?，新建主線(xiàn)高架橋總長(zhǎng)約5.4 km，雙向6 車(chē)道布置。現(xiàn)主要研究的為該工程的第二標(biāo)段，標(biāo)段總長(zhǎng)約1.8 km，標(biāo)段道路平曲線(xiàn)位于S 彎上，主線(xiàn)高架除上下匝道連接段為變寬段，其余均為等寬段。等寬段主線(xiàn)高架除了跨路、跨河節(jié)點(diǎn)，上部結(jié)構(gòu)均采用整幅小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩連接大挑臂蓋梁，經(jīng)過(guò)初步分析，這些蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)總重量將超過(guò)260 t，超出了道路運(yùn)輸能力，以及現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力。

圖1 為工程范圍圖。

圖1 工程范圍圖

2 分節(jié)蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式橋梁建設(shè)造價(jià)控制的重要方式是通過(guò)總體方案合理規(guī)劃，減少裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)類(lèi)型，減少工程中模板投入量。按照裝配式建筑結(jié)構(gòu)建造的規(guī)律，通常認(rèn)為模板重復(fù)利用率達(dá)到50 次以上，基本能夠?qū)崿F(xiàn)裝配式建筑建造成本與現(xiàn)澆建筑建造成本基本持平。

根據(jù)工程總體方案，在本標(biāo)段范圍內(nèi)，需要標(biāo)準(zhǔn)雙柱蓋梁數(shù)量合計(jì)37 個(gè)，考慮到在本標(biāo)段平曲線(xiàn)位于S 彎上，導(dǎo)致蓋梁橫坡先后從單向2.5%變化為雙向2%，最終變化為單向2%，為提高蓋梁模板的通用性，讓所有蓋梁通過(guò)一套模板完成制作，并降低蓋梁預(yù)制運(yùn)輸?shù)跹b難度，特提出以下幾項(xiàng)原則：

（1）蓋梁?jiǎn)喂?jié)預(yù)制控制重量為170 t。蓋梁寬度應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足抗震、預(yù)設(shè)立柱偏心的需求。

（2）蓋梁底部外挑臂保持通用的斜率，共用底模板。

（3）蓋梁側(cè)面保持垂直，共用垂直的側(cè)模板，對(duì)于高度不同的蓋梁，利用預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑收水控制蓋梁頂標(biāo)高與橫坡。

（4）蓋梁拼接面保持統(tǒng)一的位置，蓋梁拼接面保持同樣的齒塊，共用齒塊模板。

（5）蓋梁預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)位置基本統(tǒng)一，能夠統(tǒng)一在模板上開(kāi)孔。

通過(guò)以上因素的綜合考慮，從外形和預(yù)應(yīng)力布置上將蓋梁歸納為五種典型形態(tài)。蓋梁拼接面中齒塊位置和形狀保持統(tǒng)一。所有蓋梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋N2、N3 保持不變，N1 鋼束隨著蓋梁橫坡變化上下變化。因此，N1 鋼束對(duì)應(yīng)的端部模板，以及拼接面模板應(yīng)在N1 鋼束位置開(kāi)橢圓形孔，方便調(diào)整位置。在蓋梁構(gòu)造中，將拼接面設(shè)置為斜面，這樣可以化解一部分剪力為軸向壓力。

圖2 為蓋梁典型形態(tài)圖，圖3 為預(yù)應(yīng)力布置立面圖。

3 分節(jié)蓋梁受力分析

3.1 重點(diǎn)分析內(nèi)容

分節(jié)蓋梁的分析需要在按照現(xiàn)澆蓋梁分析模式的基礎(chǔ)上，參考節(jié)段梁的相關(guān)設(shè)計(jì)理論，著重開(kāi)展以下幾個(gè)方面性能控制與分析：

（1）預(yù)應(yīng)力蓋梁可按A 類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)，但是分節(jié)蓋梁在接縫位置需按照全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

（2）分節(jié)蓋梁斜截面抗剪承載能力分析應(yīng)考慮分節(jié)作用下產(chǎn)生斜裂縫水平投影長(zhǎng)度減短等不利作用。

（3）分節(jié)位置受抗彎剪耦合作用導(dǎo)致承載能力的下降。

這幾項(xiàng)問(wèn)題分析主要依托的規(guī)范為上海市《節(jié)段預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2255—2018）[3]。

3.2 接縫斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算

在接縫斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算過(guò)程中，讀取midas 中建立的蓋梁計(jì)算模型中基本組合中剪力數(shù)值和軸力數(shù)值?？紤]到分節(jié)面的傾斜角度，計(jì)算出分節(jié)面上的剪力值和軸力數(shù)值，并依托規(guī)范中5.2.7 條進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，滿(mǎn)足規(guī)范要求，且安全系數(shù)在1.5 以上。

圖2 蓋梁典型形態(tài)圖（單位：mm）

圖3 預(yù)應(yīng)力布置立面圖（單位：mm）

3.3 接縫剪壓區(qū)抗剪承載能力

在接縫剪壓區(qū)抗剪承載能力驗(yàn)算過(guò)程中，參考規(guī)范中5.2.9 條，以及相關(guān)條文說(shuō)明中推薦的迭代步驟開(kāi)展驗(yàn)算時(shí)，出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果無(wú)法求解的情況，造成無(wú)法判斷結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足安全要求。

分析規(guī)范公式在計(jì)算剪壓區(qū)抗剪承載能力時(shí)的幾個(gè)假定：

（1）接縫面為剪壓耦合破壞，不是純壓純剪破壞；

（2）按照受彎破壞模式，以及大偏心受壓破壞模式確定受壓混凝土范圍；

（3）假設(shè)設(shè)計(jì)彎矩與剪力的比值與極限彎矩與剪力的比值等同，修正混凝土受壓區(qū)高度。

考慮到規(guī)范公式規(guī)定的幾種物理狀態(tài)不一定同時(shí)出現(xiàn)，因此會(huì)出現(xiàn)驗(yàn)算不收斂的情況。

同時(shí)，考慮到驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全的方式有兩種：

（1）知道力求配筋或者知道配筋驗(yàn)算是否滿(mǎn)足要求；

（2）當(dāng)無(wú)法計(jì)算出極限承載力的情況下，只要結(jié)構(gòu)的承載能力大于最大的荷載組合也可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的。

在該項(xiàng)目中，按照第（2）種方式驗(yàn)算接縫剪壓區(qū)抗剪承載力。

該項(xiàng)目驗(yàn)算按照以下順序進(jìn)行：

（1）判斷是否會(huì)出現(xiàn)混凝土壓碎破壞模式。

在指定基本組合設(shè)計(jì)彎矩狀態(tài)下，是否會(huì)出現(xiàn)截面受彎導(dǎo)致部分截面退出工作，以及混凝土達(dá)到壓碎荷載狀態(tài)。

（2）判斷是否會(huì)出現(xiàn)混凝土彎剪破壞模式。

a.當(dāng)彎曲狀態(tài)全截面受壓時(shí)，應(yīng)可考慮全截面混凝土均可參加抗剪；

b.當(dāng)彎曲狀態(tài)部分截面受壓時(shí)，只有受壓部分截面抗剪，可迭代確定截面范圍；

c.當(dāng)設(shè)計(jì)剪力 Vd小于預(yù)應(yīng)力剪力 0.75Vpd，i（體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抗剪承載能力）+0.95Vpd，e（體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抗剪承載能力）時(shí)，可認(rèn)為混凝土剪力可不發(fā)揮作用，不用考慮彎剪組合作用，直接按照規(guī)范中5.2.9.-1 公式驗(yàn)算即已經(jīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

驗(yàn)算過(guò)程中，提取midas 中建立的蓋梁計(jì)算模型基本組合中設(shè)計(jì)彎矩值進(jìn)行分析。蓋梁在該彎矩值作用下接縫位置全截面受壓，全截面均可提供剪力，且不考慮混凝土剪力的情況下，鋼絞線(xiàn)提供的剪力即可滿(mǎn)足抗剪要求，因此可認(rèn)為設(shè)計(jì)方案性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 施工方案與配套鋼蓋梁設(shè)計(jì)

在已有的部分分節(jié)蓋梁實(shí)施工程案例中，在蓋梁中間段吊裝就位后，利用吊車(chē)吊裝蓋梁挑臂，在空中完成對(duì)位拼裝。該施工方案的優(yōu)點(diǎn)是施工臨時(shí)設(shè)施投入少；缺點(diǎn)是在蓋梁挑臂對(duì)位時(shí)，需要同時(shí)校準(zhǔn)多維坐標(biāo)，吊裝精度控制難度大，且在臨時(shí)預(yù)應(yīng)力完成張拉前，吊車(chē)需要保持位置，占用吊車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)。

為了解決上述問(wèn)題，在該工程中，設(shè)置臨時(shí)施工橫梁，使拼裝對(duì)位確定施工精度時(shí)可以逐步對(duì)位各個(gè)方位角，降低對(duì)位難度，并按照以下順序開(kāi)展施工：

（1）完成橋墩和蓋梁中間段的預(yù)制拼裝；

（2）在蓋梁中間段上安裝施工臨時(shí)橫梁；

（3）利用臨時(shí)橫梁，吊裝蓋梁挑臂，并張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，將拼接面的環(huán)氧膠壓勻；

（4）張拉第一批永久預(yù)應(yīng)力，拆除臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，拆除施工橫梁。待小箱梁吊裝后，張拉第二批永久預(yù)應(yīng)力，完成蓋梁拼裝。

圖4 為施工步驟圖。

圖4 施工步驟圖

考慮到臨時(shí)鋼橫梁造價(jià)較高，選取兩個(gè)蓋梁，設(shè)計(jì)為鋼蓋梁結(jié)構(gòu)。在施工過(guò)程中，這兩個(gè)鋼蓋梁作為施工臨時(shí)橫梁。分節(jié)蓋梁施工完成后，再安裝這兩個(gè)鋼蓋梁。分析驗(yàn)算表明，鋼蓋梁在運(yùn)營(yíng)階段受力遠(yuǎn)大于作為橫梁施工階段的受力，因此不需要針對(duì)施工階段進(jìn)行額外加固。

5 結(jié) 語(yǔ)

從力學(xué)分析的角度上看，分節(jié)蓋梁的結(jié)構(gòu)是可行的。通過(guò)共用模板，以及將永久結(jié)構(gòu)作為施工臨時(shí)橫梁等措施，從設(shè)計(jì)的角度節(jié)約了總工程造價(jià)，提升了裝配式結(jié)構(gòu)推廣的可行性。裝配式結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)施工措施密切相關(guān)，在實(shí)際工程施工過(guò)程中，施工單位尚應(yīng)針對(duì)預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸、吊裝做好專(zhuān)項(xiàng)施工方案，確保工程的順利開(kāi)展。